Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы использования лазерного испарения для получения нанопорошков 16
1.1 Введение 1б
1.2 Методы синтеза нанопорошков 17
1.2.1. Осаждение из коллоидных растворов
1.2.2. Газофазный синтез
1.2.2.1. Электрический взрыв проводников
1.2.2.2. Испарение с помощью электронного пучка 22
1.3. Лазерный способ получения наночастиц 24
1.4. Выводы к главе 1 34
Глава 2. Экспериментальные установки и методики измерений 36
2.1. Введение 36
2.2. Накачиваемый комбинированным разрядом импульсно-периодический СОг-лазер 3 7
2.2.1. Схема накачки импульсно-периодического СОг-лазера «ЛАЭРТ» 40
2.2.2. Оптимизация режима накачки СОг-лазера «ЛАЭРТ» 43
2.3. Экспериментальный комплекс для получения нанопорошка 49
2.4. Методы и средства исследования нанопорошков. 52
2.5. Методики исследования лазерного факела. 53
2.5.1. Экспериментальная установка для исследования собственного свечения лазерного факела 53
2.5.2. Установка для исследования динамики лазерного факела теневым методом 54
2.5.3. Стенд для измерения спектральных характеристик лазерного факела 56
2.6. Выводы к Главе 2 58
Глава 3. Особенности лазерного синтеза нанопорошков 59
3.1. Введение. 59
3.2. Форма и размеры частиц в нанопорошках 61
3.3. Производительность получения нанопорошков 68
3.4. Влияние условий синтеза на размеры наночастиц. 74
3.5 Изменение химического состава нанопорошков сложных смесевых составов 79
3.6 Выводы к главе 82
Глава 4. Исследование динамики лазерного факела 83
4.1. Введение. 83
4.2. Исследование разлета лазерного факела при испарении оксидных мишеней из YSZ и шихты Nd: YAG 84
4.3. Исследование разлета лазерного факела при испарении графитовой мишени 91
4.4. Численное моделирование динамики плавления и кристаллизации при испарении мишени 96
4.5. Выводы к Главе 7 103
Заключение 104
Литература 107
- Методы синтеза нанопорошков
- Накачиваемый комбинированным разрядом импульсно-периодический СОг-лазер
- Форма и размеры частиц в нанопорошках
- Исследование разлета лазерного факела при испарении оксидных мишеней из YSZ и шихты Nd: YAG
Введение к работе
В последнее время резко вырос интерес к использованию наноструктурированных материалов или устройств в научных разработках и в технологии, т.к. при размерах хотя бы в одном направлении менее ЮОнм нанообъекты начинают проявлять уникальные свойства, отличные от свойств макрообъектов Ц, 2].
Одним из самых распространенных направлений в нанотехнологии являются нанопорошковые технологии, т.к. нанопорошки находят как самостоятельное применение (биология, медицина, химический катализ) [3], так и используются для компактирования объемных изделий [1, 4, 5]. Размеры и форма наночастиц, их агломерация, химический состав и кристаллическое строение задаются, главным образом, на стадии приготовления наночастиц. Поэтому развитие методов синтеза наночастиц с требуемыми свойствами является важной практической задачей.
В настоящее время очень активно развивается метод экологически чистого получения электрической энергии с помощью электрохимических водородных генераторов, топливные элементы которых используют для разделения зарядов твердые электролиты на основе ZrO"2 - Y2O3 (YSZ), ZrC>2 - SC2O3, СеОг - GckCb (Cei_xGdx Ог-s) [6]. Процесс синтеза твердых керамических электролитов основан на прессовании исходных порошков и последующем спекании полученных заготовок. Применение в качестве сырья порошков с размерами частиц менее 40нм [7, 8] позволяет снизить температуру спекания керамик на 300-г500С по сравнению с режимом спекания керамик из микропорошка [6, 9]. Кроме того, применение нанопорошков позволяет уменьшить размер кристаллитов в керамике до величины ~100нм и за счет этого резко повысить механическую прочность керамик и эффективность их работы. Нанопорошки YSZ нашли свое применение и для получения методом электрофореза газоплотных покрытий [10].
Интенсивно развиваются методы создания оптической керамики из Nd3+:Y203 и иттрий-алюминиевого граната Nd ^AlsOn для активных сред твердотельных лазеров. Лазерные керамики имеют перед монокристаллами следующие преимущества: возможность создания многослойных элементов с размерами, превышающими размеры монокристаллов, введение большей концентрации активных центров, меньшее время и стоимость изготовления [П., 12]. На основе керамического активного элемента недавно был создан Ш3+:УзАІ50і2 лазер, генерирующий излучение А,=1064нм в непрерывном режиме мощностью 110Вт [13], который почти не уступал по КПД лазеру с монокристаллическим активным элементом, а при мощности излучения 150Вт даже
5 превосходил его. Создание таких материалов предполагает использование слабоаломерированных нанопорошков с малым средним размером частиц и узким распределением их по размерам.
Таким образом, в настоящее время есть насущная необходимость развития метода синтеза нанопорошков, использующихся для изготовления керамик различного назначения, в количествах достаточных хотя бы для опытно-конструкторских разработок (~1кг). Необходимым требованием предъявляемым к нанопорошкам является их слабая агломерация, т.к. это улучшает однородность прессовок и облегчает получение керамик с высокой относительной плотностью [8].
В настоящее время широко распространенные химические методы позволяют получать нанопорошки с наибольшей производительностью, но получаемые наночастицы' являются очень сильно агломерированными [14]. В последнее время успешно развиваются способы снижения размеров агрегатов с десятков и сотен микрометров до 0,5мкм [15, 16]. Однако необходимость каждый раз подбирать технологию и реагенты при смене материала наночастиц, а также удалять продукты химических реакций из нанопорошков являются непреодолимыми недостатками этих методов.
Газофазные методы получения нанопорошков, суть которых заключается в испарении вещества нужного состава и последующей конденсации паров в буферном газе, лишены вышеперечисленных недостатков и позволяют получать слабоагломерированные наночастицы как правило сферической формы [1,4]. Для испарения исходных материалов применяются электрический взрыв проводников [\1_, 18], электронные пучки [19, 20, 21, 22] и лазерное излучение [23-31].
Существенным ограничением метода электрического взрыва проволочек, с помощью которого получают металлические, оксидные и нитридные нанопорошки, является то, что не все материалы имеются в виде проводящей электрический ток проволоки. Электронные пучки обладают радиационной опасностью, а их применение для испарения веществ требует больших энергозатрат, т.к. поглощение ускоренных электронов твердыми веществами имеет объемный характер. Это существенно снижает производительность наработки нанопорошков и намного увеличивает затраты электрической энергии из-за очень высоких тепловых потерь на плавление и нагрев мишени.
