RU2353573C2 - Method for obtaining nanopowder and device for its realisation - Google Patents
Method for obtaining nanopowder and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353573C2 RU2353573C2 RU2006145131/02A RU2006145131A RU2353573C2 RU 2353573 C2 RU2353573 C2 RU 2353573C2 RU 2006145131/02 A RU2006145131/02 A RU 2006145131/02A RU 2006145131 A RU2006145131 A RU 2006145131A RU 2353573 C2 RU2353573 C2 RU 2353573C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron beam
- target
- evaporation chamber
- nanopowder
- gas
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способу получения нанопорошков из различных материалов.The invention relates to a method for producing nanopowders from various materials.
Получение нанопорошков с характерным размером в области 10 нм и узким (среднегеометрическое отклонение σ<1,5) распределением частиц по размерам по-прежнему остается актуальной задачей, особенно если это связывается с приемлемой производительностью (≥5 г/час), высокой чистотой получаемого продукта и низким потреблением энергии.Obtaining nanopowders with a characteristic size in the region of 10 nm and a narrow (geometric mean deviation σ <1.5) particle size distribution is still an urgent task, especially if this is associated with an acceptable productivity (≥5 g / h), high purity of the obtained product and low energy consumption.
Агломерация полученных наночастиц (в комплексы размером в доли мкм) с учетом малых размеров наночастиц позволяет получать большие удельные поверхности, что придает уникальные свойства таким агломератам, особенно в качестве катализаторов.Agglomeration of the obtained nanoparticles (into complexes of a fraction of microns), taking into account the small size of the nanoparticles, allows one to obtain large specific surfaces, which gives unique properties to such agglomerates, especially as catalysts.
При этом желательно, чтобы метод обеспечивал возможность использований в качестве сырья достаточно дешевых и возможно более широкий диапазон компонент (проводящие и непроводящие, сплавы и металлы, механические смеси и т.д.).At the same time, it is desirable that the method provides the possibility of using rather cheap and possibly a wider range of components (conducting and non-conducting, alloys and metals, mechanical mixtures, etc.) as raw materials.
Известны способы получения нанопорошков методом импульсного нагрева и испарения мишени пропусканием импульса тока - электрический взрыв проволок (ЭВП), и излучением импульсного CO2 лазера [1].Known methods for producing nanopowders by pulsed heating and evaporation of a target by passing a current pulse - an electric explosion of wires (EEC), and radiation of a pulsed CO 2 laser [1].
ЭВП позволяет получать нанопорошки металлов и соединений при относительно небольших затратах энергии - не более двух энергий сублимации материала. Однако метод имеет несколько принципиальных недостатков. Во-первых, относительно широкое распределение получаемых частиц по размерам, которое связано с механизмом формирования частиц из образуемого при ЭВП пароплазменного облака. Во-вторых, необходимость иметь сырье в виде металлической проволоки определенного диаметра. В-третьих, необходимость коммутирования достаточно большой энергии (единицы кДж) для проведения взрыва, что усложняет конструкцию и накладывает ограничения на ресурс установок.EEC allows one to obtain nanopowders of metals and compounds at relatively low energy costs — no more than two sublimation energies of the material. However, the method has several fundamental drawbacks. Firstly, a relatively wide size distribution of the resulting particles, which is associated with the mechanism of particle formation from the vapor-plasma cloud formed during EEC. Secondly, the need to have raw materials in the form of a metal wire of a certain diameter. Thirdly, the need to commute a sufficiently large energy (units of kJ) for an explosion, which complicates the design and imposes limitations on the resource of the installations.
Использование излучения импульсного СО2 лазера позволяет существенно снизить распределение получаемых нанопорошков по размером, а также использовать в качестве сырья практически любые виды материалов (монолит, крупный порошок), но обязательно с малой теплопроводностью. Этот метод имеет существенные преимущества по энергозатратам перед использованием непрерывного CO2 лазера [2]. Главными недостатками этого метода являются: малый кпд (не более 1,5%) из-за существенного поглощения лазерного излучения в пламенном факеле, возникающем на мишени уже на фронте излучения.The use of radiation from a pulsed CO 2 laser can significantly reduce the size distribution of the resulting nanopowders, as well as use almost any kind of material (monolith, coarse powder) as a raw material, but with low thermal conductivity. This method has significant advantages in energy consumption over the use of a continuous CO 2 laser [2]. The main disadvantages of this method are: low efficiency (not more than 1.5%) due to the significant absorption of laser radiation in a flame plume that arises on a target already at the radiation front.
