ЕВОЛЮЦІЯ ЛАЗЕРНОЇ ЕРОЗІЙНОЇ ПЛАЗМИ СУРМИ - тема наукової статті з фізики з журналу - Теплофізика
Ціна:
Автори роботи:
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «ЕВОЛЮЦІЯ ЛАЗЕРНОЇ ЕРОЗІЙНОЇ ПЛАЗМИ СУРМИ»
ТЕПЛОФІЗИКА ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 3, с. 353-359
ЕВОЛЮЦІЯ ЛАЗЕРНОЇ ЕРОЗІЙНОЇ ПЛАЗМИ СУРМИ
Досліджено тимчасову залежність заселеності збуджених станів частинок при впливі на мета з чистої сурми імпульсного лазерного випромінювання (м = (3-5) х 108 Вт/см2; = 1.06 мкм; т = 20 нс; / = 12 Гц). Проаналізовано шляхи підвищення точності вимірювань параметрів лазерної плазми методом емісійної спектроскопії. Досліджено еволюцію механізмів утворення збуджених атомів та іонів сурми в плазмі лазерного факела при помірній потужності впливу інфрачервоного лазерного випромінювання на ціль у вакуумі.
Бурхливий розвиток лазерних технологій в останні роки пов'язаний з якісною обробкою матеріалів для мікроелектроніки, напиленням тонких плівок, модифікацією структури поверхні, а також розширенням можливостей аналізу параметрів твердого тіла, розробкою короткохвильових рекомбінаційних лазерів, генерацією пучків частинок із заданими параметрами [1]. Тому актуальним є вивчення процесів у плазмі ерозійного лазерного факелу безконтактними діагностичними методами.
У цій роботі проведено аналіз механізму руйнування мішені та еволюції утворення частинок ерозійного смолоскипу у збуджених станах методом нестаціонарної емісійної спектроскопії. Зроблено кількісний аналіз точності часових вимірів параметрів лазерної плазми та підвищення їх інформативності.
Опис методики експерименту. Лазерна плазма формувалася при дії на масивний зразок із чистої сурми імпульсним випромінюваннямнеодимового лазера, що працює у режимі модульованої добротності. Довжина хвилі генерації лазера становила = 1.06 мкм, тривалість імпульсу генерації – 20 нс, частота проходження імпульсів – 12 Гц. Лазерний промінь за допомогою поворотної призми та лінзи з фокусною відстанню Р = 50 см фокусувався на мішень у пляму діаметром 0.3-0.5 мм, що дозволяло отримати питому потужність на поверхні мішені м> = (3-5) х 108 Вт/см2. Плазма розліталася в атмосферу із залишковим тиском повітря 3-7 Ра.
Реєстрація імпульсного випромінювання здійснювалася на відстані г = 7 мм від поверхні зразка, де плазма була досить розтягнута у просторі та інтенсивно випромінювала. Для регіст-
рації застосовувався швидкодіючий фотопомножувач "Фотон" та осцилограф С1-99, тимчасовий дозвіл становив 20 нс. Поверхня мішені розташовувалась під кутом 60° променя лазера, а відбір випромінювання здійснювався перпендикулярно до нього. Розшифрування спектрів проводилося за даними роботи [2]. Необхідні дані для обчислень було взято з [3, 4].
Більш детально техніка експерименту описана в [5]. Використовуючи виміряні оптичні характеристики та параметри плазми [6, 7], а також їх тимчасові залежності, можна розширити сферу застосування методики та підвищити її точність.
кТе А( 11/12 ) Е1 - Е2 11/12
1п Г ¡хМ^ V12 ^2 А
Тут АТе/Те – відносна похибка визначення температури; /1//2, А(/1//2) - відношення
інтенсивностей та абсолютна похибка його визначення; А1/А1, А(А2/Л1) - відношення ймовірностей спектральних переходів та його абсолютна похибка; Е1 2 – енергії верхніх рівнів переходів; g1 2 - їх статистичні ваги; 2 -довжини хвиль спектральних ліній.
Формула (2) для похибки електронної температури, визначеної (1),виведена у [8]. Ця похибка зменшується зі збільшенням проміжку між верхніми енергетичними рівнями спектральних переходів, а за заданому Е1-Е2 змінюється пропорційно похибки визначення відношення інтенсивностей. У разі зростання інтенсивності похибка її визначення зменшується. Тому при визначенні тимчасової залежності Ті (1) мінімальна похибка повинна виходити при максимальних значеннях інтенсивності і оптимально обраної величини Е1-Е2. На практиці спостерігається інша картина: становище максимумів досить стабільне, а абсолютне значення температури для різних вимірів виходить за межі відповідних довірчих інтервалів. Вочевидь, що абсолютне значення температури у кожному даному випадку прив'язане до точності обчислення ймовірності спектрального переходу і, як свідчить усереднений розподіл Больцмана [7], похибка на тимчасової розгортці Ті значно більше.
