Формирование аэрозолей с помощью мощного лазерного импульса

     В развитии оптического пробоя большую  роль играют кластеры. В связи с  этим возникает вопрос о том, начиная  с какого размера кластер уже  можно считать макроскопической частицей.  Изучались частицы, образующиеся при лазерном пиролизе углерода. Отмечено образование сферических частиц с характерными размерами десятки нанометров, которые обнаруживаются в виде макроскопических полимерных структур, размеры конденсата практически не зависят от энергии лазерного излучения, распределение по размерам подчиняется логнормальному закону.

     Кластеры  металлов хорошо изучены как экспериментально, так и теоретически. Для таких кластеров применима модель жидкой капли, в которой кластер считается подобным жидкой сферической капле с плотностью макроскопической системы. Показано, что при воздействии излучения СО₂–лазера на металлические мишени возможно образование агрегатов двух видов: состоящих из сферических частиц размером 15–25нм в зависимости от вида металла и агрегатов пластинчатого вида, составленных из частиц с d<300нм. Причем, при плотностях энергии, меньших пороговых плотностей образования оптического пробоя осадок состоял из агрегатов сферических частиц, но как только достигался порог образования пробоя, появлялись агрегаты пластинчатого вида с d<300нм. Это указывает на то, что переиспарение мелких частиц плазмой пробоя приводит к образованию пластинчатых агрегатов. В результате изучения воздействия мощного лазерного излучения на проводящие фрактальные кластеры можно выделить три эффекта, которые наблюдаются при последовательном увеличении энергии лазерного излучения: свечение на частоте ГВГ (гигантская вторая гармоника, I = 0,3 МВт/см²), развал агрегатов на фрагменты (I = 0,9 МВт/см²), оплавление фрагментов агрегатов в сферические частицы с r = 0,1 мкм (I = 2,25 МВт/см²).

     Интенсивное испарение твердой аэрозольной  частицы под действием МЛИ  может сопровождаться образованием конденсационного аэрозоля. В допробойном интервале интенсивностей излучения явление переконденсации может оказаться решающим при анализе распространения МЛИ в аэрозольной среде. В работе [10] рассматривалась сферическая углеродная частица радиуса а, помещенная в поле МЛИ и нагретая до температуры Т в условиях вакуума. Среда на большом расстоянии от частицы остается холодной, что приводит к большой неоднородности поля температур. Температура поверхности определяется плотностью потока энергии излучения, оптическими свойствами испаряющейся частицы и энергетическими потерями на испарение и переизлучение. Разработана газодинамическая модель испарения одиночной углеродной частицы в поле МЛИ в условиях вакуума с учетом переконденсации. Для решения газодинамических уравнений введена степень конденсации пара в виде: , где и – число молекул в единице объема, находящихся в конденсированной и газообразной фазах, соответственно. Степень конденсации испаренного вещества слабо зависит от температуры поверхности частицы или плотности потока энергии падающего излучения и меняется в интервале исследуемых значений плотности потока энергии в 1,2 раза, а скорость испарения для I = (1–6)ּ10⁹Вт/м² – в 7,5 раза. Скорость разлета испаренного углерода растет от значения скорости звука в газе до сверхзвуковых скоростей, так что при таких значениях мелкие частицы не успевают вырасти, и далее разлетаются на бесконечность вместе с углеродным паром. При этом степень конденсации пара становится порядка 0,3, т.е. меньшая часть массы испаренного вещества превращается в частицы, а большая разлетается в виде газа. Зависимость скорости испарения частицы от степени конденсации испарения вещества и от плотности потока энергии падающего излучения являются практически линейными функциями плотности потока энергии. Плотность потока энергии от частицы складывается из энергопотерь за счет лучистого теплообмена и испарения с учетом переконденсации вещества. Температура двухфазной системы в окрестности частицы достаточно медленно убывает до расстояний r ~ 20а, а затем резко стремится к температуре среды на бесконечности. Давление испаренного углерода у поверхности частицы вначале превышает атмосферное, но с увеличением расстояния от частицы быстро уменьшается и становится существенно ниже атмосферного. Радиус вторичной частицы уменьшается со скоростью порядка , где а_b – радиус вторичной частицы, ^* – средняя тепловая скорость молекул пара, – плотность вещества вторичной частицы, – число атомов или молекул испаренного вещества в единице объема. В области, где произошло образование зародышей их величина а(r₀) = a_кр, т.е. равна минимальному критическому размеру для того, чтобы он стал центром образования новой фазы. На всем интервале расстояний концентрация вторичных частиц убывает как 1/r (где r – расстояние до первичной частицы). Показано для сферически симметричного процесса испарения, что частица достигает максимальной температуры практически без изменения своего радиуса. Так при плотности потока энергии I = 10⁹–10¹⁰Вт/м² температура поверхности достигает значения 4000–5000 К практически независимо от размеров. Теоретически получены зависимости температуры поверхности и радиуса частицы от времени для различных размеров частиц. У крупных частиц с а₀ ~ 50 мкм температура поверхности после быстрого выхода на максимальное значение остается почти постоянной величиной до ее полного испарения. Радиус частицы практически линейно убывает со временем. В режиме интенсивного испарения скорость изменения радиуса da/dt зависит от плотности потока энергии излучения в виде da /dt = xI , где х – размерный коэффициент, определяемый из уравнения теплового баланса. Дальнейшее расширение облака приводит к резкому падению температуры испаренного вещества и, как следствие, значительному переохлаждению или пересыщению. Следовательно, неизбежно будет происходить конденсация в расширяющемся облаке с образованием чрезвычайно мелкодисперсной фракции твердой.

