Способ лазерной фрагментации микро- и наночастиц в протоке и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области фрагментации микро- и наночастиц в потоке жидкости. Способ включает лазерное облучение дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц. Дисперсионный раствор прокачивают с помощью циркуляционного насоса со скоростью 1-10 см/с через сопло диаметром от 100 до 300 мкм, при этом лазерное облучение струи дисперсионного раствора проводят на выходе из сопла. Устройство для фрагментации микрочастиц и наночастиц содержит источник лазерного излучения, резервный объем для дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, сопло с диаметром от 100 до 300 мкм и циркуляционный насос, выполненный с возможностью забора дисперсионного раствора из резервного объема и прокачки его со скоростью 1-10 см/с через соединенное с циркуляционным насосом сопло. Источник лазерного излучения выполнен с оптической системой доставки лазерного излучения и фокусирующей линзой, выполненной с возможностью фокусировки пучка лазерного излучения на струю дисперсионного раствора на выходе из сопла. Обеспечивается повышение эффективности фрагментации частиц. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к области фрагментации микро- и наночастиц.

Известен способ фрагментации наночастиц золота, включающий лазерное экспонирование дисперсного раствора наночастиц золота в воде (см. Н.А. Кириченко, И.А. Сухов, Г.А. Шафеев, М.Е. Щербина, "Эволюция функции распределения наночастиц Au в жидкости под действием лазерного излучения", Квантовая электроника, 2012, 42 (2), 175-180 [1]).

Известно устройство для фрагментации наночастиц золота, включающее в себя кювету, заполненную дисперсным раствором наночастиц золота, лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение в объеме дисперсного раствора [1]. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер на парах меди.

Недостатком известного способа и устройства является низкая производительность и невысокая эффективность процесса, которые обусловлены малой вероятностью попадания наночастицы в перетяжку лазерного излучения и падением его мощности как за счет потерь на вводе излучения в кювету, так и за счет дефокусировки лазерного излучения в толще жидкости.

Технический результат предлагаемого способа и устройства заключается в увеличении эффективности фрагментации микро- и наночастиц и в снижении энергозатрат на этот процесс.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе фрагментации микрочастиц и наночастиц, включающем лазерное облучение дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, дисперсионный раствор прокачивают с помощью циркуляционного насоса со скоростью 1-10 см/с через тонкое сопло диаметром от 100 до 300 мкм, при этом лазерное облучение струи дисперсионного раствора проводят на выходе из сопла.

Причем в дисперсионном растворе в качестве жидкости используют воду, спирты или органические нитраты.

При этом в способе используют дисперсионный раствор с микрочастицами и наночастицами металлов, например золота, меди, латуни, бронзы, железа, титана, алюминия; полупроводников, например кремния; или диэлектриков, например стекла.

Кроме того, устройство для фрагментации микрочастиц и наночастиц, содержащее источник лазерного излучения, содержит резервный объем для дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, тонкое сопло с диаметром от 100 до 300 мкм и циркуляционный насос, выполненный с возможностью забора дисперсионного раствора из резервного объема и прокачки его со скоростью 1-10 см/с через соединенное с циркуляционным насосом сопло, при этом источник лазерного излучения выполнен с оптической системой доставки лазерного излучения и фокусирующей линзой, выполненной с возможностью фокусировки пучка лазерного излучения на струю дисперсионного раствора на выходе из сопла.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: 1 - циркуляционный насос; 2 - подающий шланг; 3 - крепеж для сопла; 4 - сопло; 5 - струя дисперсионного раствора; 6 - фокусирующая линза; 7 - патрубок для подачи дисперсионного раствора в циркуляционный насос; 8 - резервный объем; 9 - пучок лазерного излучения; 10 - источник лазерного излучения.

Предлагаемое устройство для фрагментации микро- и наночастиц в жидкости содержит циркуляционный насос 1, забирающий дисперсионный раствор из резервного объема 8 при помощи патрубка 7 и прокачивающий его через подающий шланг 2 в тонкое сопло 4, которое фиксируется при помощи крепежа 3 к подающему шлангу 2, и расположенный вне пределов устройства источник лазерного излучения 10 с оптической системой доставки лазерного излучения 9, фокусирующей линзой 6.

Предлагаемый способ фрагментации микро- и наночастиц осуществляется следующим образом. В резервный объем 8 заливается дисперсионный раствор микро- и/или наночастиц. Включается циркуляционный насос 1, с помощью которого дисперсионный раствор забирают из резервного объема 8 и прокачивают его со скоростью 1-10 см/с через сопло 4, соединенное с циркуляционным насосом 1. Лазерное излучение 9 из источника 10 фокусируется при помощи фокусирующей линзы 6 на струе дисперсионного раствора 5, выходящего из сопла 4.

Ниже приведены конкретные примеры использования предлагаемого способа.

Пример 1. В качестве дисперсионного раствора использована взвесь микрочастиц стекла в воде средним размером 1 мкм. Скорость потока составляла 1 см в секунду. В качестве излучения использовалась третья гармоника лазера на неодимовом стекле. Длина волны 355 нм, длительность импульса 10 пс и средняя мощность 4 ватта. Частота повторения импульсов 50 кГц. Скорость фрагментации микрочастиц составляла 50-100 мг в час.