Известно использование ускорителей с высокой энергией электронов (>1 МэВ), позволяющей выполнять испарение мишеней в газе высокого давления, что упрощает вопросы охлаждения паровой фазы и транспортировки порошка из зоны испарения [3]. Главные недостатки такого пути: испарение из жидкой ванны, что приводит к изменению стехиометрии мишени, высокая агломерация получаемых частиц и высокая стоимость ускорителей.It is known to use accelerators with high electron energy (> 1 MeV), which allows the evaporation of targets in a high-pressure gas, which simplifies the problems of cooling the vapor phase and transporting powder from the evaporation zone [3]. The main disadvantages of this path: evaporation from a liquid bath, which leads to a change in the stoichiometry of the target, high agglomeration of the resulting particles and the high cost of accelerators.
Другой известный способ - прототип состоит в использовании электронных пушек постоянного тока с энергией до 50 кэВ [4]. Устройство для реализации этого способа содержит электронную пушку, мишень, систему фокусировки и проводки пучка до мишени и устройство сбора порошка на основе охлаждаемой стенки.Another well-known method - the prototype consists in the use of direct current electron guns with an energy of up to 50 keV [4]. A device for implementing this method comprises an electron gun, a target, a system for focusing and conducting the beam to the target, and a powder collecting device based on the cooled wall.
Недостатками способа для получения нанопорошков являются: относительно низкая эффективность преобразования энергии излучения на испарение вещества (до 10%) из-за высоких теплопотерь и малая производительность метода. Малая производительность связана с отсутствием среды для закалки порошков.The disadvantages of the method for producing nanopowders are: relatively low conversion efficiency of radiation energy to the evaporation of matter (up to 10%) due to high heat loss and low productivity of the method. Low productivity is associated with the lack of a medium for hardening powders.
Изобретение решает задачу увеличения производительности метода и снижение удельных энергозатрат на производство нанопорошков.The invention solves the problem of increasing the productivity of the method and reducing the specific energy consumption for the production of nanopowders.
Указанный технический результат достигается посредством испарения мишени импульсным электронным пучком в газе низкого давления.The specified technical result is achieved by evaporation of the target by a pulsed electron beam in a low pressure gas.
Способ включает испарение мишени электронным пучком, конденсацию паров материала и осаждение нанопорошков на холодной мишени, отличающийся тем, чего испарение мишени осуществляют импульсным электронным пучком с энергией не более 100 кэВ, длительностью импульсов от 20 до 300 мкс, плотностью энергии не менее 1 МДж/см2, который на пути к мишени проводят через систему создания перепада давления газа, позволяющую иметь в камере испарения давление газа в диапазоне 1-20 Па для охлаждения частиц.The method includes electron beam evaporation of a target, material vapor condensation and nanopowder deposition on a cold target, characterized in that the target is vaporized by a pulsed electron beam with an energy of not more than 100 keV, pulse duration from 20 to 300 μs, and an energy density of at least 1 MJ / cm 2 , which, on the way to the target, is conducted through a gas pressure differential system that allows the gas to have a gas pressure in the range of 1–20 Pa in the evaporation chamber to cool the particles.
Длительность импульса должна быть с одной стороны, быть меньше времени образования на мишени сплошной жидкой ванны, а с другой стороны, обеспечивать введение энергии достаточной для испарения материала (в том числе тугоплавкого) и создания достаточно низкой плотности паров для исключения объединения получаемых частиц. При использовании импульсных электронных пушек, энергии электронов, в которых обычно не более 100 кэВ, а характерное значение тока в импульсе не превышает 1А, указанные условия по энергии пучка электронов достигаются, если длительность пучка ограничена пределами от 20 до 300 мкс. При этом плотность энергии на мишени должна бы не менее 1 МДж/см для испарения большей части материала в режиме абляции [4-6]. При этом полностью исключить создание жидкой ванны на мишени, а следовательно, и выброса капель из мишени, невозможно исходя из физики поглощения энергии электронного пучка материалом, носящего нелинейный характер [7].The pulse duration should be, on the one hand, less than the time of formation of a continuous liquid bath on the target, and, on the other hand, should provide sufficient energy to evaporate the material (including refractory) and create a sufficiently low vapor density to exclude the combination of the resulting particles. When using pulsed electron guns, the electron energy in which is usually not more than 100 keV, and the characteristic value of the current in the pulse does not exceed 1A, the indicated conditions for the electron beam energy are achieved if the beam duration is limited to 20 to 300 μs. In this case, the energy density on the target should be at least 1 MJ / cm for the evaporation of most of the material in the ablation mode [4-6]. In this case, it is impossible to completely exclude the creation of a liquid bath on the target, and hence the ejection of droplets from the target, based on the physics of electron beam energy absorption by a material of a nonlinear nature [7].
Увеличение энергии электронов выше 100 кэВ приводит не только к росту энергии пучка, но и увеличению длины пробега, а следовательно, и облучаемого объема материала, при этом существенно возрастает сложность электронной пушки.An increase in the electron energy above 100 keV leads not only to an increase in the beam energy, but also to an increase in the mean free path and, consequently, in the irradiated volume of the material, and the complexity of the electron gun increases significantly.
