Министерство образования и науки Российской Федерации

УДК 537.52; 621.316.5; 629.7.03

ГРНТИ 29.27.49; 44.29.31; 45.53.43

Инв. № 266.10.04

УТВЕРЖДЕНО:

Исполнитель:

Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт сильноточной

электроники Сибирского отделения Российской

академии наук (ИСЭ СО РАН)

От имени Руководителя организации

/Ратахин Н.А./

М.П.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ

ОТЧЕТ о выполнении 4 этапа Государственного контракта № 14.740.11.0317 от 17 сентября 2010 г.

Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.

Проект: Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов Руководитель проекта:

/Батраков Александр Владимирович (подпись) Томск 2012 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

по Государственному контракту 14.740.11.0317 от 17 сентября 2010 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН Руководитель темы:

кандидат физико-математических наук, _30.05.2012_ старший научный сотрудник подпись, дата Батраков А. В.

Исполнители темы:

кандидат физико-математических наук, _30.05.2012_Попов С. А.

без ученого звания подпись, дата кандидат физико-математических наук, _30.05.2012_Нефёдцев Е. В.

доцент подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Дубровская (Прядко) Е. Л.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Зюлькова Л. А.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Шнайдер А. В.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Петров В. И.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Яковлев Е.В.

подпись, дата кандидат физико-математических наук, _30.05.2012_Панченко А. Н.

старший научный сотрудник подпись, дата кандидат физико-математических наук, _30.05.2012_Тельминов А. Е.

без ученого звания подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Шулепов М. А.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания _30.05.2012_Кизириди П.П.

подпись, дата Реферат Отчет 73 с., 1 ч., 16 рис., 13 табл., 16 источн., 0 прил.

Диагностика низкотемпературной плазмы, лазерная абляция, лазерно-плазменные двигатели В отчете представлены результаты исследований, выполненных по этапу Государственного контракта № 14.740.11.0317 "Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов" (шифр "2010-1.2.2-230-009") от 17 сентября 2010 по направлению "Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук", направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

В отчёте рассмотрены результаты исследований по динамике плазмы лазерного абляционного факела. При воздействии лазерного излучения наносекундной длительности и интенсивности, значительно превышающей порог испарения материала мишени, происходит образование плазмы за счёт испарения материала и электрического пробоя в электромагнитном поле падающей волны излучения лазера. При достижении критической плотности плазма становится непрозрачной, и далее энергия лазерного излучения поглощается плазмой, что приводит к росту температуры плазмы и, как следствие, давления на мишень. Такой механизм преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию мишени требует оптимизации с точки зрения эффективности преобразования. В этой связи целью четвёртого этапа проекта является диагностика тяжёлой (ионной) компоненты плазмы факела, генерируемого при лазерной абляции жидкого металла.

процессам, все измеряемые величины имеют большой разброс, носящий случайный характер. В этой связи основные параметры плазмы измерялись путём проведения статистических экспериментов с большим числом однотипных измерений и последующей обработки результатов измерений в соответствии с ГОСТ 8.207-76. В качестве метода измерений был выбран метод зонда Ленгмюра в режиме ионной ветви тока насыщения для измерения концентрации плазмы, а также для времяпролётных измерений скорости распространения плазменного сгустка. Для детальной диагностики тяжёлой (ионной) компоненты плазмы использовался масс-энергоанализатор распределение ионов по энергиям для каждого зарядового состояния. Такой подход позволяет получить наиболее полное представление о ионной компоненте плазмы и о механизмах передачи энергии от лазерного излучения в плазму. Обработка полученных данных позволяет измерять распределений ионов по энергиям использован прямой метод измерения импульса отдачи с использованием высокоскоростной камеры HSFC Pro, достоверности полученных данных осуществлялась также путём сравнения результатов обработки энергетических спектров с результатами обработки оптических спектров, полученных традиционными спектроскопическими методами.

