Формирование аэрозолей с помощью мощного лазерного импульса

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО  «Алтайский Государственный Университет» 

Физико-технический  факультет 

Кафедра общей физики 
 

Формирование  аэрозолей с помощью мощного  лазерного импульса

(Квалификационная  работа на соискание степени бакалавра физических наук) 

Выполнила студентка

4 курса, 543 группы

Лактионовой А.Ю. 

(подпись)

 

Научный руководитель

к.ф.-м. н., доцент

Соломатин К.В.

 

(подпись)

 
 
 
 
 

Барнаул 2008

 

      РЕФЕРАТ

 

     Данная  работа посвящена изучению вопроса формирования и роста вторичных частиц, возникающих в результате переконденсации испаренного вещества при мощном лазерном воздействии на тугоплавкие мишени.

     В ходе работы численно решены системы  уравнений газовой динамики, которые  описывают поведение парогазового облака при расширении в пустоту с учетом конденсации испаренного вещества. Рассмотрен рост зародышей новой фазы для газодинамического режима расширения в приближениях сферической симметрии и осевой симметрии. Проведена численная оценка средних размеров частиц конденсата. Показана возможность управляемого формирования вторичных аэрозолей.

     Дипломная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 48 страницах, содержит 10 рисунков и список литературы из 29 наименований.

 
 

 

      СОДЕРЖАНИЕ

 
 

 

      Введение

 

     Актуальность  исследований

     В наше время главной проблемой  стало загрязнение атмосферы  промышленными аэрозолями. Аэрозольные частицы имеют различные размеры, которые обеспечивают наиболее эффективное рассеяние света. Это влияет на теплообмен между атмосферой и земной поверхностью, что может приводить как к охлаждению земной поверхности в результате экранирования солнечного света, так и нагреву верхних слоев атмосферы. В связи с вышеизложенным возникает потребность исследований процессов образования и разрушения аэрозолей, их поведения при воздействии лазерного излучения при различных давлениях, так как в различных слоях атмосферы давление меняется от одной атмосферы на уровне моря до высокого вакуума на больших высотах. Различают низкий вакуум (λ/d<<1, где λ – длина свободного пробега молекул газа, d – размер молекул, характерный для каждого конкретного процесса), средний вакуум (λ/d ~1) и высокий (λ/d >>1). В обычных вакуумных установках и приборах низкому вакууму соответствуют значения давления более 100 Па, среднему вакууму – от 100 до 0,1 Па и высокому вакууму – менее 0,1 Па. Для среднего и высокого вакуума характерно испарение и отсутствие гетерогенного горения на поверхности частиц, так, как окружающая среда инертна, хотя и для низкого вакуума при развитом испарении горение на поверхности можно не учитывать.

     Одним из способов формирования аэрозоля, является воздействие мощного лазерного излучения на тугоплавкую мишень. Этот способ имеет большие преимущества по сравнению с другими. Это объясняется уникальными свойствами лазерного излучения. При работе в атмосфере широкое применение нашли лазерные системы наведения, связи, навигации, дальнометрии, зондирования. Мощное лазерное излучение используется для передачи энергии на значительные расстояния, дистанционного контроля элементного состава аэрозолей, для активных воздействий на метеорологические процессы и т.д. При работе мощных лазерных систем в атмосфере высокая концентрация энергии в пучке вызывает процессы, изменяющие начальные оптические характеристики среды, что, в свою очередь, ведет к искажению структуры лазерного пучка. При этом характер, масштабы и физические механизмы их формирования зависят как от параметров излучения, так и от характеристик среды. Так, наличие в атмосфере аэрозольных частиц, искажает характеристики распространяющегося в ней излучения и сопровождается рядом нелинейных оптических эффектов (например, теплоакустичекое воздействие, приводящее к дефокусировке пучка и изменению его формы).

     К настоящему моменту по вопросу поведения  твердого аэрозоля в поле лазерного  излучения разной мощности, проведено  много исследований. В то же время, в связи с возросшим интересом к свойствам объектов нанометрового масштаба, в настоящее время активно исследуются процессы, происходящие при лазерном воздействии на вещество на пространственных масштабах меньше длины волны. В работах [1,2] рассмотрен процесс лазерной абляции на тугоплавкую мишень. Абляция вещества сопровождается большим числом сопутствующих эффектов (конденсацией пара, диспергированием жидкой фазы и др.), многие из которых представляют технологический интерес (например, осаждение тонких пленок, получение нанокластеров).

       Литературный обзор

     При воздействии лазерного излучения низкой плотности мощности, если не учитывать горение, вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, т.е. над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно в данном случае темная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При интенсивностях излучения не превышающей 10⁸ Вт/м², процесс описания разлета парового облака хорошо описывается в диффузионном приближении, так как скорость разлета пара от испаряющейся частицы не превышает звуковой скорости для данных параметров окружающей среды [3].