Лазерное излучение для большинства материалов приникает на значительно меньшую глубину, чем электронные пучки, что позволяет испарять материалы при меньших затратах энергии лазерного излучения. Поэтому лазерный метод получения наночастиц является наиболее универсальным. Многообразие источников когерентного
излучения позволяет использовать для разрушения мишеней, как непрерывные лазеры, так и импульсные лазеры с длительностью импульсов излучения до 50 фемтосекунд. С помощью Тіхапфирового лазера с длительностью импульса «ЮОфс, который создавал н плотность мощности излучения 1016 Вт/см2 , были получены в водной среде частицы золота размером 5-170нм [29]. В этом случае разрушение мишени происходит без ее нагрева, т.к. поглощаемая электронной подсистемой материала мишени энергия излучения не успевает передаваться кристаллической решетке [32]. Однако из-за маленькой средней мощности излучения (0,25Вт) производительность наработки нанопорошка составила всего лишь 1,6мг/час. Таким образом, производительность получения наночастиц определяется средней мощностью лазерного излучения. Наиболее подходящими для получения нанопорошков в больших количествах (килограммы) в настоящее время являются С02-лазеры со средней мощностью излучения 1-И0кВт, которые широко применяются для силового воздействия на конструкционные материалы в промышленности [33].
Впервые применение мощного СОг-лазера для получения с высокой производительностью наночастиц АІ2О3, Z1-O2, Zr02:MgO, Zr02:CaO, Zr02:Y203 было продемонстрировано в работах немецких ученых под руководством Мюллера [23-25, 31, 34], которые использовали один и тот же лазер для генерирования как непрерывного, так* и импульсно-периодического излучения. Максимальная в этих опытах производительность получения нанопорошков Zr02 равная 130г/час была получена в непрерывном режиме работы лазера с мощностью излучения «4кВт и плотностью мощности на мишени 4-10эВт/см\В этом режиме были получены слабоагломерированные сферические наночастицы, которые имели достаточно широкое распределение по размерам в диапазоне 10-И00нм, а их средний размер был равен с1вет«60нм.
Полученные результаты показали, что метод получения нанопорошков путем испарения мишени непрерывным лазерным излучением может составить конкуренцию химическим методам по производительности, а по степени агломерации наночастиц, что крайне важно, существенно превосходит их.
Однако в непрерывном режиме лазерного излучения очень велики оказываются потери энергии на плавление и нагрев мишени [33]. Эти потери можно уменьшить используя импульсный режим испарения, в котором возможно создать намного большую плотность мощности излучения на поверхности мишени и увеличить, таким образом, скорость испарения вещества. Впервые преимущества использования для получения нанопорошков с помощью импульсно-периодического лазерного излучения 10,бмкм с высокой средней мощностью было продемонстрировано в [24, 34]. При средней мощности
7 излучения 500Вт в импульсно-периодическом режиме производительность наработки нанопорошка ZrC>2 оказалась равной 7г/час, что вдвое выше чем при непрерывном режиме с той же мощностью излучения [24]. При этом распределение наночастиц по размерам вдвое сузилось и средний размер наночастиц с1Вет упал до 20нм.
Однако из-за того, что в [24, 34] импульсно-периодический режим излучения был получен с помощью модуляции добротности резонатора, КПД лазера при длительности импульсов 45 мкс был в «4раза меньше, чем в непрерывном режиме. Поэтому общие удельные затраты электрической энергии при получении нанопорошка только увеличились. Это сделало нецелесообразным применение СОг-лазера с модулированием добротности резонатора для наработки наночастиц. По нашему мнению в полной мере реализовать преимущества использования импульсно режима испарения мишени можно только с помощью импульсно-периодического СОг-лазера с высоким КПД и большой средней мощностью излучения.
Взаимодействие разлетающейся лазерной плазмы с буферным газом несомненно влияет на динамику ее охлаждения и конденсацию наночастиц. В [3_1_, 34] было найдено, что размеры образующихся наночастиц зависят от скорости прокачки газа над поверхностью мишени и от сорта газа (гелий или кислород). В работе [26] нашли, что при уменьшении давления гелия с 70 кПа до 2,5 кПа средний размер полученных непрерывным СОг-лазером с мощностью излучения 100Вт наночастиц ZrC>2, уменьшается с 9нм до 2нм. Кроме того в [23, 34глава1] была обнаружена зависимость удельной поверхности нанопорошков ZrC>2 от плотности мощности лазерного излучения на мишени.
Однако в работах [23-26, 31, 34] совсем не исследовались процессы, протекающие при лазерном синтезе нанопорошков с помощью мощного технологического СОг-лазера, в частности разлет лазерного факела в буферный газ.
На основании проведенного анализа наиболее значимых результатов исследований можно заключить следующее. До сих пор не исследовалось получение нанопорошков с помощью мощного импульсно-периодического СОг-лазера с высоким КПД. Нет данных о фракционном составе нанопорошков получаемых с помощью импульсно-периодического СОг-лазера, зависимости среднего размера наночастиц от материала и условий синтеза. Кроме того не исследовались динамика и характеристики лазерного факела, возникающего при испарении в атмосфере буферного газа оксидных мишеней.
Учитывая вышеизложенное, в настоящей работе были поставлены следующую цель исследования:
8 Исследовать особенности получения нанопорошков с помощью излучения импульсно-периодического С02-лазера, их основные характеристики и характеристики лазерного факела, в котором образуются наночастицы.
Для достижения этой цели необходимо решить основные задачи исследований:
установить влияние энергетических параметров мощного импульсно-периодического лазерного излучения А.=10,6мкм, формы импульса на производительность синтеза наночастиц;
определить фракционный состав получаемых нанопорошков;
выявить влияние химического состава мишени, давления буферного газа и скорости его прокачки через испарительную камеру на распределение наночастиц по размерам;
изучить динамику и спектральные характеристики лазерного факела;
исследовать динамику плавления мишени в зависимости от формы импульса лазерного излучения.
Структура работы.
Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками, таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения и * библиографического списка, который содержит 85 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, их научная новизна и практическая значимость, защищаемые положения, с
Первая глава содержит в себе детальный обзор научной литературы, в котором рассматривается современное состояние дел по теме диссертационной работы. На основании анализа литературных источников обоснованы цели и задачи настоящего исследования.
Во второй главе описаны экспериментальная аппаратура и средства измерений. Для получения наночастиц специально изготовленные мишени испарялись излучением разработанного в лаборатории квантовой электроники ИЭФ УрО РАН импульсно-периодического СОг-лазера «ЛАЭРТ». Поэтому здесь приведены его принцип действия и характеристики. Для обеспечения надежности работы лазера при наработке нанопорошков в схеме его накачки был заменен диодный элемент электрической развязки источников питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов на магнитный ключ. Также экспериментально и теоретически определен оптимальный интервал между самостоятельными разрядами в пакете электрической накачки лазера с целью повышения пиковой мощности импульса лазерного излучения.