В результате выполнения экспериментов были полученные данные, характеризующие в полном объёме энергетические характеристики плазмы жидкометаллическую мишень на основе сплава галлия и индия. Данные экспериментов показали высокую энергоёмкость лазерного сгустка, превышающую энергоёмкость плазмы взрывоэмиссионного центра при горении вакуумного разряда. Путём интегрирования ионных спектров была измерена скорость истечения порядка 28 км/с. Температура плазмы, соответствующая данной скорости истечения, составляет 3-4 эВ. Эти данные согласуются с результатами обработки оптических спектров излучения плазмы. Установлено, что скорость истечения ионов индия выше, чем ионов галлия, несмотря на то, что масса иона индия также больше массы иона галлия. Это наблюдение доказывает более высокую эффективность использовании более тяжёлых ионов. С использованием зондовых измерений минимальное значение диаметра. Показано, что при длительности импульса лазерного излучения 5 мкм диаметр фокального пятна не должен быть менее 50 мкм, в противном случае энергия лазерного излучения будет не полностью поглощена плазмой. Был выполнен цикл экспериментов по экспериментов были найдены условия, при которых доля капельной фракции формирование лунки на открытом конце капилляра мишени таких размеров, при которых объём испарённого за импульс рабочего вещества (жидкого металла) строго равен объёму лунки. Патентные исследования, выполненные на четвёртом этапе выполнения проекта, показали новизну и патентную чистоту найденного технического решения, необходимую для подачи заявки на полезную модель «мишенный узел лазерно-плазменного двигателя».

Результаты выполненных работ обобщены в рукописи статьи, подготовленной для публикации в журнале «Известия вузов. Физика». Было выполнено сравнение полученных результатов с требуемыми для практического использования параметрами импульса отдачи. Показано, что плотность мощности лазерного излучения порядка 109 Вт/см2 является недостаточно высокой и требует увеличения на порядок величины без уменьшения диаметра фокального пятна. Данный вывод имеет практическое значение для выбора (либо создания) оптимального источника лазерного излучения.

СОДЕРЖАНИЕ

Сокращения и обозначения

Введение

Основная часть. Проведение экспериментов по динамике плазмы лазерного абляционного факела

4.1. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по измерению зарядового и энергетического состава ионной компоненты лазерной абляционной плазмы.

4.1.1. Общие требования к проведению измерений

4.1.2. Методика измерения распределения ионов плазменного сгустка по массе, зарядовому состоянию и энергии с использованием энерго-массанализатора HIDEN EQP, серийный номер WR 12035

4.1.3. Параметры лазерной плазмы жидкофазной мишени

4.2. Проведение спектроскопических исследований излучения лазерной абляционной плазмы и оценка её температуры на основе анализа соотношений спектральных линий.

4.2.1. Измерение температуры электронной компоненты плазмы по соотношению интенсивностей атомарных линий

4.2.2. Анализ спектров излучения плазмы при лазерной абляции жидкометаллической мишени

4.3. Измерение скорости истечения лазерной абляционной плазмы с использованием распределений ионов по энергиям по пункту 4.1 и зондовых измерений в соответствии с методикой по пункту 2.1...... 4.3.1. Результаты анализа энергетических спектров ионов

4.3.1. Результаты исследования скорости и углового распределения потока плазмы зондовыми измерениями

4.4. Измерение механического импульса отдачи лазерного абляционного факела при воздействии наносекундного импульса лазерного излучения плотностью мощности на поверхности мишени порядка 109 Вт/см2

4.4.1. Измерения механического импульса отдачи на воздухе

4.4.2. Измерения механического импульса отдачи в вакууме

4.5. Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96.............. 4.5.1. Общие данные об объекте исследования

4.5.2. Основная (аналитическая) часть

4.5.3. Заключение

4.5.4. Задание на проведение патентных исследований

4.5.5. Регламент поиска

4.5.6. Справка о поиске

4.5.7. Отчёт о поиске

4.5.8. Материалы, отобранные для анализа

4.6. Подготовка заявки на полезную модель «мишенно-сопловый узел лазерно-плазменного двигателя»

4.7. Подготовка статьи для опубликования в журнале из списка рекомендованных ВАК со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

Заключение

Список использованных источников

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

В отчёте использованы следующие сокращения:

ЛПД – лазерно-плазменный двигатель.