Расширение в газ низкого давления позволяет получить высокие скорости расширения, обеспечивающие быстрое снижение концентрации паров и получение частиц малых размеров. При этом наличие газа позволяет осуществлять достаточно быстрое охлаждение - закалку частиц порошка за счет, не только радиационного как в вакууме, но и молекулярного механизма теплообмена. Нижнее значение давления газа может быть оценено исходя из критерия существенности доли потерь тепла частицами наноразмеров за счет молекулярного теплообмена и увеличении. Оценки показывают, что это давление должно быть не менее 1 Па. Верхнее значение давления газа может быть оценено исходя из критерия существенности доли потерь пучка электронов с энергией до 100 кэВ на поглощение и рассеивание в газе до попадания на мишень. Оценки показывают, что это давление не должно быть более 20 Па.Expansion into a low-pressure gas makes it possible to obtain high expansion rates, providing a rapid decrease in vapor concentration and the production of small particles. At the same time, the presence of gas allows for fairly rapid cooling - hardening of the powder particles due to not only radiation as in vacuum, but also the molecular mechanism of heat transfer. The lower value of the gas pressure can be estimated based on the criterion of the materiality of the fraction of heat loss by nanoscale particles due to molecular heat transfer and increase. Estimates show that this pressure should be at least 1 Pa. The upper value of the gas pressure can be estimated based on the criterion of the materiality of the fraction of losses of an electron beam with an energy of up to 100 keV for absorption and scattering in the gas before it hits the target. Estimates show that this pressure should not be more than 20 Pa.
Использование импульсных электронных пушек позволяет относительно просто изменять энергию и длительность импульса, а также частоту повторения импульсов, что дает широкие возможности для выбора вида испаряемых материалов и управление производительностью метода.The use of pulsed electron guns makes it relatively easy to change the energy and duration of the pulse, as well as the pulse repetition rate, which gives ample opportunity to choose the type of evaporated materials and control the performance of the method.
Устройство для реализации способа (Фиг.1) содержит импульсную электронную пушку с полым катодом 1; систему проводки и фокусировки пучка, которая включает фокусирующую 2 и отклоняющие 3 катушки; камеру дрейфа 4 с системой перепада давления газа, которая состоит из двух газодинамических сопел 5; камеру испарения 12, в которой установлена мишень 11; систему сбора порошка в составе охлаждаемого вращающегося диска 7 со скребком 8 и бункером для сбора порошка 9.A device for implementing the method (Figure 1) contains a pulsed electron gun with a
Устройство работает следующим образом. Импульсная электронная пушка 1 откачивается вакуумным насосом 13 до высокого вакуума, камера дрейфа 4 откачивается вакуумным насосом 14 до среднего вакуума, а камера испарения 12 откачивается вакуумным насосом 15 до газа низкого давления. Перепад давления между пушкой 1 и камерами 4, а также между камерами 4 и 12 создается двумя газодинамическими соплами 5. Пушка 1 формирует электронный пучок 10, который фокусируется для прохода через сопло 5 в камеру дрейфа 4 фокусирующей катушкой 2. После входа через второе сопло 5 в камеру испарения 12 пучок фокусируется на мишени 11 и сканируется по ней отклоняющей катушкой 3. Испаренный пучком 10 материал мишени 11 в виде паров тормозится на газе низкого давления и попадает на диск 7, который охлаждается изнутри жидким азотом 6. Полученный порошок соскребается скребком 8 и попадает в бункер 9.The device operates as follows. The
Способ и устройство для реализации способа были проверены экспериментально. Принципиальная схема установки «Нанобим» показана на Фиг.1, технические характеристики установки приведены в таблице 1. Для нормальной работы электронной пушки с плазменным катодом необходимо давление на уровне 10-2 Па.The method and device for implementing the method were tested experimentally. The schematic diagram of the Nanobim installation is shown in Figure 1, the technical characteristics of the installation are shown in Table 1. For normal operation of the electron gun with a plasma cathode, a pressure of 10 -2 Pa is required.
Для создания условий быстрого охлаждения частиц и возможности их транспортировки необходимо давление, величина которого ограничивается потерями пучка с энергией до 50 кэВ на остаточном газе. Расчеты но [8] для имеющейся геометрии тракта фокусировки и отклонения электронного пучка (длинной 20 см) показывают, что при разумных потерях пучка (до 15%) величина давления в камере испарения ограничивается величиной не более 20 Па.To create conditions for the rapid cooling of particles and the possibility of their transportation, a pressure is necessary, the value of which is limited by the loss of the beam with an energy of up to 50 keV on the residual gas. Calculations [8] for the available geometry of the focus path and the deviation of the electron beam (20 cm long) show that, with reasonable beam losses (up to 15%), the pressure in the evaporation chamber is limited to no more than 20 Pa.