Як видно з виразу (4), абсолютна температура та її відносна похибка залежить від значень заселеностей енергетичних рівнів. Заселеність даного енергетичного рівня визначається балансом його освіти та розпаду, що слід враховувати при виборі спек-
тральних ліній визначення електронної температури. Інтенсивність спектральної лінії дуже чутлива до параметрів плазми, тому при зміні цих параметрів може вноситися спотворення значення електронної температури внаслідок неоднорідності плазми, що випромінює дві спектральні лінії. Для забезпечення однорідності необхідно зменшувати енергетичний проміжок між верхніми енергетичними рівнями спектральних переходів, які вибираються для визначення електронної температури. Очевидно, дотримання цієї умови призведе до збільшення похибкизгідно (2), але не вплине на похибку, яка визначається за формулою (3), де основним є виконання умови (4). При незначній величині енергетичного проміжку виникає питання, які енергетичні рівні доцільно обирати – ближче до межі іонізації чи основного стану.
Шляхи підвищення точності вимірів. Подальше підвищення точності накладає вимоги до проведення експерименту за певних умов, які слід враховувати під час аналізу результатів. Цікаві процеси саме в лазерній плазмі, яка використовується при напиленні тонких плівок. Для мішені з сурми [7] така плазма характеризується високим середнім значенням електронної концентрації та середньою температурою 0.6 еВ. При цьому значну частину речовини у паровій фазі складають молекули, а основними каналами утворення збуджених станів атомів є тричастинна та дисоціативна рекомбінації. Тривалість та тимчасовий перебіг випромінювання в основному визначаються випаром речовини та меншою мірою - процесами в плазмі.
Через те, що процеси в плазмі починають переважати на значних відстанях від мішені, максимуми температури електронів добре відтворюються за будь-якого енергетичного проміжку, а значення температури відрізняються для різних максимумів. Фізичний зміст умови (4) полягає у слабкому впливі каналу освіти рівня на його заселеність, а визначальним фактором є залежність від температури. Якщо умова (4) не виконується, то заселеність даних енергетичних рівнів визначається, насамперед, каналом заселення, оскільки динаміка випромінювання пов'язані з чергуванням різних процесів, це і зумовлює різну величину максимумів температури. Тому, виходячи з формули (3), температура в максимумітрактується в основному як енергія збудження та зв'язується з конкретною інтенсивністю спектральної лінії та відповідною заселеністю верхнього збудженого стану переходу.
ЕВОЛЮЦІЯ ЛАЗЕРНОЇ ЕРОЗІЙНОЇ ПЛАЗМИ СУРМИ
Введення цієї величини дає можливість контролювати температуру, енергію та ефективність утворення атомів у певних енергетичних станах.
З урахуванням наведених міркувань і того, що в досліджуваній плазмі [7] заселення верхніх енергетичних станів здійснюється переважно за рахунок рекомбінації атомарних іонів, заселення нижніх енергетичних станів - внаслідок дисоціативної рекомбінації молекулярних іонів, а дифузія електронів за енергетичними станами вниз відбувається внаслідок з високою точністю простежити зміну температури електронів та визначити канал заселення даного рівня у певні проміжки часу. За відомою температурою та відношенням інтенсивностей спектральних ліній атома та іона, застосовуючи рівняння Саха, можна знайти тимчасову залежність концентрації електронів [8]
I! А 2 8 2 X! (2 п шкГе) = 2т-:------ехр
де індекс 2 відноситься до іона, 1 - до атома, т -маса спокою електрона, до - постійні Больц-мана і Планка. Зниження потенціалу іонізації нехтується.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
На основі динаміки випромінювання спектральних ліній збудовано рис. 1. На малюнку добре видно кілька максимумів та значні зміни величини N¡8, що свідчить про різноманітність ме
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150рублів.
Подібні наукові роботи на тему «Фізика»
ПОКРОВСЬКИЙ С.Г. - 2006 р.
БАРОНОВА Є. О., ГАРАНІН Р. В., ЖИДКОВ Н. В., СТЕПАНЕНКО М. М., СУСЛОВ Н. А. - 2004 р.
ДАЩЕНКО О.І., ЧУЧМАН М.П., ШУАІБОВ О.К. - 2004 р.