МСУ – мишенно-сопловый узел.

КА – космический аппарат.

СКО – среднеквадратическое отклонение.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий отчёт посвящён выполнению четвёртого этапа проекта:

Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов», выполняемого в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2. Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук». Целью данного этапа является проведение статистических экспериментов по динамике плазмы лазерного абляционного факела. Данная работа имеет отношение к проблеме создания сверхминиатюрных ЛПД для ориентации малых КА. В этой связи условия экспериментов были максимально приближены к реальным условиям ЛПД.

Отчёт состоит из семи разделов. Первый раздел посвящён измерению зарядового и энергетического состава ионной компоненты лазерной абляционной плазмы с использованием масс-энергоанализатора HIDEN EQP, современного научного прибора последнего поколения, позволяющего получать полную картину распределений ионов плазмы различного зарядового состояния по энергиям. Обработка данных измерения позволяет вычислять средние скорости истечения ионной компоненты плазмы, а путём сравнения с результатами прямых измерений импульса отдачи, оценивать эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию мишени.

спектроскопических измерений сравниваются с параметрами плазмы катодного пятна, наиболее близкой по физике процессов системы.

Третий раздел отчёта посвящён результатам математической обработки (интегрированию) распределений ионов по энергиям, полученным в ходе масс-энегоспектроскопических измерений.

В четвёртом разделе отчёта описываются результаты прямых измерений механического импульса отдачи с использованием сверхскоростной камеры HSFC Pro, синхронизированной с источником лазерного излучения, воздействующего на мишень. Результаты измерений сравниваются с данными по обработке масс-энергетических спектров и делается вывод о потерях энергии лазерного излучения на эмиссию капель.

При выполнении этапа проекта сформулировано техническое решение, позволяющее существенно сократить долю капельной фракции в эрозии мишени, повысив тем самым эффективность МСУ ЛПД на основе жидкого патентоспособности данной технического решения выполненный патентный поиск, результаты которого приведены в пятом разделе отчёта.

В шестом разделе отчёта приведён текст заявки на патент на полезную модель «мишенный узел лазерно-плазменного двигателя».

Результаты выполнения этапа обобщены в виде рукописи статьи, подготовленной для публикации в журнале «Известия вузов. Физика». Текст рукописи статьи приведён в седьмом разделе отчёта.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО

ДИНАМИКЕ ПЛАЗМЫ ЛАЗЕРНОГО АБЛЯЦИОННОГО ФАКЕЛА

4.1. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по измерению зарядового и энергетического состава ионной компоненты лазерной абляционной плазмы.

4.1.1. Общие требования к проведению измерений Целью настоящих измерений является определение концентрации плазмы, зарядового состава и распределений ионов различных зарядовых состояний по энергии. Данные параметры определяются эффективностью передачи энергии лазерного излучения в мишень, и их знание необходимо для оптимизации режима абляции в ЛПД. Поскольку значения данных параметров плазмы зависит от случайных факторов, связанных с состоянием поверхности мишени и неустойчивостями в плазме, измерения должны проводиться в соответствии со стандартной процедурой статистических измерений.

Измерения проводились в следующей последовательности операций:

(а) Проверка схемы измерения и аппаратуры на исключение систематических погрешностей, связанных с изменением температурного режима задающих генераторов управления синтетической схемой, источников питания зондов и контуров синтетической схемы, осциллографов.

(б) Кроме систематических погрешностей, перечисленных выше, в настоящем эксперименте возможны случайные погрешности, связанные со случайным характером положения дугового канала в переделах вакуумного промежутка и с возможным дрожанием зондов. Для исключения данной погрешности в экспериментах одновременно с зондовыми измерениями осуществлялась визуализация промежутка и положения зондов. При восстановлении динамики плазменной границы расстояния между дуговым каналом и зондами измерялось по цифровым изображениям для каждого акта горения дуги.