Технические характеристики установки «Нанобим»Table 1
Technical characteristics of the Nanobim installation
На основе анализа литературных данных [9] была выбрана конструкция из двух газодинамических окон, установленных на расстоянии 100 мм навстречу друг другу. Каждое сопло имеет сквозное отверстие диаметром 2 мм, нижний край у первого окна и верхний край у нижнего окна имеют срез под 45 градусов для направления потока газа. Конструкция сопел позволяет осуществлять их быструю замену и взаимную юстировку.Based on the analysis of literature data [9], a design of two gas-dynamic windows installed at a distance of 100 mm towards each other was chosen. Each nozzle has a through hole with a diameter of 2 mm, the lower edge at the first window and the upper edge at the lower window have a 45 degree cut to direct the gas flow. The nozzle design allows for quick replacement and mutual alignment.
В процессе экспериментов выполнялись замеры давления газа во всех камерах в зависимости от давления в камере испарения, при различных скоростях натекания газа (аргона) в камеру испарения. Результаты измерений показывают (Таблица 2), что выбранная конфигурация канала для проводки пучка позволяет получить существенный перепад давления (в требуемом диапазоне до 10 Торр) при относительно небольших скоростях откачки. Откачка из камер электронной пушки и дрейфа осуществлялась с помощью агрегатов АВП 100/100, а из камеры испарения - насосом 2НВР-5ДМ. Измерение вакуума в камерах электронной пушки и дрейфа осуществлялось термопарной и ионизационной лампами на вакуумметре ВИТ-2, а в камере испарения - вакуумметром 13 ВТЗ-003 с терморезисторным датчиком. Все камеры изготавливались из нержавеющей стали, при этом снаружи покрывались листовым свинцом толщиной 5 мм для защиты от тормозного излучения.During the experiments, gas pressure was measured in all chambers depending on the pressure in the evaporation chamber, at various rates of gas (argon) leakage into the evaporation chamber. The measurement results show (Table 2) that the selected channel configuration for beam transmission allows a significant pressure drop (in the required range up to 10 Torr) at relatively low pumping speeds. Pumping from the chambers of the electron gun and drift was carried out using AVP 100/100 aggregates, and from the evaporation chamber by means of a 2NVR-5DM pump. The vacuum in the chambers of the electron gun and drift was measured by thermocouple and ionization lamps on a VIT-2 vacuum gauge, and in the evaporation chamber by a 13 VTZ-003 vacuum gauge with a thermistor sensor. All chambers were made of stainless steel, while outside were coated with 5 mm sheet lead to protect against bremsstrahlung.
Результаты экспериментов по изучению перепада давления в установкеTable 2
The results of experiments to study the differential pressure in the installation
Напуск газа в камеру испарения создается системой напуска газа, которая состоит из баллона с газом, системы трубопроводов, редуктора и натекателя.The gas inlet into the evaporation chamber is created by the gas inlet system, which consists of a gas cylinder, a piping system, a gearbox and a leak pipe.
Конструктивно установка «Нанобим» состоит из трех основных элементов:Structurally, the Nanobim installation consists of three main elements:
единого блока камер на подставке; технической стойки, в которой размещены вакуумные агрегаты с форвакуумными насосами и вентилями коммутации вакуумной системы; стойки управления, в которой размещены система управления установкой и всеми его узлами и системами, а также источник напряжения.a single unit of cameras on the stand; a technical rack in which vacuum units with fore-vacuum pumps and switching valves of the vacuum system are located; the control rack, which houses the control system of the installation and all its components and systems, as well as a voltage source.
Единый блок камер содержит (Фиг.1) две магнитные системы. Фокусирующая катушка предназначена для позиционирования и фокусирования пучка электронов в сопло первого газодинамического окна. Для визуального контроля процесса фокусировки в камере электронной пушки имеется смотровое окно, направленное на сопло. Отклоняющая катушка предназначена для фокусирования пучка электронов на мишени, а также на нее подается сигнал с блока сканирования пучка. Сканирование пучка осуществляется непрерывно, с частотой смены кадра 0,4 Гц. Каждый кадр содержит 128 строк, размах отклонения от центра мишени составляет 15 мм. Минимальное расчетное расстояние перемещения пучка между импульсами при максимальной частоте 500 Гц составляет не менее двух диаметров пучка (3 мм).A single camera unit contains (Figure 1) two magnetic systems. The focusing coil is designed to position and focus the electron beam into the nozzle of the first gas-dynamic window. For visual control of the focusing process in the chamber of the electron gun there is a viewing window aimed at the nozzle. The deflection coil is designed to focus the electron beam on the target, and also a signal from the beam scanning unit is supplied to it. The beam scan is carried out continuously, with a frame rate of 0.4 Hz. Each frame contains 128 lines, the range of deviation from the center of the target is 15 mm. The minimum calculated distance of the beam between pulses at a maximum frequency of 500 Hz is at least two beam diameters (3 mm).
