Кинетика факела и параметры плазмы

Состояние плазмы характеризуется концентрацией электронов n_e, температурой Т (при условии локального термодинамического равновесия) или электронной температурой Т_е (если равновесие отсутствует), а излучательные свойства плазмы можно характеризовать яркостной температурой Т_b. Эти параметры в случае плазмы лазерного факела меняются со временем, они максимальны в момент возникновения факела и быстро уменьшаются в ходе его распространения, особенно на завершающей стадии распада, то есть примерно через 50 – 80 мкс. Традиционно параметры плазмы определяются спектральными методами, а чтобы разрешить их измерения во времени необходимо обеспечить получение спектральных карти­нок за достаточно короткие временные промежутки. Сложность подобных измерений состоит не только в необходимости обеспечить регистрацию спектров за очень короткие времена, но и в трактовке полученных экспериментальных результатов. На эти результаты оказывает влияние состояние плазмы, которое при коротком времени существования может оказаться сильно неравновесным. Методика подобных измерений была тщательно отработана, что исключает неверную трактовку полученных результатов.

Электронная концентрация находилась по штарковскому уширению двух первых линий бальмеровской серии водорода. Водород всегда присутствует в газовой смеси в очень небольших количествах, а первые линии бальмеровской серии достаточно яркие и они надежно регистрируются, что обеспечивает их разрешение во времени. Дополнительно выполнялись измерения уширения ионной линии азота 504,5 нм, вызываемое квадратичным штарк-эффектом. Используя данные всех трех измерений, получена зависимость электронной концентрации, и ее изменение во времени на протяжении от появления факела до 70-й микросекунды его существования. В указанном временном интервале получена эмпирическая зависимость электронной концентрации от времени выраженная следующей формулой [16]:

n_e = 3,6×10¹⁷ exp (-0,033 t) (4.6)

где n_e – в см^{– 3}, t – в мкс.

Поскольку нами было установлено, что в лазерной плазме нарушено ионизационное равновесие, то температурные измерения свелись к определению электронной и яркостной температур. Электронная температура определялась по отношению ин­тенсивностей двух ионных линий азота. Их удавалось надежно выделять только на протяжении первых 2,5 мкс существования факела. В это время Т_е слабо зависит от плотности энергии лазерного импульса и примерно равна 2 эВ. Яркостная температура определялась через измерения спектральной интенсивности излучения непрерывного спектра. Она зависит от плотности энергии лазерного импульса и в интер­вале от 10 до 25 Дж/см² менялась от 6 до 8,5 эВ. Зависимость от длины волны в интервале от примерно 450 до 530 нм слабая. Следует отметить, что приведенные данные получены в условиях, когда осуществлялся режим световой детонации. Для интересующих нас приложений более важен режим радиационной волны, протекающий при плотностях энергии, не слишком сильно отличающихся от порогового значения, то есть вблизи плотности мощности 10⁶ Вт/см² (от 2 до 5 Дж/см²). В таком режиме максимум яркостной температуры располагается на расстоянии 2 – 3 мм от поверхности. Сразу после завершения действия лазерного импульса яркостная температура фа­кела достигает примерно 1 – 1,5 эВ и затем быстро снижается со временем. К 30-й мкс она не превышает 0,5 эВ, после чего спад замедляется и "хвост" температуры тянется за пределы ~100 мкс.

Интегральный спектр факела – это спектр паров материала поверхности образца, присутствие воздуха в нем незначительное. Но если развернуть спектр факела во времени, то обнаруживаются две разные стадии его развития. Это хорошо просматривается на примере стекла, в спектре паров которого ярко светится дублет натрия 588,99 – 589,59 нм. На протяжении первых 6 мкс (при длительности лазерного импульса 2 мкс) спектр факела – это спектр воздуха. Яркий дублет натрия возникает в спектре после указанного времени, спектр воздуха полностью вытесняется и все последующее время вплоть до полного распада плазмы, то есть на протяжении 200 – 300 мкс пока различается дублет, свечение факела – это свечение паров материала поверхности. Именно длительная, хотя и не очень яркая вторая стадия, вносит основной вклад в интегральный спектр свечения. Эти результаты качественно воспроизводились и в экспериментах с другими материалами, хотя время существования факела (от возникновения до распада) у металлов намного ниже и не превышает 50 мкс. Результаты экспериментов подтверждают, что пробой паров материала у поверхности сразу же перебрасывается на воздух. Возникает воздушная плазма, которая своим воздействием испаряет материал поверхности, и волна паров через небольшое время вытесняет из факела воздух [17]. В случае детонационного режима процесс протекает иначе.

Дата добавления: 2015-10-16