2013 ТВТ - имп Ме

ЛОКТИОНОВ ГАЙСИНи др. 948 цвета. “Стримерный разряд” на поверхности медной трубки для подачи капельно-струйного электролита имеет диффузный хвост. На рис. 2е представлен ВЧЕР с тлеющим свечением и “стримерным разрядом”. В данном случае наблюдается интенсивное распыление поверхности медной трубки. Из сравнения результатов исследования ВЧЕР в капельно-струйном режиме течения с тлеющим разрядом постоянного тока [4–8] и др. со струей электролита пониженного давления следует, что только в случае ВЧЕР наблюдается образование «стримерных разрядов» на поверхности медной трубки и струи электролита. Возникновение вышеописанной формы разряда объясняется ВЧЕР диффузной формы на фоне 9 с другими элементами разрядной камеры. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Изучены колебания напряжения и тока разряда после электролитического пробоя промежутка между комбинацией капля–струя и проточный электролит, а также установлена многоканальная форма горения ВЧЕР при атмосферном давлении. 2. Установлены три формы горения ВЧЕР с тлеющим свечением между разными комбинациями электрода (часть медной трубки – капля, часть медной трубки – струя электролита) и проточным электролитом. 3. Обнаружен ВЧЕР с тлеющим свечением и “стримерными разрядами” на поверхности медной трубки для подачи струи электролита при P = 3 × 103 Па. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. М.: Наука, 1995. 2. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. Казань: Изд-во Казанск. гос. технол. ун-та, 2000. 348 с. 3. Хазиев Р.М., Гафаров Н.Г., Галиянов Д.Г. Международная (Свердловская) конф. по применению плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности. Тез. докл. 1988. С. 117. 4. Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Паровоздушные разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях // ТВТ. 2010. Т. 48. № 3. С. 470. 5. Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Электрический пробой вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях // ТВТ. 2010. Т. 48. № 5. С. 785. 6. Шакирова Э.Ф., Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом // ТВТ. 2011. Т. 49. № 3. С. 333. 7. Мустафин Т.Б., Гайсин Ал.Ф. Многоканальный разряд между струйным электролитическим анодом и твердым катодом // ТВТ. 2011. Т. 49. № 4. С. 634. 8. Логинов Н.А., Гайсин Аз.Ф., Сон Э.Е., Гайсин Ф.М. Особенности многоканального разряда в пористом твердом катоде // ТВТ. 2009. Т. 47. № 4. С. 633. 9. Каюмов Р.Р., Гайсин Ф.М. Некоторые особенности многоканального разряда между струей электролита и электролитической ячейкой при атмосферном давлении // ТВТ. 2008. Т. 46. № 5. С. 784. УДК 536.331 ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В КИНЕТИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ГАЗОВО-ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ © 2013 г. Е. Ю. Локтионов1, А. В. Овчинников2, Ю. С. Протасов1, Ю. Ю. Протасов1, Д. С. Ситников2 1Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва E-mail: stcpe@bmstu.ru 2Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступило в редакцию 20.02.2013 г. С использованием методов комбинированной интерферометрии получены новые данные об удельном механическом импульсе отдачи и эффективности преобразования энергии излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока при фемтосекундной (τ ~ 45 фс, λ ~ 800 нм) абляции ряда металлов (Ti, Zr, Mo, Cu) в вакууме (p ~ 5 × 10–2 Па). DOI: 10.7868/S0040364413060197 ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 51 №6 2013 ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИЕМКОСТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯРАЗРЯДА НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО I0, Вт/см2 1015 1014 ∆m, кг 949 3 10–11 1 2 4 10–12 100 101 102 W, Дж/см2 Рис. 1. Зависимость массового расхода от плотности энергии (мощности) лазерного излучения: 1 – Cu, 2 – Mo, 3 – Ti, 4 – Zr. Воздействие ультракоротких импульсов лазерного излучения позволяет значительно уменьшить долю рассеянной в тепло энергии, поглощенной веществом мишени, при этом увеличивается скорость разлета частиц (удельный импульс реактивной струи), а пороговая энергия импульсов лазерного излучения уменьшается до микрои наноджоулей, что снижает также минимальный бит импульса отдачи (критическую величину для прецизионного позиционирования космических аппаратов) до уровня ~10–11 Н с [1]. Многие элементы конструкций космических летательных аппаратов, изготовленные из тугоплавких металлов и их сплавов, становятся ненужными после вывода полезной нагрузки на заданную орбиту и теоретически могут быть использованы в качестве топлива для лазерных ракетных двигателей, что обусловливает актуальность исследования эффективности преобразования энергии излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока именно при воздействии ультракоротких импульсов лазерного излучения, когда спектрально-энергетические пороги лазерной абляции минимальны. В данном кратком сообщении приводятся новые экспериментальные данные об эффективности генерации импульса отдачи при фемтосекундной лазерной абляции металлов в вакууме и их сравнение со случаями воздействия более длинных импульсов излучения и воздействия в атмосферных условиях. Установка, методика проведения и обработки