Конструктивно электронная пушка размещается на едином блоке камер так, что имеется возможность ее юстировки относительно канала для проводки пучка. Электронная пушка выполнена на основе разряда с полым катодом [10]. Длительность импульса электронного тока задается блоком питания разряда и может регулироваться в пределах 20-300 мкс при токе разряда в плазме до 1,2А. Источник ускоряющего напряжения позволяет регулировать ускоряющее напряжение в диапазоне от 5 до 50 кВ, отбираемый из плазмы ток составляет около 0,5А.Structurally, the electron gun is placed on a single block of cameras so that it is possible to align it relative to the channel for beam transmission. The electron gun is made on the basis of a hollow cathode discharge [10]. The duration of the electron current pulse is set by the discharge power supply and can be adjusted within 20-300 μs at a discharge current in the plasma of up to 1.2 A. The accelerating voltage source allows you to adjust the accelerating voltage in the range from 5 to 50 kV, the current drawn from the plasma is about 0.5 A.
В камере испарения размещены узел мишени и система сбора порошка. Эта камера имеет насколько патрубков-окон, позволяющих обслуживать и эксплуатировать установку без полной разборки. Для визуального контроля процесса фокусировки пучка на мишени и процесса ее испарения имеется смотровое окно, направленное на центр мишени.A target assembly and a powder collection system are placed in the evaporation chamber. This camera has as many nozzles, windows, allowing to maintain and operate the installation without complete disassembly. For visual control of the process of focusing the beam on the target and the process of its evaporation, there is a viewing window aimed at the center of the target.
Мишень (таблетка диаметром 60 мм и высотой до 20 мм) устанавливается в кронштейн, который имеет свободное вращение (с фиксацией) в двух плоскостях. При юстировке и фокусировке пучка электронов при настройке тракта мишень устанавливается горизонтально. При испарении мишень поворачивается под углом 45° к пучку так, чтобы быть параллельной плоскости диска системы сбора порошка.The target (tablet with a diameter of 60 mm and a height of up to 20 mm) is installed in the bracket, which has free rotation (with fixation) in two planes. When aligning and focusing the electron beam when tuning the path, the target is set horizontally. During evaporation, the target rotates at an angle of 45 ° to the beam so as to be parallel to the plane of the disk of the powder collection system.
Система сбора порошка выполнена на основе вращаемого полого медною диска (диаметром 200 мм), плоскость которого установлена под углом 45 градусов к оси пучка на расстоянии около 210 мм от центра мишени. На плоскость диска попадают паро-плазменные струи, вылетающие из мишени под действием пучка. Диск охлаждается изнутри жидким азотом, который поступает через полый вал. Расход азота около 1 кг/час. Диск вращается электромотором через двухступенчатый редуктор, состоящий из червячной и ременной передач, со скоростью 30 об/мин. К нижней половине плоскости диска прижимается подпружиненный неподвижный скребок (из набора медных фольг), заключенный в полукруглый экран из нержавеющей стали. Экран за пределами диска переходит в трубу, на конце которой находится бункер для сбора порошка.The powder collection system is based on a rotatable hollow copper disk (200 mm in diameter), the plane of which is set at an angle of 45 degrees to the beam axis at a distance of about 210 mm from the center of the target. Steam-plasma jets that fly out of the target under the influence of a beam fall on the plane of the disk. The disk is cooled from the inside by liquid nitrogen, which enters through the hollow shaft. Nitrogen consumption is about 1 kg / hour. The disk is rotated by an electric motor through a two-stage gearbox, consisting of worm and belt drives, at a speed of 30 rpm. A spring-loaded stationary scraper (from a set of copper foils), enclosed in a semicircular stainless steel screen, is pressed against the lower half of the disk plane. The screen outside the disk goes into the pipe, at the end of which there is a hopper for collecting powder.
Для измерения тока пучка электронов используются три датчика два трансформатора тока и шунт. Один трансформатор позволяет измерять ток через источник ускоряющего напряжения, т.е. полный ток пучка. Второй установлен на токопроводе, связывающем мишень с корпусом камеры испарения, и позволяет измерять ток пучка, попавший на мишень. Шунт установлен между передним фланцем (электрически изолированным) камеры дрейфа и позволяет измерять долю тока, теряемую при проводке пучка.To measure the electron beam current, three sensors are used, two current transformers and a shunt. One transformer allows you to measure current through an accelerating voltage source, i.e. full beam current. The second one is mounted on the current path connecting the target with the body of the evaporation chamber and allows measuring the beam current incident on the target. A shunt is installed between the front flange (electrically isolated) of the drift chamber and allows measuring the fraction of current lost during beam wiring.