      Заключение

    В настоящее время, большое внимание уделяется вопросам получения наноразмерных структур и аэрозолей и их искусственному синтезированию. Поэтому изучение процесса конденсации, происходящего при быстром адиабатическом расширении парогазового облака, а именно, исследование параметров образующейся высокодисперсной конденсированной фракции является очень актуальным.

    В рамках задачи о разлете пара были теоретически исследованы и численно решены уравнения, описывающие параметры расширения пара с учетом конденсации. В ходе работы было выполнено сравнение моделей со сферической и осевой симметрией разлета. Форма дифференциальных уравнений оказалась аналогичной, численные решения содержат определенные отличия. Была также определена доля конденсата от общей массы испаренного вещества.

      Литература

1. Анисимов, С.И. Избранные задачи теории лазерной абляции. / Б. С. Лукьянчук // УФН, 2002, Т.172, N3. – С.301-333.
2. Казакевич, П.В. Образование наночастиц меди и латуни при лазерной Абляции в жидкости / В.В. Воронов, А. В. Симакин, Г.А. Шафеев // Квантовая электроника, 2004, Т.34, N10.–С.951-956.
3. Шайдук А.М. Моделирование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с дисперсными системами: Диссертация доктора физико-математических наук. – Барнаул, 1998. – 277с.
4. Букатый, В. И. Воздействие лазерного излучения на твердый аэрозоль. / И.А. Суторихин, В.Н. Краснопевцев, А.М. Шайдук. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1994. – 198с.
5. Куснер, Ю.С. О механизме гомогенной конденсации при быстром адиабатическом расширении газа // ЖТФ, 1984, Т.54, N9.– С.1772-1781.
6. Беданов, В.М. Экспериментальное определение числа молекул в критическом  зародыше. Проверка теории гомогенного зародыше образования // Химическая физика, 1988, Т.7, N4.– C. 525-538.
7. Райзер, Ю.П. О конденсации в облаке испаренного вещества, расширяющегося в пустоту // ЖЭТФ, 1959, Т.37, Вып. 6(12). – С. 1741-1750.
8. Пирумов, У.Г.  Течения газа в соплах / Г.С. Росляков – Москва: Изд-во МГУ, 1978. – 352с.
9. Чирихин, А.В. Численное исследование гетерогенной-гомогенной конденсации потока в сверхзвуковом сопле // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа, 1977, N1.–С.137-145.
10. Анисимов, С.И. Действие излучения большой мощности на металлы / Я.А. Имас, Г.С. Романов,  Ю.В. Ходыко. – Москва: Наука, 1970.-272с. 
11. Кронберг, Т.К. Нелинейное распространение мощных лазерных пучков в твердом аэрозоле: Диссертация  кандидата физико – математических наук.–Томск, 1989.-138с.
12. Лямкина, Г.В. Взаимодействие мощного лазерного излучения с тугоплавким аэрозолем в условиях вакуума с учетом переконденсации: Диссертация  кандидата физико – математических наук. – Барнаул, 1992. – 112 c.
13. Хирс, Д. Испарение и конденсация – Москва: Металлургия, 1966.–196с.