вычислить среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимаемое за результат измерения;

(в) Вычисление средних величин и среднеквадратичных отклонений. Для каждой серии экспериментов (набор входных параметров: амплитудное значение тока дуги, время наблюдения относительно точки перехода тока дуги через ноль, положения зондов) проверялось соответствие набора выборок нормальному распределению с уровнем значимости 5% и доверительной вероятности 95%.

оценивалось по формуле где xi – i-й результат наблюдения; A – результат измерения (среднее результатов наблюдений. Доверительные границы случайной погрешности результата измерения находят по формуле где t – коэффициент Стьюдента. При выполнении измерений проверялось выполнение условия, что систематическая погрешность не превосходит уровня 0,8. Суммарное среднеквадратическое отклонение результата измерения вычислялось по формуле Поскольку число результатов наблюдений в настоящих экспериментах n < 50, нормальность их распределения проверялась по двум критериям.

Согласно критерию №1 вычислялось отношение d где S* вычисляется по формуле:

нормально по критерию №1, если где квантили распределения d1 q / 2 и d q1 / 2 приведены в таблице 1 по n.

Согласно критерию № 2 полагалось, что результаты наблюдений принадлежат нормальному распределению, если не более m разностей превзошли значение zP/2 S, где S – оценка среднеквадратического отклонения, вычисляемая по формуле где zP/2 – верхняя квантиль распределения нормированной функции Лапласа, отвечающая вероятности P/2. Значения P определялись из табл. 2 по числу результатов наблюдений n. В случае, если хотя бы один из критериев не соблюдается, полагалось, что распределение результатов наблюдений группы не соответствует нормальному и подлежит анализу на выяснение причин несоответствия, их устранению и повторному воспроизведению.

Таблица 1. Параметры уравнения (6) для различного числа выборок.

Таблица 2. Значения P для вычисления zP/2.

4.1.2. Методика измерения распределения ионов плазменного использованием энерго-масс-анализатора HIDEN EQP, серийный номер WR 4.1.2.1. Общие положения 4.1.2.1.1. Данная методика предназначена для проведения массспектрометрического анализа тяжелой компоненты плазменных и газовых сред, включая измерения распределений по энергиям для Analytical Ltd., Англия, (представительство в России: ЗАО «ИНТЕК АНАЛИТИКА», 197374, Россия, г. Санкт-Петербург, ул.

Оптиков, 4, корп. 2, лит. А, пом. 209).

4.1.2.1.2. К работе с прибором допускается персонал, имеющий высшее физико-математическое или техническое образование, не ниже III группы допуска по электробезопасности, изучивший полное описание на прибор (Документ № НА-085-003, 338 стр.) и прошедший вводный практический курс в Лаборатории вакуумной 4.1.2.1.3. При проведении измерений по данной Методике должны быть выполнены условия, предусмотренные техническим описанием на прибор, ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ «Методики выполнения измерений»

и ГОСТ 8.207-76 ГСИ «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».

4.1.2.2. Краткое описание оборудования 4.1.2.2.1. Поскольку в стандартной комплектации прибора HIDEN EQP, поставляемого заводом-изготовителем, содержатся собственные специальных требований к вакууму в экспериментальной камере и к средствам откачки не предъявляются.

4.1.2.2.2. Энерго-масс-анализатор в стандартной комплектации представлен схематично на рис. 1. Принцип работы прибора состоит в технологической) вакуумной камерой с использованием фланца DN-63-CF так, что зонд прибора помещается в исследуемый объем. Габариты прибора в мм приведены на рис. 2.

Рис. 1. Блок-схема энерго-масс-анализатора HIDEN EQP.

Рис. 2. Габаритные размеры энерго-масс-анализатора HIDEN EQP.

4.1.2.2.3. На лицевой поверхности зонда имеется возможность присоединения чашки с коллимирующим входным отверстием (replaceable orifice cap на рис. 2) для ограничения потока газа или плазмы, если это необходимо. С прибором поставляется комплект из шести чашек. В таблице 3 приведено соответствие требуемого диаметра коллимирующего отверстия давлению в 4.1.2.2.4. Конструкция анализатора схематически представлена на рис. 3.

