Расширение плазмы лазерной абляции с использованием микроволн

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 13901 (2023) Цитировать эту статью

137 Доступов

Подробности о метриках

В этом исследовании изучается потенциал использования микроволн для поддержания расширения плазмы переходной лазерной абляции мишени Zr. При воздействии микроволн на плазму мы наблюдаем значительное улучшение: интенсивность излучения плазмы увеличивается на два-три порядка, а пространственный объем плазмы увеличивается в 18 раз. Мы исследуем изменение температуры плазмы и наблюдаем, что она уменьшается с 10 000 К примерно до 3 000 К. Температура электронов снижается с увеличением объема из-за увеличения взаимодействия с окружающим воздухом, в то время как плазму можно поддерживать в воздухе с помощью микроволн. Увеличение температуры электронов при понижении температуры свидетельствует о неравновесности плазмы. Наши результаты подчеркивают вклад микроволн в усиление эмиссии и образования плазмы при контролируемой низкой температуре, тем самым демонстрируя потенциал микроволн для повышения точности и производительности спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя. Важно отметить, что наше исследование показывает, что микроволны также могут снизить образование токсичных паров и пыли во время абляции, что является критическим преимуществом при работе с опасными материалами. Разработанная нами система очень ценна для целого ряда применений, в частности, для уменьшения возможного образования токсичных паров во время вывода из эксплуатации ядерного мусора.

Плазма лазерной абляции генерирует плазму пробоя, которая быстро расширяется в пространстве и рассеивается в течение от наносекунд до микросекунд, находя широкое применение в приборостроении, медицине и промышленности1, 2. Она предполагает воздействие на образец-мишень импульсным лазером, в результате чего образуется плазма с характеристиками, которые могут существенно различаются в зависимости от различных факторов, включая самопоглощение, отражение и охлаждение. Контроль над характеристиками плазмы можно продемонстрировать на примере плазменных эмиссий.

Аналитические приложения с использованием спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя (LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 оказались мощным инструментом в науке и промышленности. Количество эмиссии плазмы может сильно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды, в которых генерируется плазма, а ее свойства можно контролировать для целого ряда применений, таких как оборудование для производства полупроводников низкого давления14, 15, космическое применение в вакууме, элементный анализ16 ,17,18, двигатели внутреннего сгорания высокого давления19 и глубоководное применение20. Однако абляционная плазма обычно ограничена в своем расширении из-за ограничений системы, таких как изменение размера объема и время жизни плазмы21, ограничения, которые устраняются с помощью LIBS с микроволновым усилением путем объединения микроволн и импульсных лазеров, что приводит к значительному улучшению производительности системы21. 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. Интенсивность излучения плазмы значительно увеличивается за счет микроволновой суперпозиции, поскольку микроволновая энергия может поддерживать плазму в течение гораздо более длительного периода, позволяя происходить большему количеству событий излучения15, 22, 31, 33,34,35,36,37,38,39 ,40,41,42,43,44,45,46. Кроме того, пространственный объем плазмы расширяется на два порядка, что еще больше увеличивает количество света, излучаемого и регистрируемого системой. Это критически важно для приложений, требующих высокой чувствительности, поскольку даже незначительные изменения количества излучаемого света могут существенно повлиять на точность измерения.

Лазерно-индуцированная плазма в LIBS может существовать как в равновесном, так и в неравновесном состояниях47,48,49. Крайне важно понять различия между равновесной и неравновесной плазмой в LIBS, чтобы разработать более надежный и точный аналитический метод, поскольку неравновесная плазма может привести к усилению или подавлению интенсивности излучения определенных атомных или молекулярных линий50, 51. В контексте микроволнового излучения -усиленной LIBS, мы наблюдали отчетливые неравновесные характеристики, особенно в вращательных и колебательных температурах. Вращательные и колебательные температуры21 были измерены для выяснения быстрого изменения характеристик абляционной плазмы, что указывает на то, что расширение объема плазмы приводит к снижению колебательной температуры с 12 000 К примерно до 2200 К в течение 1 мс21. Хотя за расширение плазмы ответственны многие другие процессы, и оно не всегда сопровождается падением температуры, мы предположили, что расширение плазмы и падение температуры в течение периода микроволнового расширения и поддержания (несколько микросекунд после абляции) вызваны усилением взаимодействия между плазмой и окружающей воздушной атмосферой. Вклад ударных волн в процесс лазерной абляции при микроволновой парной абляции считается незначительным из-за временной задержки между лазерным возбуждением и проникновением микроволн в лазерно-индуцированную плазму. Эта задержка происходит потому, что микроволнам приходится ждать, пока плотность лазерно-индуцированной плазмы уменьшится ниже критической плотности (от ~ 1010 до 1011 см-3), необходимой для проникновения микроволнового излучения. Для частоты микроволнового излучения 2,45 ГГц эта критическая плотность обычно составляет порядка 7 × 1010 см–352. Во время поддержания плазмы в воздухе электроны могут ускоряться и поддерживаться на определенном уровне в течение периода микроволновой инжекции. Физику плазмы, усиленной микроволновым излучением, можно продемонстрировать путем сравнения температур плазмы и ее поддержания на воздухе.