Также в этой главе описаны экспериментальная установка для получения нанопорошков, стенды для исследования разлета лазерного факела методом скоростной киносъемки и теневого фотографирования и перечислены средства измерения характеристик нанопорошков.
В третьей главе приводятся результаты исследований о влиянии условий синтеза наночастиц на характеристики нанопорошков YSZ, Cei.xGdx02-6, Ш3+:У20з и производительность установки.
Показывается, что получаемые при атмосферном давлении воздуха с помощью импульсно-периодического СОг-лазера «ЛАЭРТ» нанопорошки содержат в себе частицы трех фракций: наночастицы размерами менее 40нм, сферические частицы с размерами 0,2-^2мкм и осколки мишени неправильной формы с размерами 1ч-50мкм.
Приводятся результаты исследования влияния энергетических параметров лазерного излучения на производительность наработки нанопорошков и их удельную поверхность.
Далее приводятся результаты исследований о влиянии скорости прокачки воздуха над поверхностью мишени и давления воздуха в испарительной камере на удельную поверхность нанопорошков и распределение наночастиц по размерам. Экспериментально и теоретически обосновывается, что полученные при нормальном давлении воздуха в испарительной камере и одинаковой скорости его прокачки наночастицы из различных оксидов имеют одинаковые средние размеры.
В конце главы исследуется влияние плотности пиковой мощности лазерного излучения на изменение химического состава нанопорошков по сравнению с веществом мишени.
В четвертой главе излагаются результаты исследования разлета в воздух лазерного факела при испарении мишеней из YSZ, шихты Nd:YAG и графита.
Динамика светящейся зоны лазерного факела исследуется с помощью скоростной кинокамеры. Установлено, что светящийся факел от мишени из YSZ имеет форму иглы, высота которой зависит от мгновенной мощности лазерного излучения. Напротив факел от углеродной мишени при разлете принимает сложную вихреобразную форму типа «гриба». Свечение столба соединяющего мишень с вихревым облаком пропадает с окончанием лазерного импульса, а облако светится значительно дольше. Образование облака связывается с развитием неустойчивости Рихтмайера-Мешкова на контактной границе между парами и воздухом, а его свечение с протеканием экзотермической реакции ассоциации двух атомов углерода при столкновении с третьей частицей.
Теневые изображения лазерной плазмы, образующейся при испарении всех исследуемых веществ, оказываются подобны и регистрируются в течение 15мс. Вблизи пика лазерного импульса лазерный факел, имеющий на переднем фронте импульса вид простого столба, принимает сложную форму в виде вихреобразного облака на прямой «ножке». Образование вихревого облака из-за турбулентного перемешивания конденсирующегося в наночастицы пара с воздухом.
Теневое исследование разлета лазерного факела и теоретические расчеты динамики плавления мишени лазерным излучением позволили связать образование крупных осколков мишени, имеющихся в нанопорошке, с саморазрушением кристаллизующейся пленки расплава в кратере на мишени после окончания ее испарения.
В заключении формулируются основные результаты работы.
Защищаемые положения.
Использование для получения наночастиц импульсно-периодического СОг лазера, накачиваемого комбинированным разрядом, позволяет при равных средних мощностях излучения уменьшить затраты электрической энергии за счет снижения потерь лазерного излучения на нагрев мишени по сравнению с непрерывным СОг лазером, а также за счет более высокого КПД лазера, чем в случае СОг-лазера с модуляцией добротности резонатора.
Полученные с помощью импульсно-периодического СОг лазера в атмосферном воздухе нанопорошки оксидов кроме образующихся при конденсации пара наночастиц с размерами 2-40нм и разбрызганных из кратера капель расплава с размерами 0,2ч-2мкм, также содержат в себе бесформенные осколки мишени размерами 1-т-50мкм, которые образуются после окончания испарения мишени при растрескивании кристаллизующегося расплава в лазерном кратере.
Средний размер наночастиц не зависит от химического состава мишени, энергии и плотности пиковой мощности лазерного импульса (в диапазонах 0,2-Я, 2Дж и 0,5-г2МВт/см2, соответственно), а определяется параметрами потока несущего газа, в котором происходит образование наночастиц в результате конденсации паров.
Под действием излучения СОг-лазера мишень из простых или сложных оксидов испаряется в виде радикалов (типа YO, ZrO), излучательная релаксация которых обеспечивает свечение видимой области лазерного факела, имеющей форму столба.
В процессе разлета пары, имеющие вблизи устья кратера температуру приблизительно равную температуре кипения мишени, охлаждаются. Однако на
расстоянии нескольких миллиметров от поверхности мишени этот процесс задерживается выделением энергии сублимации на начальном этапе конденсации пара, а окончательное образование наночастиц происходит в вихревых облаках, которые формируются при турбулентном перемешивании пара с воздухом.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
СО2 Laser Excitation by a Combined Discharge Using gas Flow Through Electrodes I V.V. Osipov, M.G. Ivanov, P.B. Smirnov, V.V. Platonov II The 4th International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'99, Tomsk, Russia, September 13-17, 1999. Abstracts. 1999. - P.62.
New pulse-repetitive high-efficient technological CC^-laser and its use for production of nano-powders and thin films I M.G.Ivanov, V.V.Osipov, V.V.Platonov., V.V.Lisenkov II International Conference on LASERS'2001, Tucson, Arizona, USA, December 3-7, 2001, Abstracts -ME.2.
Properties of YSZ and CeGdO nanopowders prepared by target evaporation with a pulse-repetitive C02-laser I Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, O.M. Samatov, V.V. Platonov, V.V. Lisenkov, A.M. Murzakayev, A.I. Medvedev, E.I. Azarkevich, A.K. Shtolz, O.R. Timoshenkova //International Conference on NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES NN'2003, Crete, Greece, August 30 - September 6, 2003, Abstracts-p. 12.
Features of development of the laser plume from the graphite target I V.V.Osipov, N.B.Volkov, V.V.Platonov, M.G.Ivanov II The VI International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2003, Tomsk, Russia, September 15-19, 2003, Abstracts -p.65.
Особенности формы плазменного факела, генерируемого излучением импульсно-периодического СОг-лазера. Модель формирования наночастиц. /Осипов В.В., Волков Н.Б., Лисенков В.В., Платонов В.В., ИвановМ.Г. // XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества", Эльбрус, 11-17 марта 2004г., Физика экстремальных состояний вещества-2004: сборник докладов. -Черноголовка, 2004г. - 207 с.
The Dynamics of Plasma Jet Produced by Long Pulse Laser Radiation I V.V. Osipov, V.V. Platonov, V.V. Lisenkov, M.G. Ivanov II Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, OH, USA, June 7-11,2004, Abstracts -p.31.