результатов эксперимента подробно описаны ранее в [1–3]. При обработке полученных интерферограмм определены массовый расход с поверхности мишени ∆m (рис. 1) и распределение конценТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 51 трации электронов в лазерно-индуцированном газово-плазменном потоке, на основе чего выполнена оценка распределения частиц по скоростям. Аналогичность распределения по скоростям электронов и ионов в газово-плазменном потоке при воздействии фемтосекундных импульсов лазерного излучения экспериментально показана в [4]. На основе этих первичных данных выполнены оценки параметров эффективности генерации импульса отдачи: среднемассовой скорости v (удельного импульса Isp = Σmv /Σmg ≈ v /g, для оценок взяты значения v через 42 нс после воздействия), удельного механического импульса отдачи Cm = ∆m v /E (E – энергия импульса лазерного излучения), эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока η = 2 = ∆m v /2E. Сведения о величине удельного механического импульса отдачи при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на Ti, Zr, Cu мишени в вакууме в литературе не встречаются, таким образом, данные, представленные на рис. 2а, получены впервые. Вообще говоря, сравнение данных об удельном механическом импульсе отдачи затруднено, так как для измерения импульса отдачи применяются разные методики [5]. Существенное влияние могут оказать также положение мишени относительно плоскости фокусировки линзы [6] (отличие величины Cm до трех раз при выносе мишени на 0.13f за плоскость фокусировки), размерные характеристики мишени [7] и абсолютное значение энергии импульсов излучения E №6 2013 ЛОКТИОНОВ ГАЙСИНи др. 950 Cm, Н с/Дж 10–3 I0, Вт/см2 1015 1014 (а) 3 1 4 10–4 10–5 2 100 101 102 W, Дж/см2 I0, Вт/см2 1015 1014 η 100 3 (б) 4 1 10–1 100 2 101 102 W, Дж/см2 Рис. 2. Зависимость удельного механического импульса отдачи (а) и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (б) от плотности энергии (мощности) лазерного излучения (обозначения как на рис. 1). (в [8] для равных плотностей энергии W показано отличие Cm в 1.4 раз при изменении E в 3 раза). В работе [9] представлены данные, полученные с использованием торсионного маятника при воздействии ультракоротких импульсов на Mo в вакууме, данные настоящей работы являются логическим продолжением этого ряда в области более интенсивных воздействий. В [9] для зависимости Cm установлено наличие оптимума при W ~ 1 Дж/см2, в данной работе этой плотности энергии соответствует измеренный порог лазерной абляции [10] (ниже которого достоверно не обнаруживалось наличия кратера при однократном воздействии). Таким образом, можно предположить, что в действительности это значение плотности энергии соответствует переходу из низкоэнергетичного в высокоэнергетичный режим лазерной абляции [11]. Следовательно, из-за больших значений удельного массового расхода при монотонной зависимости удельного импульса от плотности энергии излучения зависимость Cm имеет еще один оптимум вблизи W ~ 3 Дж/см2 с большими, чем в низкоэнергетичном режиме воздействия, значениями. Аналогичный переход из низкого в высокоэнергетичный режим наблюдается для Ti. Насколько известно, подобные точки перегиба в зависимости Cm от интенсивности лазерного воздействия для каких-либо материалов и параметров лазерного воздействия зарегистрированы впервые. Стоит отметить, что максимальные значения Cm для исследованных авторами металлов довольно близки в отличие от случаев воздействия более длинных импульсов излучения, когда разница в теплофизических характеристиках материалов мишеней (теплопроводность, теплоемкость, температура фазовых переходов) оказывает существенное влияние на скорость и эффективность тепловых процессов. Из исследованных металлов оптимумы Cm очевидны для Zr и Cu, их положение не соответствует таковому для полимеров (W/Wa ~ exp(3/2)) [12–14]. Данные об эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока, генерируемого при воздействии ультракоротких импульсов на металлические мишени, в литературе почти не встречаются. Лишь в [15] для золота установлено изменение η ~7.5 × 10–3–1 в вакууме и в [16] η ~ 0.055–0.15 – для титана в атмосферных условиях при наносекундном воздействии ИКизлучения. Путем комбинирования данных работы [17] можно определить, что для Мо в вакууме характерное значение энергетической эффективности, соответствующее максимальному Cm при I0 ~ 5.7 × 1012 Вт/см2, составляет ~0.5. Зависимости η(W) для Zr, Ti и Cu, представленные на рис. 2б, имеют максимум, так как среднемассовая скорость частиц мало зависит от плотности энергии лазерного излучения. Максимальные значения Cm и η достигаются при одних и тех же режимах воздействия, что позволяет избавиться от оптимизационной дилеммы для полимеров [18, 19], характеризуемой несовпадением условий достижения максимумов этих параметров. Как видно из этого же рисунка, значения величины η, по сути являющейся комбинацией всех параметров эффективности генерации абляционных газовоплазменных потоков, охватывают значительную ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 51 №6 2013 ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИЕМКОСТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯРАЗРЯДА НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО часть допустимого диапазона и изменяются довольно резко, что делает исследование эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока особенно актуальным. Проведено экспериментальное исследование эффективности генерации импульса отдачи при фемтосекундной лазерной абляции ряда металлов (Ti, Cu, Zr, Mo). С использованием методики комбинированной интерферометрии поверхности мишени и приповерхностной зоны выполнены оценки не только традиционных для подобных работ величин: удельного механического импульса отдачи и удельного импульса, но также эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газовоплазменного потока. Полученные значения удельного механического импульса отдачи (Cm,max ~ 4 × 10–4 Н с/Дж) и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (ηmax ~ 0.82) превышают таковые для микро-, наносекундных импульсов излучения и для фемтосекундных в атмосферных условиях и близки к значениям этих параметров, достигаемых при воздействии на полимерные материалы. Впервые для тугоплавких металлов превышен своеобразный порог Cm ~ 10–4 Н с/Дж, определяющий возможность применения вещества в качестве рабочего тела для маршевых лазерных ракетных двигателей. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты № 14.518.11.7009 и № 16.120.11.328-МК) и РФФИ (грант № 11-0800848). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 1. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Исследование газодинамических процессов фемтосекундного оптического разряда с аблирующей полимерной стенкой в атмосферных и вакуумных условиях // ТВТ. 2011. Т. 49. № 3. С. 415. 2. Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.Ю., Телех В.Д., Хазиев Р.Р. Комплексная обработка интерферограмм светоэрозионных газово-плазменных потоков в вакууме // ПТЭ. 2013. № 1. С. 53. 3. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Исследование оптико-теплофизических и газодинамических характеристик фемтосекундной лазерной абляции конструкционных материалов полимерного ряда // ТВТ. 2010. Т. 48. № 5. С. 766. 4. Amoruso S., Wang X., Altucci C., de Lisio C., Armenante M., Bruzzese R., Spinelli N., Velotta R. Double-Peak Distribution of Electron and Ion Emission Profile During ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР 5. том 51 16. 17. 18. 19. 951 Femtosecond Laser Ablation of Metals // Appl. Surf. Sci. 2002. V. 186. № 1–4. P. 358. Scharring S., Sinko J., Sasoh A., Eckel H.-A., Röser H.-P. Experimental Determination of the Impulse Coupling Coefficient – Standardization Issues // Int. J. Aerospace Innovations. 2011. V. 3. № 1. P. 33. Zheng Z.Y., Zhang J., Lu X., Hao Z.Q., Yuan X.H., Wang Z.H., Wei Z.Y. Characteristic Investigation of Ablative Laser Propulsion Driven by Nanosecond Laser Pulses // Appl. Phys. A. 2006. V. 83. № 2. P. 329. Чумаков А.Н., Петренко А.М., Босак Н.А. Влияние размеров мишени на импульс отдачи при лазерном воздействии на поглощающие материалы // Квант. электрон. 2004. Т. 34. № 10. С. 948. Zhang N., Wang W., Zhu X., Liu J., Xu K., Huang P., Zhao J., Li R., Wang M. Investigation of Ultrashort Pulse Laser Ablation of Solid Targets by Measuring the Ablation-Generated Momentum using a Torsion Pendulum // Opt. Express. 2011. V. 19. № 9. P. 8870. Phipps C.R., Luke J.R., Funk D.J., Moore D.S., Glownia J., Lippert T. Measurements of Laser Impulse Coupling at 130 fs // Proc. SPIE. 2004. V. 5448. P. 1201. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Энергетическая эффективность фемтосекундной лазерной абляции тугоплавких металлов // ЖПС. 2010. Т. 77. № 4. С. 604. Hammerling P., Remo J.L. Pulsed Femtosecond LaserTarget Momentum Coupling in the High-Intensity Regime // Proc. SPIE. 2006. V. 6261. P. 62612L-14. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. О спектрально-энергетической эффективности фемтосекундной лазерной абляции полимеров // ДАН. 2010. Т. 434. № 1. С. 38. Sinko J.E., Phipps C.R. Modeling CO2 Laser Ablation Impulse of Polymers in Vapor and Plasma Regimes // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 13. P. 131105-3. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.С., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Энергетическая эффективность фемтосекундной лазерной абляции полимерных материалов // ЖПС. 2012. Т. 79. № 1. С. 114. Phipps C., Luke J. Laser Space Propulsion // Laser Ablation and its Applications. N.Y.: Springer, 2007. P. 407. Zhou Y., Wu B., Forsman A. Time-Resolved Observation of the Plasma Induced by Laser Metal Ablation in Air at Atmospheric Pressure // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. № 9. P. 093504-7. Phipps C., Luke J., Funk D., Moore D., Glownia J., Lippert T. Laser Impulse Coupling at 130 fs // Appl. Surf. Sci. 2006. V. 252. № 13. P. 4838. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Исследование оптико-механических характеристик процессов взаимодействия ультракоротких импульсов лазерного излучения с полимерными материалами // Опт. и спектроскоп. 2012. Т. 112. № 4. С. 685. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Экспериментальное исследование оптомеханических характеристик фемтосекундной лазерной абляции полимеров в атмосферных и вакуумных условиях // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 13. С. 8. №6 2013