Устройство работает следующим образом. Электронный пучок фокусируется в сопло первого газодинамического окна, проходит через второе газодинамическое окно и фокусируется отклоняющейся катушкой на мишени. Одновременно осуществляется сканирование пучка по мишени. Под действием электронного пучка происходит испарение материала мишени, образующаяся паро-плазменная смесь охлаждается газом низкого давления в камере испарения, происходят конденсация и образование нанопорошка. Порошок долетает до диска системы сбора порошка, который охлажден жидким азотом до криогенных температур, и осаждается на него. За счет вращения диска происходит снятие нанопорошка скребком в экран, по которому порошок перемещается в бункер.The device operates as follows. The electron beam is focused into the nozzle of the first gas-dynamic window, passes through the second gas-dynamic window and is focused by the deflecting coil on the target. At the same time, the beam is scanned along the target. Under the action of an electron beam, the target material evaporates, the vapor-plasma mixture formed is cooled by a low-pressure gas in the evaporation chamber, and condensation and nanopowder formation occur. The powder reaches the disk of the powder collection system, which is cooled by liquid nitrogen to cryogenic temperatures, and is deposited on it. Due to the rotation of the disk, the nanopowder is removed with a scraper to the screen, along which the powder moves into the hopper.
Результаты измерений показали, что в электронной пушке получен устойчивый разряд с током в плазме до 1,2А, из которого формируется пучок электронов с энергией до 50 кэВ, током до 0,46А, длительностью до 300 мкс с достаточно крутыми фронтами (Фиг.2) и частотой повторения до 500 Гц.The measurement results showed that a stable discharge was obtained in the electron gun with a plasma current of up to 1.2 A, from which an electron beam with an energy of up to 50 keV, a current of up to 0.46 A, and a duration of up to 300 μs with fairly steep fronts is formed (Figure 2) and repetition rates up to 500 Hz.
Мишень прессовалась ручным прессом из порошков с размером частиц в десятки мкм различного состава. Затем таблетка спекалась при температуре около 1200°С в течение 8 часов для уменьшения разбрасывания мишени под воздействием электронного пучка.The target was pressed with a hand press of powders with a particle size of tens of microns of various compositions. Then the tablet was sintered at a temperature of about 1200 ° C for 8 hours to reduce the spread of the target under the influence of an electron beam.
В экспериментах по получению порошков использовались оксиды;In the experiments to obtain powders, oxides were used;
- 10 YSZ (оксид циркония, стабилизированный 10% мольными оксида иттрия);- 10 YSZ (zirconium oxide stabilized with 10% molar yttrium oxide);
- CeGdOx (оксид церия, допированный гадолинием);- CeGdOx (cerium oxide doped with gadolinium);
Результаты экспериментов приведены в табл.3. В целом можно сказать, что полученные порошки имеют высокую удельную поверхность и достаточно узкое распределение частиц по размерам, в районе нескольких нм (Фиг.3, 4).The experimental results are shown in table.3. In general, we can say that the obtained powders have a high specific surface area and a rather narrow particle size distribution in the region of several nm (Figs. 3, 4).
Исходя из пересчета по измеренной удельной поверхности Sy средний размер частиц составляет от 10 до 60 нм (Табл.3), что существенно больше, чем различимый на фотографиях с электронного микроскопа реальный диаметр частиц dВЕТ=3-5 нм (Фиг.3). По-видимому, это связано с существенной агломерацией частиц, которая возникает из-за недостаточной закалки частиц в полете перед попаданием на мишень (Фиг.4). Доказательством этого служат результаты эксперимента, выполненного при откачке камеры испарения до давления 0,3 Па (Табл.3, №7), которые показывают существенное уменьшение удельной поверхности Sy. Кроме того, из данных табл. 3 видно, что увеличение давления в камере испарения более 20 Па ведет к существенному уменьшению выхода порошка вследствие потерь пучка электронов на газе.Based on the recalculation according to the measured specific surface area S y, the average particle size is from 10 to 60 nm (Table 3), which is significantly larger than the real particle diameter d BET = 3-5 nm distinguishable in photographs from an electron microscope (Figure 3) . Apparently, this is due to the significant agglomeration of particles, which occurs due to insufficient quenching of particles in flight before hitting the target (Figure 4). This is proved by the results of an experiment performed during evacuation of the evaporation chamber to a pressure of 0.3 Pa (Table 3, No. 7), which show a significant decrease in the specific surface area S y . In addition, from the data table. Figure 3 shows that an increase in pressure in the evaporation chamber of more than 20 Pa leads to a significant decrease in the yield of powder due to losses of the electron beam on the gas.