Laser synthesis of nanopowders / V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, M.G. Ivanov II Advanced Laser Technologies ALT'04, Rome and Frascati, Italy, Sept. 10-15, 2004, Contributed Papers, p.56-64.
Spectral-kinetic investigation of the plume produced with high-power CO2 laser. I Osipov V.V., Solomonov V.I., Platonov V.V., Ivanov M.G., Lisenkov V.V., Snigireva O.A. II International Conference on Coherent and Nonlinear Optics & International Conference on Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT 2005), St. Petersburg, Russia, May 11-15, 2005. Technical Digest p.LSKlO.
Fabrication of Nd:Y203 transparent ceramics by pulsed compaction and sintering of weakly agglomerated nanopowders I A. Kaigorodov, V. Osipov, M. Ivanov, V. Platonov, Yu. Kotov, A. Medvedev, V. Ivanov, V. Khrustov IIIX Conference & Exhibition of the European Ceramic Society. Portoroz, Slovenia, 19-23 June 2005, Abstract book. 2005. -P.143.
The method of laser synthesis of oxide nanomaterials. I M.G. Ivanov, Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, V.I. Solomonov II 12th International Symposium on Metastable and Nano Materials (ISMANAM). Paris, France, 3-7 July 2005. Book of abstracts. 2005. P.I-48.
Laser synthesis and characteristics of oxide nanopowders. I V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, M.G. Ivanov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, A.V. Rasuleva II The 13th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT05, Tianjin, China, Sept. 3-6, 2005, Abstract Collection p. 128.
Research of dynamics of the laser plume from graphite and YSZ targets I M.G.Ivanov, V.V. Lisenkov, V.V.Osipov, V.V.Platonov, O.A. Snigireva and V.I. Solomonov II The VII International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2005, Tomsk, Russia, September 12-16, 2005, Conference Abstracts -p.58.
Исследование спектрально-кинетических характеристик лазерного факела. / Лисенков В.В., Осипов В.В., Соломонов В.И., Платонов В.В., Снигирева О.А., Иванов М.Г. // XX Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", Эльбрус, 1-6 марта 2005 г., сборник докладов -С.172-174.
Laser synthesis of oxide nanopowders I M.G. Ivanov, Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, V.V. Platonov, O.M. Samatov II 11th International Ceramic Congress, 4th Forum on New Materials. Acireale, Sicily, Italy, June 4-9 2006, Book of abstracts p.26.
Dynamics and spectroscopy of the laser plume and generation of the nanoparticles I V.V.Osipov, V.I. Solomonov, V.V.Platonov, O.A. Snigireva, V.V. Lisenkov,
13 M.G.Ivanov, II International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'06, Brasov, Romania, Sept. 8-12, 2006, Proc. SPIE, Vol.6606, 66060M(2007); DOL10.1 117/12.729589.
Лазерный синтез нанопорошков и новые оптические материалы,, основанные на них / В.В. Осипов, В.В. Иванов, М.Г. Иванов, А.В. Шестаков, А.Н. Орлов, В.В. Платонов, А.В. Кайгородов, В.Р Хрустов, Ю.Л. Копылов // 3-я Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 20-26 ноября 2006 г. Тезисы докладов, с.282-283.
Laser ceramics based on neodymium-activated yttrium oxide I S.N. Bagaev, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, V.I. Solomonov, V.V. Platonov, A.N. Orlov, A.V. Rasuleva, S.M. Vatnik and LA. Vedin II The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" AMPL'2007, Tomsk, Russia, September 10-14, 2007, Proceedings of the SPIE Vol. 6938, 2008, P.69380R1-69380R7.
Laser ceramics based on neodymium-actiated yttrium oxide I S. Bagaev, V. Osipov, M. Ivanov, V. Solomonov, V. Platonov, A. Orlov, A. Rasuleva, S. Vatnik, I. Vedin, E. Pestryakov II 3rd Laser Ceramics Symposium: International Symposium on transparent Ceramics for photonic applications, Paris, France, October 8-10, 2007, Conference Abstracts O-C-13.
Исследование динамики лазерного факела и тепловых процессов в мишени под действием импульсно-периодического СОг лазера / В.В. Осипов, В.В. Платонов, В.В. Лисенков // The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" AMPL'2007, Tomsk, Russia, September 10-14, 2007, Conference Abstracts. -Institute of Atmosperic Optics SB RAS, Tomsk, 2007. -120c.
Личный вклад автора.
Автор работы провел модернизацию электрической схемы накачки импульсно-периодического СОг-лазера, накачиваемого комбинированным разрядом, с целью обеспечения надежной его работы при получении нанопопорошков, руководил проведением экспериментов по исследованию динамики разлета лазерного факела в воздух и экспериментами по исследованию влияния различных параметров на размеры наночастиц и производительность их получения. Кроме того, он принимал активное участие в обсуждениях и анализе экспериментальных данных, подготовке рукописей статей, в опытно-конструкторских разработках узлов установки для получения нанопорошков. Спектральные исследования лазерного факела проводились совместно с Кайгородовой О.А. Первоначально эксперименты по получению нанопорошков YSZ и
14 Cei.xGdx Ог-8 проводились совместно с сотрудниками лаборатории импульсных процессов ИЭФ УрО РАН, в ходе которых, в частности, был выполнен седиментационный анализ нанопорошков и установлено наличие в них частиц трех видов.
Публикации.
Основные результаты работы опубликованы в 16 статьях, 19 сборников докладов и тезисах. Общее число работ, опубликованных по теме диссертации, составляет 35 наименований.
Научная новизна.
1. Впервые предложено использование для получения оксидных наночастиц
газофазным способом мощного импульсно-периодического СОг-лазера с высоким КПД
(~8%). При получении нанопорошков тугоплавких оксидов (типа ЪгОг) это позволило при
одинаковой средней мощности излучения («500Вт) снизить затраты электроэнергии до
0,9(кВт-г)/час, что в два раза меньше, чем при использовании непрерывного СОг-лазера и
в четыре раза меньше, чем в случае СОг-лазера с модуляцией добротности резонатора.
2. В импульсно-периодическом режиме испарения удельная поверхность
нанопорошка YSZ не зависит от энергии и пиковой мощности лазерного импульса (в^
диапазонах 0,2-г1,2Дж и 0,5-ь2МВт/см , соответственно).
Впервые было показано, что при атмосферном давлении воздуха в испарительной камере и неизменной скорости его прокачки над поверхностью мишени средний размер наночастиц YSZ и Cei.xGdx02-5, NCLY2O3 оказывается почти одинаковым и равным 10-И4нм. В то же время, средний размер наночастиц уменьшается с ростом скорости прокачки газа над поверхностью мишени. Впервые показано, что наиболее эффективным способом увеличения среднего размера наночастиц ( типа Nd:Y203 ) является создание избыточного, по сравнению с атмосферным, давления воздуха в испарительной камере. Причиной наблюдаемых зависимостей размеров наночастиц от условий синтеза является то, что давление и концентрация пара в лазерном факеле перед началом конденсации определяется давлением воздуха, а скорость его прокачки влияет на скорость охлаждения паров.