После коллиматора исследуемый поток попадает в экстрактор, затем ионизуется, если исследуется нейтральная компонента среды. В случае исследования заряженной компоненты ионизатор не включается. После прохождения через трубу дрейфа поток попадает в поворотный электростатический фильтр по энергиям, после которого на выходе остается лишь та часть потока, которая соответствует заданному интервалу энергий. Прошедший поток затем попадает в радиочастотный фильтр, в котором рассеиваются на стенки все ионы, кроме тех, массы которых лежат в заданном интервале масс. Прошедший оба фильтра поток усиливается до измеряемых значений тока вторично-электронным умножителем.

Поскольку сепарация частиц происходит по отношениям заряда частиц к измеряемым величинам, энергии и массе, то при ожидании многозарядных ионов в исследуемой среде следует формально полагать, что сепарация по массам осуществляется для однозарядных ионов с массой, вычисленной по формуле:

где Meff – формально измеряемая масса иона, М – реальная масса иона, Z – реальное зарядовое состояние иона. При этом регистрируемая энергия будет в Z раз меньше реальной, поэтому реальная энергия E вычисляется по формуле:

где Eeff – формально измеряемая энергия иона, E – реальная энергия иона, Z – реальное зарядовое состояние иона.

Рис. 3. Блок-схема внутреннего устройства прибора.

4.1.2.3. Обслуживание прибора 4.1.2.3.1. Подключение прибора к исследовательской или технологической вакуумной камере осуществляется согласно разделам 2.1 – 2.13, 3.3 Технического описания (документ № НА-085-003).

4.1.2.3.2. После подключения и достижения рабочих условий по давлению в исследуемом объеме и в анализаторе требуется проведение регламентных работ по калибровке анализаторов энергий и масс согласно разделам D1 – D5, E1, E3 Технического описания (документ № НА-085-003).

4.1.2.4. Проведение измерений 4.1.2.4.1. Измерения проводятся в два этапа. На первом этапе осуществляется настройка прибора на диапазон параметров исследуемых ионов.

Технического описания прибора (документ № НА-085-003) путем сканирования напряжений на экстракторе и линзе 1 по всему диапазону рабочих напряжений при фиксированных значениях Meff чувствительности прибора от потенциала управляющих электродов.

В качестве рекомендуемых значений напряжений экстрактора и линзы 1 выбираются такие значения, при которых производные зависимостей чувствительностей от потенциалов минимальны. Для примера на рис. 4 рекомендованное значение для потенциала экстрактора равно –95 В, а для линзы 1 равно –20 В.

Рис. 4. Пример протокола сканирования чувствительности прибора по напряжениям на управляющих электродах.

4.1.2.4.2. Измерения производятся путем сканирования по энергии ионов.

Для получения статистически достоверных зависимостей требуется получение численных значений в 100 или более точках спектра.

Для вычисления значения энергии в одной точке спектра требуется измерение не менее чем по 300 ионам. Таким образом, интеграл потока ионов по времени измерения и по площади входного коллимирующего отверстия должен быть не менее 3·104 частиц.

4.1.2.5. Отчетность 4.1.2.5.1. Данные измерений хранятся в ИСЭ СО РАН в виде электронных таблиц и используются для их последующей обработки или 4.1.2.5.2. Срок хранения информации не менее 10 лет, если не оговорено иначе в документах на выполнение НИР (НИОКР), в рамках которых используется данная методика.

4.1.3. Параметры лазерной плазмы жидкофазной мишени Программное обеспечение масс-энергоанализатора позволяет осуществлять статистические измерения в соответствии с ГОСТ 8.207-76, основные положения которого изложены в разделе 4.1.1. При этом прибор осуществляет считывание измеряемых величин не менее чем 100 раз, что является осуществимым благодаря частотному режиму лазера и способности МСУ воспроизводить форму мениска жидкого металла в промежутках времени между импульсами лазерного излучения.