Пример 2. В качестве дисперсионного раствора использована взвесь микрочастиц алюминия в этаноле диаметром 10 мкм. Скорость потока составляла 2 см в секунду. В качестве излучения использовалась первая гармоника лазера на неодимовом стекле. Длина волны 1064 нм, длительность импульса 10 пс и средняя мощность 15 ватт. Частота повторения импульсов составляла 200 кГц. Скорость фрагментации микрочастиц составляла 100-200 мг в час.

Если же лазерному облучению подвергалась массивная алюминиевая мишень при тех же параметрах используемого лазера, то скорость генерации наночастиц была существенно ниже, на уровне 50 мг/час. Эти параметры подтверждают энергетический выигрыш, реализующийся в случае лазерной фрагментации микрочастиц вместо массивной мишени.

Пример 3. Лазерная фрагментация наночастиц золота в воде. Приводимые ниже распределения масс наночастиц по размерам подтверждают факт фрагментации наночастиц в более мелкие наночастицы по мере увеличения времени лазерного облучения дисперсного раствора.

Согласно полученным данным при воздействии лазерного излучения на дисперсный раствор максимум распределения по размерам смещается с исходных 30 нм до 7 нм. Стоит отметить, что значение меньшего максимума достигается уже через 5 минут облучения. В дальнейшем происходит только уменьшение амплитуды исходного максимума.

Сопоставление Примеров 2 и 3 позволяет сделать вывод, что лазерная фрагментация смеси микро- и наночастиц действительно возможна. При фрагментации микрочастиц появляются наночастицы, которые, в свою очередь, фрагментируются до более мелких со временем лазерного облучения.

Предлагаемый способ фрагментации микро- и наночастиц и устройство для его осуществления обеспечивают возможность эффективно и с высокой производительностью фрагментировать микро- и наночастицы за счет того, что зона воздействия лазерного излучения совпадает с размером струи, тем самым обеспечивая фрагментацию всех частиц, находящихся в растворе. Предлагаемый способ может быть использован для фрагментации микро- и наночастиц различных материалов: металлы (например, золото, медь, латунь, бронза, железо, титан, алюминий), полупроводники (например, кремний, бор) или диэлектрики (например, стекло).

1. Способ фрагментации микрочастиц и наночастиц, включающий лазерное облучение дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, отличающийся тем, что дисперсионный раствор прокачивают с помощью циркуляционного насоса со скоростью 1-10 см/с через сопло диаметром от 100 до 300 мкм, при этом лазерное облучение струи дисперсионного раствора проводят на выходе из сопла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в дисперсионном растворе в качестве жидкости используют воду, спирты или органические нитраты.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют дисперсионный раствор с микрочастицами и наночастицами металлов, например золота, или полупроводников, например кремния, или диэлектриков, например стекла.

4. Устройство для фрагментации микрочастиц и наночастиц, содержащее источник лазерного излучения, отличающееся тем, что оно содержит резервный объем для дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, сопло с диаметром от 100 до 300 мкм и циркуляционный насос, выполненный с возможностью забора дисперсионного раствора из резервного объема и прокачки его со скоростью 1-10 см/с через соединенное с циркуляционным насосом сопло, при этом источник лазерного излучения выполнен с оптической системой доставки лазерного излучения и фокусирующей линзой, выполненной с возможностью фокусировки пучка лазерного излучения на струю дисперсионного раствора на выходе из сопла.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению композиционных порошков для защитных износостойких покрытий. Готовят смесь неметаллической керамической компоненты и металлического порошка при массовом соотношении 1:(1-4).

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошков агломератов вентильных металлов и субоксидов вентильных металлов для изготовления конденсаторов с твердым электролитом.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в медицине, фармацевтике, косметологии. Наночастицы платиновых металлов получают в прозрачной жидкости на водной основе 7 при разрушении мишени 6 из платинового металла или сплава кавитацией, возникающей путем доставки лазерного излучения 2, представленного в виде импульсов сфокусированного излучения лазера на парах меди 1 с величиной энергии импульса 1-5 мДж и длительностью импульса 20 нс, с частотой следования импульсов 10-15 кГц и плотностью мощности 5,7 ГВт/см2, через прозрачное дно кюветы 5 к мишени 6, помещенной в кювету 5 с прозрачной жидкостью на водной основе 7.

Изобретение относится к металлургии. Кальциевую стружку с толщиной не более среднего размера частиц основной фракции получаемых гранул кальция измельчают последовательно в двух дробилках с вращающимся ротором и удаляют продукты дробления из зоны дробления через отверстия охватывающего ротор сита.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению нанокристаллических магнитомягких порошковых материалов. Может использоваться для создания эффективных систем электромагнитной защиты на основе радиопоглощающих материалов.

Изобретение относится к получению суспензии металлических порошков и может быть использовано для дезагрегации в жидкой среде наноразмерных порошков металлов и их соединений.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористого порошка никелида титана. Может использоваться в медицине для изготовления стоматологических имплантов.