     При распространении мощного лазерного  излучения (МЛИ) через аэрозольную среду происходит радиационный нагрев, горение, испарение, переконденсация, диссоциация, дробление, изменение формы, и размера частиц, ионизация аэрозольной компоненты, около частиц возникают зоны (ореолы) повышенной температуры с изменением оптических свойств среды. Однако при интенсивностях воздействующего излучения превышающего 10⁹ Вт/м² и при размерах частиц не менее 1 мм массовая скорость испаренного углерода приближается к звуковой. В этом случае диффузионное приближение, даже с учетом движения газовой смеси в окрестности частицы, становится неприменимым, и дальнейший анализ испарения частицы необходимо проводить в приближении газовой динамики. Пар в окрестности испаряющейся частицы является резко пересыщенным [4]. В этом случае должна протекать переконденсация испаренного вещества с образованием новой высокодисперсной фракции [5], что подтверждается и экспериментально [6]. Появление ядер или зародышей конденсата, на которых далее происходит конденсация избыточного количества пара, может происходить по двум схемам – гомогенной и гетерогенной, причем выбор конкретного механизма нуклеации определяется условиями задачи [7].

     Задача  о конденсации вещества в потоке парогазовой фазы исследуются довольно активно, однако в основном рассматриваются одномерные модели течения в соплах и трубах, ввиду своей прикладной значимости [8-9]. Также имеются работы по испарению плоских мишеней [10].

     Испарение с учетом переконденсации в диффузионном режиме рассматривалось в [11]. Также в условиях вакуума в работе [12] была построена модель испарения и переконденсации углеродной частицы для довзрывных режимов и решена численно и аналитически термодинамическим методом. Вопрос о результирующем вкладе высокодисперсной фракции в общее ослабление при распространении МЛИ через испаряющиеся аэрозоли и детальная динамика процесса до конца еще не прояснены и требуют помимо тщательного теоретического, также и практического рассмотрения.

     Как правило, задача взаимодействия МЛИ  с аэрозолем разбивается на три  этапа. Первый, связан с рассмотрением  динамики отдельной аэрозольной  частицы и ее параметров в поле МЛИ. Второй заключается в описании изменений среды, которые вызываются процессами, происходящими с одиночной частицей, и нахождении характеристик возмущаемой среды. Третий состоит в обобщении результатов первых двух на взаимодействие МЛИ с совокупностью частиц в приближении однократного рассеяния и отсутствия корреляции между отдельными различными частицами и нахождение физических параметров среды и переносимого через нее излучения [3-4].

     При малой длительности импульса процесс  воздействия излучения, приводящий к удалению материала с поверхности, получил в литературе название лазерной абляции[1, 2]. Этот процесс приводит формированию аэрозоля. При воздействии лазерного импульса высокой интенсивности, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и небольшая часть поверхности образца переводится в состояние светящейся плазмы. Анализ литературы по лазерной абляции позволяет выделить три отличительные(ограничительные)черты этого процесса: 1)абляция непосредственно связана с поглощением лазерной энергии в материале; 2)абляция может, в принципе, протекать в вакууме или инертной среде; 3) результатом лазерной абляции является формирование парогазового облака продуктов абляции. Исследования на масс-спектрографе выявили определенные устойчивые конфигурации молекул, и связанные с этим наиболее энергетически выгодные их числа в микрочастице (кластере). Возможности применения лазерного напыления существенным образом зависят от режима лазерного воздействия. Использование импульсного режима с ультракороткими импульсами продолжительностью порядка наносекунд, при котором большая часть времени распространения плазмы и процесс ее осаждения происходят на инерционной стадии разлета [5, 10], т.е. после окончания импульса, не всегда является удобным. Поэтому определенный интерес могут представлять режимы лазерного воздействия с большой длительностью импульса (микросекунды и более) при острой фокусировке лазерного излучения на мишень. Отметим, что процессы лазерной абляции при воздействии на мишень лазерного излучения с большой плотностью энергии достаточно подробно исследовались как в теоретических, так и в экспериментальных работах [1-2]. При этом при достаточно большой интенсивности лазерного излучения в продуктах абляции возникала ударная волна, распространяющаяся навстречу излучению, а форма плазменного облака напоминала сильно вытянутый эллипсоид с областью поглощения, находящейся в его вершине [1-3].

     В последние годы широкое применение получил метод напыления тонких пленок, основанный на импульсном лазерном испарении. Этим методом получают и обрабатывают пленки ВТСП-материалов, многослойные металлические зеркала для рентгеновского излучения, алмазоподобные углеродные и другие пленки. Лазерная абляция используется в аналитической геохимии для локального анализа вещества. Метод применяется для определения концентраций редких элементов и изотопов. Лазерная абляция также применяется для тонкой технической обработки поверхностей.