Свч-установка для получения нанокристаллов оксидов металлов

СВЧ-установка для получения нанокристаллов оксидов металлов
М.С. ДМИТРИЕВ, А.Д. КОЛЯСКИН, В.Ф. ПЕТРУНИН, В.В. ПОПОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
В НИЯУ МИФИ создана экспериментальная СВЧ-установка теплового воздействия на несовершенные диэлектрики и полупроводниковые материалы для получения нанокристаллов оксидов металлов. Установка включает следующие элементы: СВЧ-генератор ГМ-5-1 на базе магнетрона М-168 с непрерывной выходной мощностью до 5 кВт и рабочей частотой 2432 МГц, ферритовый вентиль WFHI 2-24/1 и рабочую камеру в виде цилиндрического резонатора.
В работах [1–3] приводятся сведения о положительной роли нанопорошков и нанокристаллов в технологии получения керамик с улучшенными характеристиками.
Главные преимущества использования микроволновой энергии в термически активируемых
процессах основаны на особенностях поглощения микроволновой энергии. В отличие от всех других методов микроволновый нагрев материалов является объемным. Микроволновая энергия преобразуется в тепло внутри вещества, что, как правило, приводит к значительной экономии энергии
и сокращению времени нагрева. Микроволновый нагрев основан на способности материала к
непосредственному поглощению электромагнитной энергии. Поглощение СВЧ-энергии характеризуется величиной тангенса угла диэлектрических потерь, tg   / , где числитель и знаменатель представляют собой мнимую и действительную части комплексной диэлектрической проницаемости нагреваемого вещества. Мнимая часть диэлектрической проницаемости пропорциональна эффективной (учитывающей как токи проводимости, так и токи смещения) электрической проводимости материала. В микроволновом диапазоне частот поглощательные свойства неметаллических материалов весьма разнообразны. Фактор потерь tg  при комнатной температуре может составлять от 10–4–10–3 (например, в чистых оксиде алюминия и нитриде кремния и др.) до 1 и более
(в карбидах, боридах, некоторых оксидах и интерметаллических соединениях). Соответственно
глубина проникновения излучения составляет от метров до долей миллиметра. Проблемы, встречающиеся при микроволновом нагреве материалов с малыми и большими потерями, весьма различаются, как и методы их решения. При повышенных температурах микроволновое поглощение в
большинстве материалов резко возрастает, главным образом за счет включения иного механизма
поглощения. Это характерно для твердых веществ как с ионным, так и ковалентным типом связи.
Резкий рост микроволнового поглощения с температурой может вызвать тепловую неустойчивость, известную как «убегание» температуры (temperature runaway). Она характерна не только для
высокотемпературных процессов.
В 2009 г. завершился этап создания специализированной СВЧ-установки теплового воздействия на полупроводники и несовершенные диэлектрики. Общий вид установки показан на рис. 1.
Установка собрана в линию и включает следующие элементы. СВЧ -генератор ГМ-5-1 на
базе магнетрона М-168, состоящий из двух блоков: первый формирует постоянное анодное
напряжение для магнетрона величиной около 6 кВ, второй является генерирующим с непрерывной выходной мощностью до 5 кВт. Измеренная частота магнетрона составила 2432 МГц. Система управления генератором смонтирована в первом блоке. На выходе генератора установлен
ферритовый вентиль WFHI 2-24/1, который защищает магнетрон от действия обратной волны.
В качестве рабочей камеры использовался высокодобротный цилиндрический СВЧрезонатор диаметром 225 и длиной 331 мм. Резонатор выполнен из меди, внутренние стенки полированы. В нижнем фланце резонатора имеется окно связи прямоугольной формы. С внешней стороны фланца в месте расположения окна связи установлен подводящий прямоугольный волновод
сечением 90×45 мм2.
В центре верхнего фланца имеется отверстие диаметром 54 мм для ввода тигля с рабочим
веществом. На верхнем фланце также смонтировано специально разработанное устройство подстройки частоты резонатора. Подстройка частоты в диапазоне около 5 МГц осуществляется путем
введения в резонатор с использованием электропривода двух керамических стержней длиной 120
и диаметром 12 мм. Относительная диэлектрическая проницаемость керамики ε = 9,5, тангенс угла
диэлектрических потерь мал и составляет  10–4, стержни под действием вводимой в резонатор
СВЧ-мощности не нагреваются.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
1
СВЧ-установка для получения нанокристаллов оксидов металлов
Рис. 1. Вид экспериментальной СВЧ-установки теплового воздействия
на полупроводники и несовершенные диэлектрики
Выход СВЧ-мощности в окружающее пространство через отверстия для ввода тигля и
стержней поддерживался на безопасном уровне за счет использования спроектированных и установленных запредельных волноводов. Контроль за СВЧ-излучением проводится с помощью
П3-19.