Изобретение относится к способу получения неорганических полупроводниковых наночастиц из сыпучего материала. Способ заключается в том, что подготавливают неорганический сыпучий полупроводниковый материал 14, который перемалывают при температуре от 100°С до 200°С в присутствии выбранного восстанавливающего агента.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к измельчению частиц различных веществ. Устройство содержит корпус с приемной камерой, снабженной периферийным патрубком подвода измельчаемых частиц и соосно соединенными сверхзвуковым соплом и патрубком подачи рабочего газа, камеру смешения, диффузор, сепарирующий элемент, расположенное соосно в сопле непосредственно за критическим сечением сверхзвукового сопла регулировочное тело, выполненное в виде конуса или иглы, при этом внутренняя поверхность сопла имеет шероховатости, высота которых составляет 0,1-0,6 от диаметра узкой части сопла.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алюминиевой гранулированной пудры. .

Группа изобретений предназначена для селективной дезинтеграции твердых материалов при подготовке минерального сырья к переработке. Материал в виде пульпы обрабатывают бегущим высоковольтным электрическим разрядом в режиме пробоя.

Группа изобретений предназначена для дробления и/или снижения прочности горной породы или руды высоковольтными разрядами. Рабочее пространство (2) между двумя расположенными друг напротив друга с зазором электродами (3, 4) заполняют материалом (1) и технологической жидкостью (5).

Способ предназначен для дробления и измельчения электрическими импульсными разрядами горных пород, в том числе содержащих ограночное сырье. Горную породу размещают в жидкости.

Изобретение предназначено для химической промышленности, агропромышленного комплекса, производства строительных материалов и др. Шаровая мельница содержит устройства загрузки (1) и выгрузки (2) и вертикальный неподвижный корпус (3).

Изобретение относится к средствам для измельчения минеральных материалов. Индуктор состоит из корпуса, цилиндра, расположенного внутри корпуса и набранного из изолированных друг от друга изоляционным материалом лаком пластин электротехнической стали.

Изобретение может быть использовано в производстве консервационных смазок. Для получения антикоррозионного пигмента проводят термообработку при 900°С в течение 1 часа смеси суспензий шламов электрохимической очистки сточных вод гальванического производства и содержащего гидроксид кальция отхода ванн нейтрализации машиностроительных производств.

Изобретение относится к способу и устройству для вскрытия руды. Для создания трещин или расколов руды на расстоянии от нее размещено устройство для вскрытия руды.

Изобретение относится к технологиям приготовления эмульсий и суспензий на основе многокомпонентных смесей разнородных по своей природе веществ, в частности минерального и растительного происхождения, для использования в качестве топлив смесевого типа, а также в других областях, где требуются гомогенные композиции различных материалов текучей консистенции.

Изобретение относится к технике измельчения материалов. Способ, реализуемый в соответствующем устройстве, содержит этапы, на которых: загружают упомянутый материал в смеси с водой в диспергационную камеру; герметизируют упомянутую диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-30 атм.; обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см2, обеспечивающими звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза.

Изобретение предназначено для переработки фруктов, овощей и других продуктов в порошки в пищевой, консервной и других отраслях промышленности. Для производства порошка из овощей мелкодисперсно измельчают продукт.

Изобретение предназначено для авиационной, космической и ракетной техники и может быть использовано при изготовлении объемных термостойких широкодиапазонных радиопоглощающих материалов (РПМ) для защиты от электромагнитного излучения. Водно-спиртовую дисперсию графита, содержащую гидроокись аммония, 5-10 мас.% дисперсионной среды и более 5 мас.% этилового или изопропилового спирта, подвергают мокрому размолу и стабилизируют. Частицы графита расщепляют по слоям и активируют ультразвуком в режиме кавитации при протекании постоянного тока напряжением 0,4-0,6 В в присутствии перекиси водорода и йода. Изобретение позволяет улучшить адгезию пластинчатого графита к ультратонким стеклянным волокнам и исключить вредные испарения. 4 ил., 2 табл., 10 пр.

Группа изобретений относится к области фрагментации микро- и наночастиц в потоке жидкости. Способ включает лазерное облучение дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц. Дисперсионный раствор прокачивают с помощью циркуляционного насоса со скоростью 1-10 смс через сопло диаметром от 100 до 300 мкм, при этом лазерное облучение струи дисперсионного раствора проводят на выходе из сопла. Устройство для фрагментации микрочастиц и наночастиц содержит источник лазерного излучения, резервный объем для дисперсионного раствора микрочастиц и наночастиц, сопло с диаметром от 100 до 300 мкм и циркуляционный насос, выполненный с возможностью забора дисперсионного раствора из резервного объема и прокачки его со скоростью 1-10 смс через соединенное с циркуляционным насосом сопло. Источник лазерного излучения выполнен с оптической системой доставки лазерного излучения и фокусирующей линзой, выполненной с возможностью фокусировки пучка лазерного излучения на струю дисперсионного раствора на выходе из сопла. Обеспечивается повышение эффективности фрагментации частиц. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

Наверх