Показано, что изменение химического состава нанопорошков по сравнению с веществом мишени зависит от плотности пиковой мощности лазерного излучения на мишени.
Показано, что испарение мишеней из простых или сложных оксидов происходит в виде радикалов (типа YO, ZrO), а образование наночастиц в лазерном факеле при его
15 разлете в атмосферный воздух начинается на расстоянии нескольких миллиметров от мишени и сопровождается интенсивным турбулентным перемешиванием пара и наночастиц с воздухом.
5. Установлено, что крупные осколки, имеющиеся в нанопорошке, образуются в момент кристаллизации остывающего расплава в кратере после окончания испарения мишени импульсом лазерного излучения.
Практическая ценность.
Результаты полученные в ходе работы могут быть полезны при дальнейшем развитии лазерного метода получения наночастиц с контролируемым распределением их по размерам :
при проектировании установки для получения нанопорошков с замкнутым газовым контуром, которая позволит получать нанопорошки в атмосфере различных газов ( в первую очередь в гелии, аргоне или воздухе ) давлением как выше, так и ниже атмосферного; при выборе источника мощного лазерного излучения. Результаты полученные при исследовании разлета лазерного факела помогут быть полезны при создании теоретической модели лазерного факела, которая будет предсказывать характеристики получаемых наночастиц в зависимости от условий их синтеза.
Методы синтеза нанопорошков
При синтезе нанопорошков используются самые различные физические и химические процессы, подробно описанные, например, в обзоре [4] и монографиях [I, 2]. На рисунке 1.1 перечислены основные способы получения наночастиц, классифицированные по характеру протекающих процессов. Некоторые из этих методов имеют ограниченное значение. Например детонационный синтез применяется в основном в целях утилизации взрывчатых веществ. Этот метод требует массивных взрывных камер, а продукты взрыва содержат в себе до 97% сажи и других примесей, которые нужно удалять кислотами Щ.
Механосиитез подразумевает механическое размельчение веществ путем размола в различных мельницах грубых порошков [41]. Однако таким методом редко удается достичь размера частиц меньше 50-ИООнм. Частицы меньших размеров (5-ИООнм) удается получить сочетанием механического размола и реакцией твердофазного синтеза, которая инициируется при трении и нагреве частиц друг о друга. Так в [42] сообщается о приготовлении нанокристаллических порошков TiC, ZrC, VC и NbC с размерами 7нм размолом в течение 48 часов смеси углеродного и металлических порошков в шаровой мельнице. Очевидно, что этот способ получения нанопорошков требует больших затрат времени, а сам порошок неизбежно загрязняется материалом шаров и футеровки. Часто размол порошков используется как элемент технологии в других методах синтеза нанопорошков.
Более распространенными методами получения нанопорошков являются: газофазный метод и осаждение из коллоидных растворов. Способ получения наночастиц с помощью коллоидных растворов заключается в синтезе коллоидных частиц размером 1-т-ЮОнм в растворе из исходных реагентов [I, 43]. При этом основной задачей является остановка роста размеров коллоидных частиц из-за коагуляции с помощью пассивации их поверхности различными веществами, в том числе поверхностно-активными веществами (ПАВ), приготовлением микроэмульсий. Такая жидкая дисперсная система затем различными методами переводится в дисперсное твердое состояние.
Обычно в качестве исходной реакции, при которой образуются коллоидные частицы, используется гидролиз солей металлов. Если продукты этой реакции после сушки имеют гелевую структуру, то такая технология называется золь-гель методом. Получившийся гель затем прокаливают для удаления остатков воды и химических элементов, входящих в состав пассивирующих веществ ( углерода, азота ). После сушки или прокаливания полученные нанопорошки содержащие в себе частицы с размерами 10-йООнм, оказываются очень сильно агломерированными. Агломераты представляют собой куски размерами от 0,5мкм до ЮОмкм Ц4, 15]. Поэтому для того, чтобы уменьшить размеры агломератов предпринимаются специальные меры.
Для получения высоко дисперсных порошков с размерами агломератов 1 мкм применяется вакуумная или криогенная сушка коллоидных растворов. В работе [16] после вакуумной сушки был получен прекурсор нанопорошка ZrCbrSiCh, который содержал в себе частицы с размерами 65нм. Однако после его прокаливания при температуре 1300С с целью удаления примесей наночастицы спеклись в сферические гранулы с размерами менее 1 мкм.
Пиролиз на стадии прокаливания геля также позволяет резко уменьшить агломерацию нанопорошков. Такой метод получения нанопорошка YAG:Ce3+ использовали авторы работы [15]. Использующийся ими поливиниловый спирт (СН2СНОН)п препятствовал агломерации коллоидных частиц в золе, а также использовался как горючее при пиролизе. Кроме того, в качестве дополнительного горючего авторы использовали мочевину. На стадии обжига геля инициировалась экзотермическая реакция горения между продуктами разложения нитратов металлов и горючим. При этом температура пламени в зависимости от сочетания исходных веществ была 1607С-т-237бС. При совместном использовании мочевины и поливинилового спирта размер агломератов не превышал 0,6мкм, а средний размер частиц, содержащихся в этих агломератах был равен 20нм.
Таким образом, методы осаждения из коллоидных растворов позволяют получать высокодисперсные нанопорошки и имеется хорошие возможности для промышленного производства. Однако эти методы не являются универсальными, в том смысле, что при смене материала нанопорошка требуется индивидуальный подбор химической цепочки, условий получения и технологического оборудования. 1.2.2. Газофазный синтез.
Наиболее универсальным способом получения наночастиц является газофазный синтез. Он заключается в возгонке твердого вещества нужного химического состава и последующем образовании наночастиц при конденсации паров в атмосфере буферного газа. Универсальность метода достигается технической возможностью быстро сменить материал получаемого панопорошка путем замены испаряемого вещества (при условии эффективного его испарения) и, в ряде случаев, буферного газа.
Первоначально в качестве испарителей применяли электрические нагреватели, через которые пропускали постоянный ток. Еще в 1912 году в работах [44, 45] исследовались частицы, полученные при медленной возгонке Zn, Cd, Se и As в вакуум или в буферный газ (Нг, N2, СОг), давление которого могло варьироваться. В работе [46] исследовались частицы А1, которые были получены при испарении алюминия в аргоновой атмосфере давлением 3-КЗО торр и имели средневзвешенные размеры 20-Ч60нм.