Типичный масс-спектр ионов плазмы абляционного факела при работе в режиме, близком к оптимальному, полученный с помощью массэнергоанализатора ”Hiden EQP”, приведен на Рис. 5 для фиксированной энергии ионов E/Z=280 эВ.

Рис. 5. Состав ионной компоненты абляционной плазмы при фиксированной энергии ионов на единичный заряд E/Z=280 эВ. Частота следования лазерных импульсов 100 Гц.

Как видно в плазме присутствуют ионы изотопов Ga 69 и Ga 71 с кратностью заряда Z до +5 и ионы изотопов In 115 и 113 с кратностью заряда Z по крайней мере до 4. Приведенные на этом рисунке данные могут быть использованы для определения изотопного состава. В частности отношение изотопов Ga 69 и Ga 71 может быть оценено как 1 : 0.9, а изотопов In 115 и 113- как приблизительно 1 : 0.07.

Что касается зарядового и стехиометрического состава плазмы, то более корректным при определении количества ионов каждого сорта является интегрирование функции распределения по энергии. Распределения ионов каждой кратности заряда по энергии исследовались для одного из изотопов галлия (Ga-69) и индия (In-115). На Рис. 6 (a-г) приведены эксперимен6тальные данные I(E/Z), представляющие собой распределения по энергии ионов различной зарядности. Абсцисса распределений представляет собой энергию, приходящуюся на единичный заряд E/Z.

Очевидно, функции распределения ионов каждого сорта по полной энергии F(E) и по скоростям f(v) могут быть легко получены с учетом требований нормировки как Соответствующие функции распределений F(E)) приведены на Рис. 7.

Рис. 6. Экспериментальные распределения ионов различной кратности заряда Z по удельной энергии: а)-Z=1, б)- Z=2, в)-Z=3, г)- Z=4, д)- Z=5.

Рис. 7. Распределения F(E) ионов различной кратности заряда Z по энергии: а)-Z=1, б)- Z=2, в)-Z=3, г)- Z=4, д)- Z=5.

4.2. Проведение спектроскопических исследований излучения лазерной абляционной плазмы и оценка её температуры на основе анализа соотношений спектральных линий.

4.2.1. Измерение температуры электронной компоненты плазмы по соотношению интенсивностей атомарных линий Излучaтeльнaя cпocoбнocть гaзa (плaзмы) I в cпeктрaльнoй линии, прoпoрциoнaльнa зaceлeннocти вeрхнeгo урoвня:

гдe n'n чacтoтa излучeния при пeрeхoдe n' n, An'n вeрoятнocть дaннoгo пeрeхoдa.

Ecли вeрoятнocть пeрeхoдa An'n извecтнa и cиcтeмa oткaлибрoвaнa тaким oбрaзoм, чтo экcпeримeнтaтoр знaeт cooтнoшeниe мeжду интeнcивнocтью cигнaлa и чиcлoм фoтoнoв, пa дaющих нa приeмную плoщaдку прибoрa, мoжнo нaйти зaceлeннocть вeрхнeгo урoвня и из нee oпрeдeлить тeмпeрaтуру.

Oбычнo мeтoд измeрeния aбcoлютнoгo излучeния aтoмных cocтoяний примeняют тoлькo для нaхoждeния плoтнocти aтoмoв в вoзбуждeннoм пeрeпoглoщeниe oтcутcтвуeт. Для oпрeдeлeния тeмпeрaтуры гoрaздo прoщe oпрeдeлить oтнocитeльную зaceлeннocть двух cocтoяний. Ecли измeрeния интeнcивнocтeй пeрeхoдoв I1 и I2 прoвeдeны в oдних и тeх жe уcлoвиях, тo oпрeдeлить элeктрoнную тeмпeрaтуру мoжнo из cooтнoшeния Caхa [1] гдe gi – cтaтиcтичecкий вec i-гo пeрeхoдa, Ei – энeргия i-гo урoвня.