Таким образом, экспериментально показана работоспособность метода испарения мишени импульсным электронным пучком с последующей конденсацией паров в газе низкого давления и улавливанием их на холодной стенке. Метод позволяет получать наноразмерные агломераты нанопорошков оксидов с Sy до 180 м2/г при производительности до 12 г/час и удельных затратах энергии более W3=112 кВтч/г (около 5 энергий сублимации).Thus, the efficiency of the method of target evaporation by a pulsed electron beam with subsequent condensation of vapors in a low-pressure gas and trapping them on a cold wall has been experimentally shown. The method allows to obtain nanosized agglomerates of nanopowders of oxides with S y up to 180 m 2 / g with a productivity of up to 12 g / h and specific energy consumption of more than W 3 = 112 kWh / g (about 5 sublimation energies).
Результаты экспериментов на установке «Нанобим»Table 3.
The results of experiments at the Nanobim installation
ЛитератураLiterature
1. Ю.А. Котов // Нанопорошки, получаемые с использованием импульсных методов нагрева мишени. / Перспективные материалы, 2003, №4, с.79-82.1. Yu.A. Kotov // Nanopowders obtained using pulsed methods of heating a target. / Promising materials, 2003, No. 4, pp. 79-82.
2. Muller Е., Oestreich Ch., Popp U., Stanpendahl G., Henneberg K. - H. // Caracterization of nanocrystalline oxide powders prepared by СО2 laser evaporation J. KONA. - Powder and Particle, 1995, N 13, pp.79-90.2. Muller E., Oestreich Ch., Popp U., Stanpendahl G., Henneberg K. - H. // Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO 2 laser evaporation J. KONA. - Powder and Particle, 1995, N 13, pp. 79-90.
3. S.N.Fadeev, M.G.Golkovski, A.I.Korchagin, N.K.Kuksanov, A.V.Lavrukhin, S.E.Petrov, R.A.Salimov and A.F.Vaisman, Radial. Phys. Chem. 57 (2000), pp.653-655.3. S.N. Fadeev, M.G. Golkovski, A.I. Korchagin, N.K. Kuksanov, A.V. Lavrukhin, S.E. Petrov, R.A. Salimov and A.F. Vaisman, Radial. Phys. Chem. 57 (2000), pp. 653-655.
4. J.D.F.Ramsay, R.G.Avery. Ultrafine oxide powders prepared by electron beam evaporation. J. of Material Science, 1974, vol. 9, pp.1681-1695.4. J.D. F. Ramsay, R. G. All. Ultrafine oxide powders prepared by electron beam evaporation. J. of Material Science, 1974, vol. 9, pp. 1681-1695.
5. В.Gunther and A.Kummpmann. Ultrafine oxide powders prepared by inert gas evaporation. J. Nanostructured Materials, 1992, vol.1, pp.27-30.5. B. Gunther and A. Kummpmann. Ultrafine oxide powders prepared by inert gas evaporation. J. Nanostructured Materials, 1992, vol. 1, pp. 27-30.
6. J.A.Estman, L.J.Tompson, D.J.Marshall. Synthesis of nanophase material by electron beam evaporation. J. Nanostructured Materials, 1993, vol.2, pp.377-382.6. J. A. Estman, L. J. Tompson, D. J. Marshall. Synthesis of nanophase material by electron beam evaporation. J. Nanostructured Materials, 1993, vol. 2, pp. 377-382.
7. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. / Процессы и установки для электронно-ионной технологии. / М.: Высш. Шк., 1088., 255 с.7. Popov V.F., Gorin Yu.N. / Processes and installations for electron-ion technology. / M .: Higher. Shk., 1088., 255 s.
8. Козлов Ю.Д., Никулин К.И., Титков Ю.С. Расчет и конструирование радиационно-химических установок с ускорителями электронов. - М.: Атомиздат, 1976. 184 с.8. Kozlov Yu.D., Nikulin K.I., Titkov Yu.S. Calculation and design of radiation-chemical plants with electron accelerators. - M .: Atomizdat, 1976.184 s.
9. Л.Н.Орликов Н.Л. Орликов. // Способы повышения эффективности вывода электронного пучка через газодинамическое окно. / ПТЭ, 2002, №6, с.60-66.9. L.N. Orlikov N.L. Orlikov. // Ways to increase the efficiency of electron beam output through a gasdynamic window. / PTE, 2002, No. 6, pp. 60-66.
