Введение к работе
Актуальность темы. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований эмиссионных спектров плазменного факела, генерируемого лазерными импульсами различной временной формы на поверхности твердых мишеней в условиях расположения мишени в газовой атмосфере при различных давлениях. В настоящее время существует широкий круг задач, для решения которых используется плазма, образующаяся при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом мишени. При этом, в зависимости от конкретной прикладной задачи, для возбуждения плазменного факела могут быть использованы лазерные импульсы с различной длиной волны, энергией, длительностью и формой импульса, а разлет эрозионного вещества мишени может осуществляться как в условиях вакуума, так и в буферный газ [1 -4]. Для определения параметров лабораторной лазерной плазмы возможно использование различных контактных и дистанционных методов диагностики плазмы (в частности, применение магнитных зондов разной формы), однако предпочтение, когда это представляется возможным, отдается бесконтактным спектральным методам диагностики, позволяющим определять целый ряд термодинамических параметров плазмы. Наряду с неоспоримыми достоинствами метода диагностики плазмы с использованием эмиссионных спектров существуют несколько факторов, ограничішающих в ряде случаев его информативность. Так, для корректной оценки электронной температуры в плазме необходимо осуществить правильный выбор модели, описывающей исследуемую плазму. В настоящее время большинство реализуемых плазменных состояний могут быть описаны с точки зрения следующих моделей: локального термодинамического равновесия (ЛТР), корональной модели и столкновительно-излуча-тельной модели. Особый практический интерес представляет ЛТР-плазма, поскольку количественная диагностика плазмы, подчиняющейся корональной или столкновительно-излучательной модели с использованием измерен-
ных значений интенсивностей и контуров эмиссионных линий, часто затруднена тем, что требует знания различных сечений атомов и ионов для процессов, протекающих в плазме: возбуждение уровня электронным ударом, излучательной рекомбинации, ионизации электронным ударом и др. Определение величин этих сечений представляет сложную квантовомехани-ческую задачу, удовлетворительно решенную лишь для атома водорода и водородоподобных ионов. Выполнимость модели ЛТР позволяет использовать спектроскопические методы для измерения параметров лазерной плазмы, в частности, использовать интенсивности эмиссионных линий различных элементов в плазменном факеле для оценки ее температуры. Однако, в ряде случаев температура, определенная таким способом по различным парам эмиссионных линий, имеет значительный разброс, что может быть вызвано либо неучтенным самопоглощением в плазме или отступлением плазмы от ЛТР. Поэтому актуальным является поиск таких методов определения основных термодинамических параметров плазмы, которые не требовали бы априорной выполнимости критериев ЛІТ для рассматриваемой плазмы. В данной работе анализ состояния плазмы проведен на основе измерения параметров квадратичного эффекта Штарка (уширения и сдвига центров линий) эмиссионных линий А1 и Mg.
Другая задача данной работы была связана с изучением влияния давления буферного газа, в котором осуществляется разлет эрозионного материала лазерной плазмы, на формирование ее эмиссионного спектра. Одна из причин актуальности такого экспериментального исследования вызвана применением лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) на жидких и твердых мишенях в условиях нормальной атмосферы. В последнее время большое число экспериментальных исследований посвящено разработке этого метода (в англоязычной научной литературе именуемого Laser-Induced Breakdown Spectroscopy - LIBS), применяемого для проведения элементного анализа вещества. Использование метода лазерной искровой спектроскопии для определения содержания примесей некоторых тяжелых металлов имеет предел обнаружения последних вплоть до 10"3 - 10'2 %, причем основными
достоинствами этого метода являются его оперативность и возможность проведения элементного анализа in situ. Регистрация эмиссионных спектров лазерной плазмы проводится в условиях нормальной атмосферы без предварительной подготовки мишеней. При возбуждении плазмы на поверхности мишени, расположенной в газовой атмосфере, в эмиссионном спектре лазерной плазмы возникает ряд особенностей, по сравнению с плазмой, получаемой в условиях вакуума [5]. Эти особенности могут существенно повлиять на результаты эксперимента при использовании лазерной искровой спектроскопии в натурных условиях. В связи с этим представляется актуальным исследование спектральных характеристик плазменного факела, генерируемого лазерным излучением на поверхности твердых тел при различных давлениях окружающего газа и лазерными импульсами различной временной формы.
В связи с вьппесказаїшьгм, представляется актуальным проведение экспериментальных исследований особенностей эмиссионных спектров лазерной плазмы при генерации последней лазерными импульсами различной формы; в частности, исследование механизмов, приводящих к уширению резонансных переходов в плазме. Для того, чтобы максимально реализовать чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии, необходимо соответственным образом выбрать эмиссионную линию исследуемого элемента для регистрации. Обычно выбирается наиболее интенсивная линия, проявляющаяся в спектре при искровом способе возбуждения. В большинстве случаев наиболее интенсивными эмиссионными линиями в тех спектральных участках, которые доступны для регистрации обычными методами, являются резонансные линии соответствующих элементов. При размещении мишени в газовой атмосфере интенсивность эмиссионных линий возрастает. Возрастает и контраст линий, несмотря на то, что наблюдается рост интенсивности непрерывного спектра. Однако, наряду с возрастанием интенсивности линий, в нормальной атмосфере происходит и возрастание полуширины эмиссионной линии. В связи с чем, вопрос о величинах полуширин линий, выбранных для регистрации, и
механизмах взаимодействия частиц в плазме, приводящих к уширению линий, является важным с точки зрения исследования условий, при которых возможно реализовать максимальную чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии.
