Плазменный факел в условиях пониженных давлений воздуха.

Возникновение плазменного образования у поверхности различных материалов изучалось в [23] при пониженных давлениях воздуха вплоть до остаточного давления 10^–4 тор. Главный вывод – с понижением давления во всем исследованном диапазоне энергетический порог возникновения плазмы не менялся. Но характер плазменного факела и динамика его развития существенно менялись. Так, при давлениях ниже примерно 100 тор прекращался пробой окружающего объект воздуха. При 30 тор и ниже в спектре плазменного факела не обнаруживалось следов воздуха, это был спектр только паров материала преграды. По принятой терминологии возникала эрозионная плазма. Скорость разлета паров возрастала по мере снижения давления, одновременно снижался лучистый поток в видимой области спектра, создаваемый плазмой. В таких условиях излучательные и динамические характеристики плазмы, прежде всего, определялись материалом испаряемой поверхности. В этом плане интересны результаты радиационно-газодинамических теоретических расчетов, выполненных под руководством И.В. Немчинова в Спецсекторе Института физики Земли в 1987 году.

В условиях вакуума лазерная плазма является интенсивным источником теплового излучения. Расчеты показали, что при воздействии излучения неодимового лазера умеренных интенсивностей на мишени из тяжелых элементов, в частности, висмута и свинца, от 30 до 50% лазерной энергии преобразовывается в энергию теплового излучения главным образом в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Для легких элементов, таких как алюминий и углерод, коэффициент преобразования в 2 – 3 раза ниже. Эти теоретические расчеты подтвердились в проведенных там же экспериментах, причем кроме основной гармоники неодимового лазера 1,06 мкм использовалась так же 3-яя гармоника этого лазера 0,35 мкм.

Теория предсказывает, что эффективность преобразования лазерной энергии в тепловую энергию плазменного излучения возрастает с ростом длины волны лазера. В этом случае, при прочих равных условиях, возрастает температура плазмы и жесткость испускаемого ею излучения. Для экспериментальной проверки теоретических оценок были проведены исследования излучения лазерной плазмы, образуемой импульсным воздействием СО₂ лазера на алюминиевую мишень [24]. Алюминиевая пластинка устанавливалась в вакуумной камере при остаточном давлении воздуха 10^{– 4} тор. Излучение плазмы измерялось пироэлектрическими приемниками, их чувствительность постоянна в области 40 – 1100 нм, разрешение во времени порядка микросекунды. В диапазоне плотностей мощности от 5×10⁷ до 10⁹ Вт/см² плазма, возникавшая при действии СО₂ лазера, переизлучала значительно эффективней, чем в случае неодимового лазера. Максимальное значение коэффициента преобразования, равное 75%, достигалось при плотности мощности воздействующего излучения 7×10⁸ Вт/см². При плотности мощности 2×10⁸ Вт/см² этот коэффициент составлял 55%. Теоретический расчет спектра переизлучения плазмы показал высокую степень ее селективности. Максимальная температура электронов и ионов в плазме достигала 20 эВ, а основная часть излучения (~70%) лежит в диапазоне 30–50 эВ. При снижении плотности мощности до 5×10⁷ Вт/см² эффективность снижается до 30%, а максимальная температура до 12 эВ, но основное излучение плазмы лежит примерно в тех же областях спектра, что и при более высоких значениях интенсивности лазерного луча. Контрольные опыты показали независимость излучения плазмы от давления, если его величина ниже

10 ^–2 тор.

Использование СО₂ лазера позволило получить высокие коэффициенты преобразования лазерной энергии в вакуумное ультрафиолетовое излучение плазмы, достигающие на алюминиевой мишени при умеренных интенсивностях 30 – 50%. В экспериментах с неодимовым лазером эти значения удавалось получить только на мишенях из тяжелых материалов при плотностях мощности на два порядка более высоких. Таким образом, СО₂ лазер становится эффективным источником получения в вакууме квантов электромагнитного излучения с энергией порядка 11 эВ.

Рассмотренные в этой главе данные о характере воздействия мощного лазерного излучения на материалы в основном получены при импульсном режиме работы. В случае непрерывного режима ситуация иная, так как в таком режиме образование плазмы достигается только при чрезвычайно высоких значениях плотности мощности. Однако, приведенные данные важны не только для понимания физики протекающих процессов взаимодействия излучения с материалами, но и при проведении реальных технологических процессов, поскольку лазерные станки более эффективно используются при работе в частотно-импульсном, а не в непрерывном режиме работы. Не говоря уже о том, что применение твердотельных лазеров возможно только в импульсном или частотно импульсном режиме, как отмечалось в разделе 3. Для успешного использования частотно-импульсного режима при обработке материалов необходимо, чтобы плотность энергии в импульсе была достаточной для создания оптимального теплового воздействия на обрабатываемый участок образца, но не сопровождалась образованием плазмы у обрабатываемой поверхности.

В заключении нам остается рассмотреть устройство типового лазерного станка. Подробно рассмотрим такое устройство при использовании в качестве рабочего инструмента СО₂ лазер. Применение твердотельного лазера заменяет в этом описании ту часть, где перечисляются компоненты СО₂ лазера, заменяя их компонентами твердотельного лазера, описанными в разделе 3.

Дата добавления: 2015-10-16