10. Gushenets V.I., Oks E.M., Yushkov G.Yu, Rempe N.G. Current Status of the Plasma Emission Electronics: I. Basic Physical Processes. Laser and Particle Beams. 2003, Vol.21. No.2, pp.123-138.10. Gushenets V.I., Oks E.M., Yushkov G.Yu, Rempe N.G. Current Status of the Plasma Emission Electronics: I. Basic Physical Processes. Laser and Particle Beams. 2003, Vol.21. No.2, pp. 123-138.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006145131/02A RU2353573C2 (en) | 2006-12-18 | 2006-12-18 | Method for obtaining nanopowder and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006145131/02A RU2353573C2 (en) | 2006-12-18 | 2006-12-18 | Method for obtaining nanopowder and device for its realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006145131A RU2006145131A (en) | 2008-06-27 |
| RU2353573C2 true RU2353573C2 (en) | 2009-04-27 |
Family
ID=39679554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006145131/02A RU2353573C2 (en) | 2006-12-18 | 2006-12-18 | Method for obtaining nanopowder and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2353573C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507629C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method of producing thin-layer, thermally and/or optically stimulated luminescence effect based nuclear radiation charged particle detector based on aluminium oxide |
| RU2526552C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of obtaining nanosized metal oxides from organometallic precursors |
| RU2643288C2 (en) * | 2016-04-20 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method for obtaining non-metal nanopowder |
| RU2673801C1 (en) * | 2015-07-03 | 2018-11-30 | Хохай Юниверсити | Method for producing powdered material from cerium oxide on substrate of aluminum oxide |
| RU2779961C2 (en) * | 2020-11-23 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный университет» (ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет») | Method for formation of particles with homogenous structure in production of fine-dispersed metal powders |
-
2006
- 2006-12-18 RU RU2006145131/02A patent/RU2353573C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J.D.F.RAMSAY ET AL. Ultrafine oxide powders prepared by electron beam evaporation. J. of Material Science, 1974, vol.9, pp.1681-1695. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507629C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method of producing thin-layer, thermally and/or optically stimulated luminescence effect based nuclear radiation charged particle detector based on aluminium oxide |
| RU2526552C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of obtaining nanosized metal oxides from organometallic precursors |
| RU2673801C1 (en) * | 2015-07-03 | 2018-11-30 | Хохай Юниверсити | Method for producing powdered material from cerium oxide on substrate of aluminum oxide |
| RU2643288C2 (en) * | 2016-04-20 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method for obtaining non-metal nanopowder |
| RU2779961C2 (en) * | 2020-11-23 | 2022-09-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный университет» (ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет») | Method for formation of particles with homogenous structure in production of fine-dispersed metal powders |
| RU2798139C1 (en) * | 2022-03-16 | 2023-06-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук | Method for obtaining brass nanoparticles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006145131A (en) | 2008-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gaertner et al. | Review of ultrafine particle generation by laser ablation from solid targets in gas flows | |
| US10752994B2 (en) | Apparatus and method for depositing a coating on a substrate at atmospheric pressure | |
| Uschakov et al. | Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge | |
| KR101112692B1 (en) | Method of controlling electron beam focusing of pierce type electron gun and control device therefor | |
| Karpov et al. | Plasma-chemical reactor based on a low-pressure pulsed arc discharge for synthesis of nanopowders | |
| Karpov et al. | Method for producing nanomaterials in the plasma of a low-pressure pulsed arc discharge | |
| RU2353573C2 (en) | Method for obtaining nanopowder and device for its realisation | |
| Andersson et al. | Superfluid ultra-dense deuterium D (− 1) at room temperature | |
| Kumar et al. | Laser ablated copper plasmas in liquid and gas ambient | |
| Ayesh et al. | Mechanisms of Ti nanocluster formation by inert gas condensation | |
| Harilal et al. | Late-time particle emission from laser-produced graphite plasma | |
| Wieland et al. | EUV and fast ion emission from cryogenic liquid jet target laser-generated plasma | |
| Müller et al. | Thin film deposition by means of pulsed electron beam ablation | |
| RU2185931C1 (en) | Method and apparatus for producing superfine powders of complex composition and mixture compositions | |
| US6702934B1 (en) | Pulsed arc molecular beam deposition apparatus and methodology | |
| Zhukeshov et al. | The pulse plasma flows application in material science and nanotechnology | |
| Neal et al. | Improved signal stability from a laser vaporization source with a liquid metal target | |
| US7306015B2 (en) | Device and method for the creation of droplet targets | |
| Ghorui et al. | Characteristics of synthesized alumina nanoparticles in a high-pressure radio frequency thermal plasma reactor | |
| Pellarin et al. | High-efficiency cluster laser vaporization sources based on Ti: sapphire lasers | |
| Pandey et al. | Deposition of nanocomposite Cu–TiO 2 using heterogeneous colliding plasmas | |
| Il’ves et al. | Production of nanopowders of metal oxides by evaporation in the pulsed electron beam | |
| Klusoň et al. | Measurement of the plasma and neutral gas flow velocities in a low-pressure hollow-cathode plasma jet sputtering system | |
| Liu et al. | Influence of energy deposition on characteristics of nanopowders synthesized by electrical explosion of aluminum wire in the argon gas | |
| Il’ves et al. | Modernization of the Installation for Production of Nanopowders of Metal Oxides Using Pulsed Electron Beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181219 |