14. Букатый, В.И. Влияние переконденсации на положение фронта ударной волны при высокоскоростном расширении парогазового облака / К.В.Соломатин– Барнаул: Известия Алтайского госуниверситета. 1998, N1(6).–С.67–70.
15. Букатый, В.И. О применимости квазистационарного сферически-симметричного приближения в задачах о горении, испарении частицы в поле мощного лазерного излучения / Т.К. Кронберг, К.В.Соломатин – Барнаул: Алтайский госуниверситет 1997.–7с.–Деп. в  ВИНИТИ  14.04.97, N1249-B97.
16. Зуев, В.Е. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. / А.А.Землянов, Ю.Д. Копытин, А.В. Кузиковский – Новосибирск: Наук, 1984 –184с.
17. Кандидов, В.П. Обзор нелинейных эффектов при распространении лазерного излучения в атмосфере. / Нелинейная оптика и оптоакустика: Сборник статей – Томск, 1988. – С. 1-3.
18. Волковицкий, О.А. Распространение интенсивного лазерного излучения в облаках / Ю.С. Седунов, Л.П. Семенов – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 312с.
19. Черняк, В.Г. теория испарения сферической частицы под воздействием направленного оптического излучения / Физика атмосферы и океана, 1995,  T.31, N6. – C. 800-808.
20. Фольмер, М. Кинетика образования новой фазы. – Москва: Наука, 1986. – 204с.
21. Захарченко, С.В. О нелинейном распространении лазерного излучения в твердом аэрозоле / С.Д. Пинчук, А.М. Скрипкина // Квантовая электроника, 1978, Т.5, N4. – C. 934–937.
22. Бутковский, А.В. Интенсивная конденсация газа на сферических частицах //Теплофизика высоких температур, 1990, Т.28, N5.– С.965-968.
23. Лукин, А.Я. Динамика формирования аэрозоля из пересыщенного пара / А.М. Степанов // Журнал ПМТФ, 1984, Т.3. – С.94-104.
24. Петров, Ю.С. Кластеры и малые частицы. – Москва: Наука, 1986. – 368с.
25. Яламов, Г.Ю. О гетерогенном горении частиц со сфероидальной формой поверхности // ТВТ 2002, T.40,N1.– C.159–161.
26. Яламов, Ю.И. К проблеме нестационарного роста и испарения капель /М.К. Кузьмин // ТВТ, 2003, T.41, N5.–С.779–784.
27. Крюков, А.П. Переконденсация в газопылевой смеси / В.Ю. Левашов, И.Н. Шишкова // ТВТ, 2004, T.42, N4.– C.601–607.
28. Паршакова М.А. Многомерная кинетика зародышеобразования в системах жидкость–пар // ТВТ, 2004, Т.42, N4.–С.608–617.
29. Валов П.М. Стадия формирования и рост зародышей фазы CuCl в стекле / В.И. Лейман // ФТТ, 2005, Т.47, Вып.11.

1. Дописать  раздел про лазерную абляцию – добавить общих слов, обзорных по статьям.
2. Исправить обозначение для концентрации твердой фазы.
3. В 4 разделе дописать максимально буквально из статьи, без заключения и сказать про графики 1-5.
4. Убрать из текста про ударную волну и решение в два приема.
5. В конце 5 главы добавить системы аналогично 4, и еще ссылку на графики 6-10.
6. . Проверить нумерацию формул и страниц и ссылок на системы уравнений.