Учитывая прикладную важность модели ЛТР в плазме, представляется актуальной экспериментальная проверка тех критериев, которые определяют выполнимость данной модели в плазме, генерируемой лазерными импульсами с различными энергетическими и временными параметрами. В настоящей работе рассмотрены случаи возбуждения плазменного факела одним гигантским импульсом и лазерным импульсом сложной временной формы, представляющим собой несколько импульсов модулированной добротности на фоне свободной генерации. Для определения основных параметров плазмы использовались методы, не требующие априорного предположения о наличии больцмановского распределения.
Цель работы. Экспериментальное исследование влияния давления буферного газа на основные характеристики эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой лазерным импульсом на поверхности твердых мишеней. Получение зависимостей параметров штарк-эффекта (уширения и сдвига эмиссионных линий) от давления буферного газа. Реализация метода диагностики лазерной плазмы (определение электронной плотности и температуры) с использованием одновременной регистрации упшрений и сдвигов эмиссионных линий, соответствующих квадратичному эффекту Штарка.
Исследование вклада различных механизмов уширения резонансных линий плазмы, генерируемой лазерными импульсами различной временной формы на поверхности твердых мишеней, расположенных в условиях окружающей атмосферы.
Проверка выполнимости критериев ЛТР в плазме, с использованием экспериментальных методов определения ее основных параметров, не требующих априорного предположения о существовании ЛТР в исследуемой плазме. Как для случая возбуждения плазменного факела одним гигантским
импульсом, так и для случая возбуждения лазерным импульсом сложной временной формы, представляющим собой несколько импульсов модулированной добротности на фоне свободной генерации.
Научная новизна работы определяется теми экспериментальными результатами, которые получены при исследовании особенностей формирования эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой на поверхности мишеней, расположенных в газовой атмосфере при различных давлениях, лазерными импульсами с различной энергетикой и длительностью.
Впервые была исследована зависимость параметров квадратичного штарк-эффекта в лазерной плазме от давления окружающего газа.
Предложена методика определения основных термодинамических параметров лазерной плазмы не требующая априорного выполнения ЛТР в исследуемой плазме.
Впервые исследован вклад различных механизмов определяющих уширение эмиссионных ліпній лазерной плазмы при возбуждении оптического пробоя на поверхности мишеней лазерными импульсами различной временной формы.
Проведена оценка выполнимости критериев ЛТР для лазерной плазмы, генерируемой на поверхности твердых мишеней, расположенных в газовой атмосфере, при возбуждении эмиссионных спектров лазерными импульсами различной временной формы.
Практическая значимость работы определяется следующим:
Предложенный метод определения основных термодинамических параметров лазерной плазмы по характеристикам штарк-эффекта эмиссионных линий значительно расширяет возможности спектроскопического метода для диагностики состояния плазмы, поскольку не требует априорного предположения о выполнимости критерію ЛТР для исследуемой плазмы.
Результаты, полученные при исследовании зависимости параметров эмиссионных линий плазмы от давления буферного газа, позволяют выбрать
оптимальные условия для получения максимального контраста регистрируемых эмиссионных линий на фоне широкополосного рекомбинационного излучения лазерной плазмы. Это имеет принципиальное значение для увеличения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии по обнаружению следов элементов.
Проведенные оценки выполнимости критериев ЛТР для лазерных плазм, генерируемых лазерными импульсами различной временной формы, имеют практическое значение при выборе параметров лазерного излучения для решения широкого круга прикладных задач, с использованием метода лазерной искровой спектроскопии.
Результаты, полученные при исследовании различных механизмов уширения спектральных линий в лазерной плазме, позволяют проводить выделения резонансного уширения и осуществлять измерение плотности нейтральных атомов по величине резонансного уширения атомных линий.
Результаты, полученные в данной работе, использовались при выполнении гранта РФФИ № 96 - 02 - 19172 "Экспериментальные исследования механизма лазерного диэлектрического пробоя в жидкости", а также при выполнении проекта "Вестпак" программы Мировой океан в 1998 - 1999 гт.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
31st European Group for Atomic Spectroscopy Conference. Marseille, France, 1999;
16* International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. Moscow, 1998;
11th APS Topical Conference on Atomic Processes in Plasmas. Auburn, USA, 1998;
Региональная конференция по физике. Владивосток, 1999;
XLVII Молодежной научно-технической конференции. Владивосток, 1999;
V Всероссийская конференция студентов-физиков. Екатеринбург, 1999;
Региональная конференция по физике. Владивосток, 1998;
Региональная естественнонаучная конференция. Владивосток, 1997;
Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в одиннадцати работах.
Структура в объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 95 страницах машинописного текста, включая 25 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 68 наименований.
Зарегистрирован рост полуширины и сдвига эмиссионных линий лазерной плазмы, отвечающих квадратичному эффекту Штарка, с увеличением давления окружающего газа, который объясняется более интенсивным при повышении давления газа вокруг мишени разогревающим и ионизирующим действием ударной волны, формирующейся на фашще разлета эрозионного материала мишени и газовой атмосферы.
Предложен и реализован новый метод определения электронной температуры и плотности плазмы, возбуждаемой лазерными импульсами с энергией 0,4 - 0,6 Дж, с использованием зарегистрированных значений штарковских полуширин и сдвигов эмиссионных линий без априорного требования о наличии ЛТР в лазерной плазме.
Для лазерной плазмы, возбуждаемой импульсами различной временной формы с энергией не превышающей 1 Дж, атомы заселены по энергетическим уровням в соответствии с больцмановским распределением. Уже для однократно заряженных ионов наблюдается отступление от больц-мановского закона распределения ионов по энергетическим уровням. Лазерная плазма в данном случае оказывается менее ионизованной, чем предсказывает уравнение Саха.