4.2.2. Анализ спектров излучения плазмы при лазерной абляции жидкометаллической мишени На Рис. 8 приведены осциллограммы свечения плазмы, образованной на проверхности жидкого металла в воздухе и в вакууме. Видно, что свечение на поверхности мишени начинается уже через 1 нс после начала лазерного импульса. Это говорит о высоком коэффициенте поглощения ИК - лазерного излучения поверхностью жидкого металла, что приводит к ее быстрому разогреву до температуры испарения и развитию оптического пробоя в парах металла. Интенсивность свечения плазмы оптического пробоя растет во время лазерного импульса, что можно связать с эффективным нагревом эрозионного факела падающим излучением. После окончания лазерного импульса начинается экспоненциальный спад свечения лазерной плазмы, связанный с ее разлетом и охлаждением. Наличие окружающего мишень газа несколько замедляет скорость разлета плазмы, что приводит к увеличению времени ее свечения.

Рис. 8. Осциллограммы лазерного импульса (Рlas) и свечения плазмы, образованной на проверхности жидкого металла в воздухе (Рair) и в вакууме (Pvacuum).

В ходе выполнения экспериментов было замечено, что на сигнале с коллектора при отрицательном напряжении смещения на нем наблюдается пик, начинающийся вместе с лазерным импульсом (Рис. 9). Появление данного пика можно связать с фотоэмиссей электронов с поверхности коллектора под дейсвием ультрафиолетового излучения эрозионого факела на поверхности жидкого металла. В пользу этого говорит близкая форма импульса свечения плазмы и сигнала с коллектора.

На Рис. 10 приведен спектр в диапазоне 200-600 нм. Значения длин волн взяты из [2]. В спектре свечения эрозионного факела видны интенсивные линии атомов Ga и In и их одно- и двухкратных ионов. Следует отметить, что полученный спектр близок к спектрам свечения плазмы, полученной при подобных условиях облучения катодного пятна вакуумной дуги [3,4].

Рис. 9. Осциллограммы лазерного импульса (Рlas) и сигнала с коллектора (Рcol). Мишень расположена в вакууме.

P, rel. un.

Рис. 10. Спектр свечения приповерхностной лазерной плазмы сплава галлия с индием.

Для анализа концентрации и температуры плазмы в абляционном факеле вблизи мишени (на расстояниях, не превышающих радиус фокального пятна лазерного излучения) были выбраны линии Ga I 403 нм и 417 нм и In I 410 нм и 451 нм. Данные линии достаточно интенсивны, и параметры линий, необходимые для анализа данных с использованием уравнения (13), известны из литературных источников [5].

Результаты решения уравнения (13) для выбранных линий приведены в таблице 4. Средние значения электронной температуры Te вычислялись после обработки 20 спектров.

Таблица 4. Средние значения температуры электронной компоненты плазмы, вычисленные из соотношения интенсивностей спектральных линий Данные значения температуры электронной компоненты абляционной плазмы оказались выше значений, измеренных в катодном пятне вакуумной дуги [6], что свидетельствует о большем энерговкладе, реализованном в настоящих за счёт лазерной абляции, а также объясняет более высокие, чем в вакуумной дуге, скорости разлёта плазмы.

4.3. Измерение скорости истечения лазерной абляционной плазмы с использованием распределений ионов по энергиям по пункту 4.1 и зондовых измерений в соответствии с методикой по пункту 2. 4.3.1. Результаты анализа энергетических спектров ионов Путем стандартных процедур интегрирования функций распределения, представленных в разделе 4.1, могут быть получены относительное количество ионов той или иной зарядности в общем потоке, их средняя энергия, скорость, и т.д.

В Таблицах 5 и 6 для Ga и In соответственно, приведены наиболее важные статистические данные: доля ионов каждой кратности и средний заряд, средняя энергия и средняя скорость ионов каждой зарядности, а также средние скорости разлета ионов исследованных изотопов.

Таблица 5. Статистические параметры ионов Ga Доля ионов данной