Выполнен комплекс расчетов видов колебаний и типов волн, возбуждаемых в резонаторе.
Для некоторых мод при расчете распределения электромагнитных полей учитывалось влияние
введенных настроечных стержней и керамического тигля. В результате анализа результатов численного моделирования в качестве рабочего выбран E022 – вид колебаний. Подстроечные стержни
вводились в периферийный максимум электрического поля.
После завершения отладки установки была выполнена серия экспериментов по получению
нанокристаллов со следующими материалами: диоксид циркония (ZrO2 + 3 %Y2O3), цирконат диспрозия (33 %Dy2O3 + 67 % ZrO2), гафнат диспрозия (33 %Dy2O3 + 67 % HfO2). Прекурсорами являлись гидроксиды исходных веществ. За один раз в рабочую камеру вводилось приблизительно по
100 мл вещества.
На начальной стадии вещество содержит большое количество воды, которая характеризуется высокими значениями тангенса угла диэлектрических потерь tgδ ≥ 0,15, что приводит к эффективному обезвоживанию вещества. По мере обезвоживания и образования оксидов в аморфной
форме происходит существенное уменьшение величины tgδ рабочего вещества.
Для преодоления интервала температур, характеризующегося низким поглощением СВЧмощности обрабатываемым материалом, т.е. для нагрева вещества от температуры испарения воды до температуры тепловой неустойчивости, была разработана новая оригинальная конструкция
двойного тигля, который на настоящем этапе работ был выполнен из кварца (рис. 2).
Тигель состоит из 2 частей. Первая часть представляет собой стакан с диаметром цилиндрической образующей 54 мм и длиной 300 мм. Вторая часть имеет аналогичную форму и фиксируется внутри внешнего цилиндра. Размеры внутреннего цилиндра: диаметр 30 мм, длина 440 мм.
Внутренний цилиндр предназначен для обрабатываемого материала. Во внешнем объеме между
стенками размещается промежуточная среда – несовершенный диэлектрик, хорошо поглощающий
СВЧ-энергию в широком диапазоне температур (например, от 100 до 300–500 °С). В нашем случае
в качестве такого вещества использовался речной песок.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
2
СВЧ-установка для получения нанокристаллов оксидов металлов
Рис. 2. Двойной кварцевый тигель, зафиксированный в запредельном волноводе
В ходе проведения экспериментов с использованием кварцевого тигля для всех исследуемых
веществ были получены нанокристаллы с размерами не более 24 нм. При температурах выше 400–
500 °С (в зависимости от состава прекурсора) наблюдается существенное увеличение поглощения
СВЧ-мощности по причине резкого роста тангенса угла диэлектрических потерь. При максимальных температурах (согласно показаниям пирометра «Кельвин» 600 и 650 °С ) процессы протекали
на грани развития СВЧ-разряда на термоэмиссионных электронах. Причем следует отметить, что
эти температуры достигались при (0,3–0,5) кВт СВЧ-мощности от генератора, что значительно
меньших уровня СВЧ-мощности, задействованной до достижения температуры тепловой неустойчивости.
Регулировка СВЧ-мощности в процессе экспериментов осуществлялась вручную. Для
устойчивого и безопасного получения нанокристаллов эта процедура должна осуществляться автоматически.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Рагуля А.В. // Вторая Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2007», 13–16
марта 2007 г., Новосибирск: Тез. докл. Новосибирск, 2007. С. 42.
2.
Зырянов В.В. // Вторая Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2007», 13–
16 марта 2007 г., Новосибирск: Тез. докл. Новосибирск, 2007. С. 332.
3.
Иванов В.В., Хрустов В.Р., Кайгородов А.С. и др. // Вторая Всероссийская конференция по
наноматериалам «НАНО 2007», 13–16 марта 2007 г., Новосибирск: Тез. докл. Новосибирск, 2007. С. 333.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том II
3