Кроме электрических нагревателей широко применяются и другие способы испарения вещества (рис. 1.1). В основном используется нагрев постоянным электрическим током [1], электронный пучок [19-21], взрыв электрических проводников [17, 18], лазерным излучением [23-31], электродуговым плазмотроном [47], ВЧ-плазмотроном [48, 49].
Накачиваемый комбинированным разрядом импульсно-периодический СОг-лазер
Для решения поставленных задач необходимо создать лабораторную установку для получения оксидных нанопорошков одним из важнейших элементов, которой является источник лазерного импульсно-периодического излучения с А.=10,6мкм большой средней мощности. Выше было показано преимущество использования импульсно-периодического режима работы С02-лазера перед непрерывным режимом для наработки оксидных нанопорошков, необходимым требованием к которому является высокий КПД. Этому требованию в полной мере отвечает импульсно-периодический С02-лазер «ЛАЭРТ», накачиваемый комбинированным разрядом.
Конструкция С02-лазера «ЛАЭРТ» подробно описанная в [54, 55] включает в себя газоразрядный тракт, систему откачки и напуска газов, источники питания комбинированного разряда, систему измерения лазерного излучения и электрических параметров газового разряда. Газоразрядный тракт выполнен в виде блока из нержавеющей стали размерами 100x102x120см. Он включает в себя: разрядную камеру с системой электродов, водяные теплообменники для охлаждения газовой смеси, оптический резонатор и диаметральный вентилятор, который прокачивает рабочую газовую смесь между электродами с большой скоростью. Скорость прокачки газовой смеси N2:He«10:20 давлением бОторр составляет «45м/с. Вентилятор посредством магнитной муфты приводится во вращение двигателем постоянного тока 2ПН-112 (4000 об/мин). Электрическая схема накачки лазера располагалась сверху на крышке разрядной камеры. Сферическое вогнутое медное зеркало с радиусом кривизны 11 метров и плоскопараллельное зеркало из ZnSe с коэффициентом отражения 75%, через которую выводится лазерное излучение, образуют однопроходовый устойчивый резонатор. В некоторых экспериментах коэффициент отражения выходного ZnSe был равен 85%. На рисунке 2.1. приведена фотография СОг-лазера «ЛАЭРТ».
Для контролирования формы импульса лазерного излучения в режиме реального времени использовался пироэлектрический приемник МГ-30, сигнал с которого подавался на осциллограф Tektronix TDS520A. Для определения энергии и мощности импульса излучения показания пироэлектрического приемника калибровались с помощью калориметра ТПИ-2М или измерителя средней мощности лазерного излучения Gentec Solo. РЕ с измерительным модулем Gentec UP55N.
В целях улучшения стабильности работы лазера, а также некоторого увеличения пиковой мощности импульса излучения, в схему накачки-лазера были внесены изменения, не влияющие на принцип его работы. Эти доработки будут обсуждаться ниже. Основные технические характеристики лазера следующие.
При наработке нанопорошков С02-лазер обычно работал в следующем режиме. Частота следования импульсов лазерного излучения равнялась 435 500Гц. Из-за разложения газовой смеси средняя мощность лазерного излучения при непрерывной работе в отпаянном режиме в течение «1 часа снижалась с первоначального уровня 50Сй-800Вт примерно на 10% и скорость испарения мишени уменьшалась. Поэтому в процессе получения нанопорошка с периодичностью один раз в час в газоразрядном тракте лазера газовая смесь полностью менялась.
Отличительной особенностью лазера «ЛАЭРТ» является применение комбинированного объемного газового разряда для создания и накачки активной среды. Комбинированным разрядом является разряд, при котором в межэлектродном промежутке сначала возбуждается самостоятельный, а затем несамостоятельный объемные газовые разряды. Вначале самостоятельный разряд малой длительности ( 10"7 нсек) создает в межэлектродном промежутке активную среду лазера - низкотемпературную плазму с заданной концентрацией носителей заряда. Затем на стадии несамостоятельного объемного разряда в течение нескольких сотен микросекунд при оптимальном для возбуждения колебательных степеней свободы молекулы СОг параметре E/N 2-10"6В-см2 [56] осуществляется ввод энергии накачки в газ. При этом на создание плазмы при самостоятельном разряде расходуется только малая часть («2%) энергии комбинированного разряда. При таком способе возбуждения главной технической проблемой является развязка источников питания самостоятельного и несамостоятельного , разрядов.
Подробные обзор способов реализации комбинированного возбуждения ССЬ-лазера были сделаны в [571. Были выделены три основные метода развязки цепей питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов: пространственная [58], пространственно-емкостная [59] и электрическая.
Электрический способ развязки является наиболее привлекательным, т.к. одни и те же электроды используются для зажигания как самостоятельного, так несамостоятельного разрядов, а развязывающий элемент находится в схеме возбуждения лазера. Например, в [60, 61] использовалась индуктивность в цепи питания несамостоятельного разряда, которая не давала ей шунтировать ток самостоятельного разряда. Однако, индуктивность существенно ограничивает скорость роста тока несамостоятельного разряда, а значит и его амплитуду на первоначальной стадии несамостоятельного разряда. Все это ухудшает однородность и устойчивость разряда и приводит к необходимости резистивной стабилизации разряда [61] с помощью водяного электролита, содержащегося в секционированном катоде. В [57] было предложено использовать диоды в качестве элементов развязки. Преимуществом такой схемы является то, что диоды не ограничивают ток в начальной стадии несамостоятельного разряда, что повышает устойчивость горения разряда без применения резистивной стабилизации.
Практической реализацией диодной схемы развязки стал импульсно-периодический С02-лазер «ЛАЭРТ» [54, 55], где применена сборка из 20 параллельно включенных диодных столбов КЦ201Е. Кроме того, применение в составе газовой смеси окиси углерода позволило решить важную для лазерной технологии получения нанопорошка проблему обеспечения долговременной работы лазера в отпаянном режиме. Это позволило при объеме активной среды 1 литр и при работе в предельном энергетическом режиме лазера получить удельную среднюю мощность излучения на первых включениях 850Вт/литр, а через 10б включений при частоте следования 500Гц - 800Вт/литр.
Однако в ходе длительной эксплуатации лазера была выявлена недостаточно надежная работа параллельно включенных диодных столбов, которые поодиночке выходили из строя через 50 100 часов непрерывной работы лазера. Это заставило отказаться от применения диодов. Нами было предложено использовать для электрической развязки источников питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов в СОг-лазереи магнитный ключ. Он обладает способностью за короткое время переключаться из состояния с большой индуктивностью в состояние с малой индуктивностью.. В ненасыщенном состоянии сердечника, магнитный ключ обладает большой?» индуктивностью и эффективно препятствует утечке тока самостоятельного разряда через цепи питания несамостоятельного разряда. В то же время малая величина индуктивности магнитного ключа в насыщенном состоянии будет существенно меньше ограничивать ток несамостоятельного разряда, чем обычный индуктивный дроссель. На рисунке- 2.2 приведена электрическая схема накачки СОг-лазера «ЛАЭРТ», в которой применен магнитный ключ.
