Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Вместе с созданием и развитием мощных лазерных установок интенсивно началось изучение различных явлений, которые сопровождают взаимодействие лазерного излучения с металлами. Изучались процессы плавления и испарения мишени, динамика образования кратера и истечение паров в окружающую среду. Растущее применение лазеров в металлообрабатывающей промышленности (резка, сварка, закалка, сверление) обуславливает важность этой проблемы. В связи с этим необходимо провести исследования эрозионных лазерных факелов металлов в так называемом технологическом диапазоне плотностей мощности, который лежит в интервале 105- 108 Вт/см2, так как продукты разрушения двигаясь навстречу излучению взаимодействуют с ним, дефокусируя и поглощая его, тем самым уменьшая эффективность воздействия. Значительное влияние на транспортировку энергии лазерного излучения к обрабатываемой металлической поверхности оказывают частицы жидкокапельнои фазы, поступающие в эрозионный лазерный факел на начальной стадии воздействия. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение процессов образования этих частиц вблизи поверхности мишени, так как приповерхностные процессы могут оказывать значительное влияние па дальнейшее развитие эрозионного лазерного факела. Более глубокое изучение физических основ разрушения металлических мишеней под действием лазерного излучения умеренной интенсивность позволит создать фундаментальную базу для дальнейшей оптимизации технологических процессов и, в том числе, создании методов получения безкапельной плазмы.
Связь работы с крупными научными программами (темами).
Работа выполнялась в рамках тем республиканских программ НИР в области естественных наук: "Исследовать кинетические и радиационные характеристики неравновесной многозарядной плазмы и двухфазных эрозионных потоков" (№ гос. per. 019149114), "Исследовать динамику приповерхностных явлений лазерных эрозионных факелов" (№ гос. per. 19961.229) и по программе Фонда фундаментальных исследований "Динамика продуктов эрозии в приповерхностной зоне металлических мишеней при воздействии импульсного лазерного излучения".
Цель и задачи диссертационной работы состоят в установлении закономерностей в динамике формирования частиц жидкокапельнои фазы эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне мише-
ни, а также в выяснении возможностей управления параметрами и составом эрозионных лазерных факелов металлов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Адаптация методики зондирования эрозионных лазерных факелов металлов к исследованиям вблизи поверхности мишени (0,1 -1,5 мм от поверхности).
-
Исследование характеристик эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне.
-
Исследование начала образования частиц жидкокапельной фазы.
-
Определение условий воздействия лазерного излучения с целью управления параметрами эрозионных лазерных факелов, а также получения эрозионной плазмы с минимальным содержанием капель.
Объектом исследования в работе является эрозионный лазерный факел металлических мишеней; предмет исследования - динамика жидкокапельной фазы материала мишени в приповерхностной зоне эрозионного лазерного факела.
Методология и методы проведенного исследования. В работе экспериментально исследуются физические процессы в приповерхностной зоне эрозионного лазерного факела методом поперечного лазерного зондирования.
Научная новизна полученных результатов:
-
Экспериментально определены пространственно-временные распределения размеров и концентраций частиц жидкокапельной фазы материала металлических мишеней, поступающих в эрозионный плазменный факел за счет объемного парообразования. Использованием мишеней специальной формы это удалось сделать для расстояний от поверхности мишени вплоть до 0,1 мм.
-
Впервые экспериментально обнаружено дробление частиц жидкокапельной фазы материала металлической мишени на расстояниях меньших 1,5 мм от ее поверхности.
-
Определены временные задержки появления в плазменном факеле мелкодисперсных частиц жидкокапельной фазы материала мишени благодаря использованию лазерной методики определения размеров и концентрации этих частиц, адаптированной к условиям лазерного зондирования в приповерхностной области.
-
Экспериментально показано, что в эрозионных лазерных факелах, помещенных во внешнее электрическое поле, с увеличением напряженности этого поля диаметр частиц жидкокапельной фазы уменьшается.
5. Экспериментальными исследованиями кинетики частиц конденсированной фазы эрозионных факелов в скрещенных лазерных пучках показано, что воздействием излучения вспомогательного лазера можно эффективно управлять параметрами частиц жидкокапельной фазы и, тем самым, параметрами самих эрозионных лазерных потоков. Показано, что для этого требуются меньшие плотности мощности, чем воздействующего излучения, а для частиц, сформированных за счет объемного парообразования, существенно более низкие.
Практическая значимость полученных результатов.
Результаты исследований динамики эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне важны для построения теоретических моделей плазмодинамической картины, формирующейся при разрушении металлов под действием излучения неодимового лазера с плотностями мощностей 10s -108 Вт/см2, и для оптимизации режимов лазерной обработки металлов. Результаты экспериментов по доиспаре-нию частиц вспомогательным лазером и исследования эрозионного факела во внешнем электрическом поле вместе с модернизированной методикой определения диаметров и концентрации частиц продуктов разрушения мишени могут использоваться для управления и контроля параметров двухфазных эрозионных потоков, а также получения "стерильной" безкапельной плазмы.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Существуют условия, когда в приповерхностной зоне металлических мишеней происходит дробление частиц жидкокапельной фазы, поступающих в эрозионный лазерный факел за счет объемного парообразования.
-
При движении навстречу воздействующему лазерному излучению, вследствие конкуренции процессов доиспарения и дробления частиц жидкокапельной фазы материала мишени, сформированных за счет объемного парообразования, на некотором расстоянии от поверхности мишени наблюдается максимум концентрации частиц. Расстояние, на котором это происходит, зависит от материала мишени и плотности мощности воздействующего излучения.
-
Методика лазерного зондирования в приповерхностной зоне (0,1 мм от поверхности) дает возможность экспериментально определить начало формирования частиц за счет объемного парообразования, происходящей с некоторой задержкой относительно начала воздействия, которая зависит от плотности мощности воздействующего лазерного излучения, а также оптических и теплофизических характеристик исследуемого металла.
-
Предложенный метод управления параметрами и фазовым составом эрозионных лазерных факелов металлов, основанный на ис-
пользовании скрещенных лазерных пучков позволяет эффективно регулировать размеры и концентрации частиц жидкокапельной фазы в факеле вплоть до их полного исчезновения.
Личный вклад соискателя.
Вошедшие в диссертацию основные результаты опубликованных работ получены автором самостоятельно. Научный руководитель Гончаров В.К. сформулировал и поставил задачу исследований, оказывал методическую помощь при выполнении работы, принимал участие в обсуждении полученных результатов. Соавтор Концевой В.Л. оказывал помощь в реализации отдельных узлов лазерной установки. Соавтор Сметанников А.С. участвовал в разработке математической модели измерения размеров частиц и обсуждении результатов.
Апробация результатов диссертации.
Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях:
- Российской аэрозольной конференции (Москва, 1993 г.);
Научной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994 г.);
И-ой Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1995 г.);
Межгосударственной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом" (Минск, 1995 г.);
- Международном симпозиуме "Physics and diagnostics of
laboratory & astrophysical plasma" (Минск, 1996);
Научной конференции, посвященной 75-летию БГУ "Актуальные проблемы социально-гуманитарных и естественных наук" (Минск, 1996);
International Conference Nonresonant Laser-Matter Interaction (Санкт-Петербург, 1996);
Ш-ей Конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.).
Опубликованность результатов.
Основные результаты работы опубликованы в 7 статьях в научных журналах и 11 тезисах докладов на упомянутых конференциях.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 4 глав, заключения и списка литературы, состоящего из 117 наименований. Объем диссертации составляет 112 страниц, из них 29 страниц рисунков.