Форма и размеры частиц в нанопорошках
Для получения оксидных нанопорошков вместе с СОг-лазером «ЛАЭРТ» обычно использовалась описанная выше нанопорошковая установка, в которой синтез наночастиц происходит в воздухе атмосферного давления. В течение нескольких лет было получено 17кг различных видов оксидных нанопорошков, что показывает возможность получения с помощью с помощью данной установки достаточно больших партий нанопорошков из разных оксидных материалов. Некоторые из наработанных нами нанопорошков перечислены в таблице 3.1.
Найдено, что полученные нами нанопорошки обладают достаточно большой удельной поверхностью от 42 до 86 м /г. Эта величина намного больше, чем удельная поверхность порошков, используемых для приготовления лазерных мишеней ( 10 м2/г). Если считать, что наночастицы являются правильными шарами и не агломерированными друг с другом, то средний размер частиц в нанопорошке определяется по формуле: p-S , где D - средний диаметр наночастиц в мкм, S - удельная поверхность в м2/г, р -плотность вещества в наночастицах в г/см .
Можно оценить, что средний размер таких идеальных сферических наночастиц в порошке 1,35%мольнМс1:У20з будет равен 22нм. Эта величина является сильно завышенной, т.к. формула (3.1) не учитывает форму частиц, распределение наночастиц по размерам, а также их агломерацию. Тем не менее измерения удельной поверхности нанопорошков является подходящим экспресс-способом оценки их дисперсности.
Сведения о форме частиц в порошке и распределении их по размерам необходимы конечному потребителю наночастиц или при дальнейшей обработке нанопорошка, например, при прессовании и спекании в целях получения керамики. Поэтому было предпринято исследование нанопорошков с помощью просвечивающего и сканирующего электронных микроскопов, а также с помощью седиментационного анализа. Эти работы проводились совместно с лабораторией импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН.
Наиболее подробно были исследованы нанопорошки YSZ и Cei.xGdx 02-s [65, 69]. Седиментационный анализ этих нанопорошков показал, что они на 92-г97массовых % состоят из частиц с размерами менее 40нм, только 10 частиц из 1000 имеют размеры от 65 до ЮОнм. На рисунке 3.1 показаны фотографии, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Видно, что наночастицы 9,85YSZ (цифры обозначают содержание Y2O3 в нанопорошке в мольных %) имеют сферическую форму, а частицы из нанопорошка CeojgGdo Ch-s имеют огранку. По сравнению с мишенью частицы из YSZ всегда оказываются обедненными Y2O3, который имеет большую температуру кипения по сравнению с ZrC 2, а в наночастицах CeGdO всегда наблюдается дефицит Gd203. Причиной этого является то, что менее тугоплавкая компонента мишени испаряется быстрее. Этот вывод согласуется с данными работы [23]. Порошок, выпавший в осадок при седиментации, содержит в себе частицы двух видов (рис.3.2). Это сферические частицы размером от 0,2 до 1-н2мкм и частицы, имеющие неправильную форму. Последние в большинстве своем имеют размеры вплоть до 10 микрометров, но имеются частицы с размерами до 50мкм.
Наличие в порошках частиц трех разных видов, различающихся по форме и размерам, говорит о том, что они образуются различными способами. Наночастицы из первой фракции с размерами до 40нм образуются при конденсации пара. Это подтверждается тем, что при испарении мишеней сложных составов эти частицы обогащены более легкокипящими компонентами. В отличие от наночастиц химический состав частиц в осадке совпадает с химическим составом, образующейся на поверхности мишени при ее испарении и оплавленной корки, которая оказывается обогащенной тугоплавкими компонентами. Таким образом, содержащиеся в нанопорошке частицы крупных фракций образуются при разрушении оплавленного слоя на поверхности мишени. Механизм образования крупных сферических частиц микронного размера при разрушении мишеней излучением мощных СОг-лазеров общеизвестен и подробно рассматривается в [33]. Он подразумевает образование в процессе разрушения мишени лазерным пучком значительного количества жидкого расплава в кратере и заключается в том, что плазма лазерного факела выдавливает жидкий расплав по краям кратера и разбрызгивает его. Для подтверждения этих соображений мы облучали одиночными импульсами лазера «ЛАЭРТ» с пиковой мощностью 5,8кВт и энергией 0,95Дж керамические пластины из YSZ, Nd:Y203. Мишени располагались в фокальной плоскости 107мм KCl-линзы и передвигались между импульсами так, что каждый лазерный импульс приходился на «свежий» участок поверхности мишени. Затем с помощью атомно-силового микроскопа были получены профили образованных на поверхности мишеней кратеров (рис. 3.3а). Для мишеней обоих типов форма образованных при испарении мишеней кратеров представляется в виде двух объединенных перемычкой углублений. Такой профиль кратера на поверхности мишени отвечает форме распределения интенсивности лазерного излучения в фокусе линзы. Это подтверждается результатами измерения распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости КО линзы с фокусным расстоянием 250мм, полученным с помощью пироэлектрической камеры «Pyrocam III».
На рисунке 3.3а видно, что по краям кратера имеется бруствер высотой «Юмкм. Его наличие подтверждает наши предположения о выдавливании жидкого расплава из кратера давлением пара. Была рассчитана масса испаренного и разбрызганного материала одним лазерным импульсом, которая оказалась равной 12мкг. При частоте следования импульсов 500Гц масса вынесенного материала будет равной 21,6г/час, что примерно соответствует достигнутой производительности синтеза наночастиц из этого материала.
Частицы неправильной формы с размерами 1+50мкм очевидно являются осколками мишени. Наиболее крупные осколки размерами в сотни микрометров и более осаждаются в самой испарительной камере, а также в циклоне. Однако причины и момент их образования не вполне ясны и будут исследоваться ниже.
Удивительным и впервые зафиксированным фактом является то, что в одинаковых условиях синтеза распределения наночастиц по размерам в порошках из материалов с различными теплофизическими свойствами (Ш:УгОз, YSZ и CeojsGdo Cb-a) практически совпадают друг с другом (рис.3.4). Особенно большие различия в температурах кипения имеют СеОг и Y2O3. Средние арифметические размеры наночастиц из этих материалов также почти одинаковы и заключаются в диапазоне 10-П4нм.
Исследование разлета лазерного факела при испарении оксидных мишеней из YSZ и шихты Nd: YAG
Исследования динамики разлета лазерного факела методами скоростной киносъемки и теневого фотографирования проводились с помощью описанных в Главе 2 экспериментальных стендов. Во всех случаях лазерный луч направлялся на мишень под углом 45 к нормали и фокусировался на ее поверхности с помощью линзы из хлористого калия с фокусным расстоянием 107мм в овальное пятно размерами 0,9x0,75мм. Импульсно-периодический СОг-лазер «ЛАЭРТ» работал в режиме одиночных импульсов излучения и задержке между импульсами самостоятельного разряда при накачке активной среды 90мкс. Энергия импульса излучения варьировалась от 0,16Дж до 1,3 Дж. При этом пиковая импульсов мощность заключалась в диапазоне 1,5+8 кВт, а плотность пиковой мощности лазерного излучения на мишени равнялась 0,27+1,4 МВт/см .
Теневое фотографирование позволяет исследовать также и несветящиеся в видимом свете области лазерного факела. В отличие от скоростной киносъемки при теневом фотографировании можно было получить только один снимок за импульс лазерного излучения. Поэтому для того, чтобы выявить динамику несветящихся зон факела и обеспечить повторяемость результатов с помощью фотоумножителя ФЭК-22 и осциллографа дополнительно контролировалось интегральное свечение лазерной плазмы. Отбирались только те теневые фотографии, которым соответствовали одинаковые сигналы с ФЭК-22. При почти одинаковых энергетических параметрах импульса излучения при испарении мишеней данные, полученные в ходе скоростной киносъемки лазерного факела, можно сопоставлять с теневыми снимками, сделанными примерно с теми же временными задержками относительномомента появления лазерного факела.
Мишени из YSZ и шихты Nd:YAG изготавливались по той же методике, что и мишени использующиеся для получения наночастиц. Выбор этих материалов в качестве мишеней обусловлен тем, что YSZ находит широкое применение для создания топливных элементов на твердых растворах, a Nd:YAG - для создания прозрачных керамик -активных элементов твердотельных лазеров.
Несмотря на то, что излучение падало на мишень под углом в 45, возникающий под действием лазерного излучения, факел под действием реактивной силы во всех случаях распространялся по нормали к мишени. Это говорит об отсутствии оптического пробоя в парах материала, т.к. при пробое лазерная плазма начинает распространяться по лазерному лучу [33, 80].
Установлено, что лазерный факел от YSZ-мишени появляется с существенной задержкой относительно момента появления лазерного импульса, зависящей от пиковой мощности импульса излучения, и связанной с необходимостью расплавить вещество мишени и довести его до кипения. Эта задержка зависит от мощности лазерного излучения и при пиковой мощности импульса Рі=8,0кВт задержка появления факела составляет 20мкс. С уменьшением максимальной мощности импульса до 1,5кВт задержка увеличивается до бОмкс. Одновременно увеличиваются затраты энергии для инициирования испарения мишени с 23мДж до 50мДж, что говорит о росте потерь энергии лазерного излучения на нагрев и плавление вещества.
Светящаяся часть лазерного факела (рис.4.1) имеет форму иглы. Ее начальный диаметр равный 0.5 мм оказывается несколько меньше размера лазерного пятна на поверхности мишени. Высота светящейся зоны достаточно хорошо коррелирует с мгновенной мощностью лазерного факела излучения (рис.4.2). На самом начальном этапе разлета скорость передней кромки факела при Ра5=8,0кВт достигает величины «250м/сек, однако в дальнейшем она быстро уменьшается вследствие торможения атмосферным воздуха. Во всех случаях лазерный факел достигает своей максимальной .длины 1тах, которая зависит от пиковой мощности излучения, через 20-ь30мкс после достижения максимума мощности лазерного излучения в импульсе. При максимальной мощности излучения в импульсе 6,5кВт наибольшая длина лазерного факела составляет 22 мм. В этот момент толщина светящейся области является максимальной и равна 1,8 2,0мм. С окончанием импульса лазерного излучения свечение факела исчезает.
Теневые фотографии позволяют проследить динамику всех зон факела, в том числе и несветящихся. На переднем фронте лазерного импульса факел так же, как и его светящаяся область, имеет форму простого столба. Передний край лазерного факела распространяется в воздух со скоростью «220м/с. Перед ним образуется слой сжатого воздуха, что приводит к образованию слабой ударной волны. С того момента как мгновенная мощность лазерного импульса начинает уменьшаться факел приобретает сложную вихреобразную форму. На расстоянии 4мм от поверхности мишени начинает формироваться состоящее из множества вихревых образований облако, которое соединяется с поверхностью мишени прямым столбом и постепенно отдаляется от мишени, увеличиваясь в объеме. Несмотря на то, что видимое свечение лазерного факела длиться только «400мкс его теневое изображение регистрируется вплоть до 15мс после начала испарения мишени. За это время пар конденсируется, а наночастицы успевают рассеяться в воздухе. Однако остается непонятным на каком расстоянии от мишени начинается конденсация пара. Чтобы это выяснить было предпринято спектральное исследование видимого свечения лазерного факела [78].
Результаты аппроксимации газовой температуры Тр и параметра А от представлены на рисунке 4.36. Лазерная плазма является наиболее горячей вблизи мишени (рис.4.36), где температура электронов достигает «ЮкК, а температура тяжелых частиц равная 4,6кК оказывается приблизительно равной температуре кипения наиболее тугоплавкой компоненты YSZ (Y2O3). По мере удаления от поверхности мишени плазма остывает и па расстоянии 5-н8мм ее температура достигает локального минимума, где Тр равна «3,1 кК. Затем следует небольшой рост газовой температуры и на расстоянии от мишени 12мм она достигает величины 3,7кК. Этот рост температуры может быть обусловлен только выделением энергии сублимации при конденсации наночастиц, которая начинается на расстоянии «5мм, где температура достигает своего локального минимума. Таким образом светящаяся область лазерного факела, возникающего при испарении мишени из YSZ, является слабо неравновесной плазмой.
Расстояние от мишени «5-гбмм, на котором согласно спектральным исследованиям начинается конденсация пара в лазерном факеле, удивительно совпадает с расстоянием, на котором согласно данным теневой съемки лазерного факела начинается образование вихревых облаков. Очевидно, что эти вихревые образования окружают области интенсивной конденсации пара, где вследствие резкого падения концентрации частиц пара происходит его перемешивание с воздухом. Это способствует быстрому охлаждению пара и отводу выделяющейся энергии сублимации, что существенно облегчает конденсацию пара [2, 50].
Начиная с момента времени 844мкс, вплоть до 5мс на теневых фотографиях (рис.4.1) видны прямолинейные полосы, начинающиеся в устье лазерного кратера. Обработка значительного количества подобных фотографий позволила более точно установить наиболее раннее время появления подобных полос, оно составляет « бООмкс. По нашему мнению, такие темные полосы являются треками крупных частиц размерами в десятки и сотни микрометров, вылетающих из устья кратера. Большая часть осколков таких размеров не захватывается потоком воздуха и осаждается в испарительной камере из-за большой массы.
