Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Лазерная обработка различных материалов - современная отрасль промышленности, значение которой с развитием современных технологий становится все более актуальной. В то же время, недостаточная изученность физических процессов, происходящих при взаимодействии оптического излучения с веществом, не позволяет эффективно и наиболее оптимально использовать возможности такой обработки.
Применяемые в технологических процессах плотности мощности лазерного излучения лежат в диапазоне 0,1-100 МВт/см2. При таких плотностях мощности в образующемся при воздействии на металлы эрозионном факеле кроме плазмы и паров присутствует жидкокапельная фаза материала мишени, существенно влияющая на оптические параметры эрозионного факела. Исследование экранировки поверхности мишени частицами конденсированной фазы проводились ранее, в основном, для режима свободной генерации. Характерное для этого режима хаотическое распределение во времени и пространстве энергии лазерного излучения, не позволяет получить точные количественные характеристики воздействующего излучения, а, следовательно, определить влияние этих характеристик на образование частиц жидкокапельной фазы материала мишени.
Без детального знания состава продуктов эрозии, механизмов и условий, влияющих на их образование, невозможно наиболее полно реализовать возможности применения лазеров в научных исследованиях и в технологических процессах. Исходя из вышесказанного актуальным с научной и технической точки зрения является комплексное изучение состава и парамеїров эрозионных факелов различных металлических мишеней при воздействии на них импульса лазерного излучения с одной стороны "идеальной" формы, т.е. формы близкой к прямоугольной, с равномерным распределением энергии в пространстве и времени, с другой стороны выястгать степень влияния на характеристики эрозионного плазменного факела формы воздействующего импульса.
Связь работы с крупными программами (темами).
Данная работа проводилась в рамках Всесоюзных и республиканских целевых комплексных программ по изучению взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, госбюджетных тем под общим шифром "Плазма", финансируемых Министерством образования Республики Беларусь.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является выявление влияния пространственно-временной неоднородности лазерного излучения на образование частиц в эрозионном
плазменном факеле. Для выполнения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
создание лазерной установки, генерирующей в микросекундном диапазоне импульсы излучения по форме близкие к прямоугольной, с возможностью регулирования их временных и пространственных параметров;
выяснение влияния различных факторов на поглощение и рассеяние лазерного излучения в продуктах эрозии;
изучение влияния энергетических и пространственно-временных параметров лазерного излучения на процессы образования конденсированной фазы материала мишени в плазменном факеле;
определение приоритетности факторов, способствующих образованию мелкодисперсной конденсированной фазы материала мишени в плазменном факеле;
-исследование пространственно-временного распределения жидкокапельных частиц в продуктах эрозии.
Научная новизна полученных результатов.
В данной работе впервые был получен и использован лазерный импульс большой энергии, имеющий форму близкую к прямоугольной, с возможностью управления его пространственно-временными параметрами, что позволило выяснить влияние пространственно-временных неоднородностеи воздействующего излучения на процессы образования жидкокапельной фазы материала мишени в лазерных эрозионных плазменных факелах. Благодаря этому;
определено влияние параметров воздействующего лазерного импульса на оптические характеристики эрозионных плазменных факелов. Экспериментально измерены пороги появления рассеяния и поглощения на частицах жидкокапельной фазы для различных металлов, а также пороги появления вспышек поглощения в плазме для легкоплавких металлов. Показано, что плотность мощности воздействующего излучения существенно влияет на время задержки образования жидких капель и их размеры;
при воздействии на металлическую мишень серии прямоугольных импульсов обнаружен "накопительный" механизм образования частиц, заключающийся в увеличении их концентрации в плазменном факеле за счет воздействия предыдущих импульсов;
показано, что наличие "всплеска" интенсивности в начале воздействующего лазерного импульса существенно влияет на дальнейшую динамику эрозионного плазменного факела;
показано, что диаметр образующихся при лазерном воздействии частиц слабо зависит от пространственно-временной формы лазерного импульса, но при этом, концентрация частиц тем больше, чем больше его пространственно-временная неоднородность;
экспериментально определена приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию;
- при воздействии лазерного импульса па пористые металлические мишени получены управляемые по составу двухфазные потоки. Показано, что методика определения размеров частиц с помощью лазерного зондирования достаточно надежна и позволяет контролировать размеры частиц в реальном времени их существования.
Практическая значимость полученных результатов.
Определена роль и приоритетность различных факторов, влияющих на образование мелкодисперсной жидкокапельной фазы материала мишени. Для ряда металлов экспериментально определены пороговые плотности мощности воздействующего лазерного излучения, при превышении которых продукты лазерной эрозии заметно влияют на транспортировку энергии излучения плазмообразующего лазера к поверхности мишени. Это позволяет прогнозировать и определять оптимальные режимы лазерной обработки металлов.
Экономическая значимость полученных результатов.
Полученные в диссертации результаты позволяют выбрать режим обработки металлов в зависимости от пространственно-временной неоднородности и плотности мощности падающего излучения. Используемая в диссертации методика определения размеров и концентрации частиц жидкокапельной фазы в реальном масштабе времени, может применяться в различных областях народного хозяйства, в частности, для контроля режимов сгорания топлива в теплоэлектростанциях, котельных и пр. В современных условиях, когда вопросы экологии имеют приоритетное значение, такой контроль позволят отслеживать выбросы вредных веществ в атмосферу и оперативно ре-гулировать режимы работы тепловой установки. Использование данной методики в порошковой металлургии позволит контролировать размеры частиц в процессе изготовления и формирования металлических порошков.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Режимы генерации и усиления высокоэнергетичных (до 500 Дж) лазерных импульсов прямоугольной формы регулируемой длительности (50-500 мкс).
-
Для каждого металла, при воздействии прямоугольного лазерного импульса, существует диапазон плотностей мощности падающего излучения, в котором частицы жидкокапельной фазы существенно влияют на оптические характеристики эрозионного плазменного факела. Этот диапазон определяется режимом воздействия и теп-лофизическими свойствами металла.
-
Изменение временной формы воздействующего лазерного излучения существенно влияет на динамику эрозионного плазменного факела и его экранирующие свойства - с увеличением пространственно-временной неоднородности концентрация частиц растет, а также позволяет управлять процессом формирования частиц жидкокапельной фазы в нем.
4. Приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию при воз
действии на металлы лазерного излучения, следующая: прежде всего - газы раство
ренные в металлах и пространственно-временная неоднородность воздействующего
лазерного излучения, затем, присутствие в металле различных инородных включе
ний, потом - структурные неоднородности, и наконец - взрыв метастабильной жид
кости или неустойчивость фронта испарения.
5. При изменении параметров воздействующего на пористые мишени лазерного излу
чения можно получать, а также регулировать состав и свойства двухфазных потоков
(плазма и частицы конденсированной фазы вещества).
Личный вклад соискателя.
Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Научный руководитель Гончаров В.К. сформулировал задачу исследований и принимал участие в обсуждении полученных результатов. С соавтором статей Карабанем В.И. обсуждались результаты экспериментов по зондированию и измерению параметров плазмы спектроскопическими методами. Соавтором публикаций Стасюлевич Т.В. была оказана помощь в расчетах и проведении экспериментов. Соавтор статей Пузырев М.В. принимал участие в подготовке и проведении экспериментов. Соавтором статьи Сметанниковым А.С. создана программа расчета факторов поглощения и рассеяния, которые использовалась при определении размеров частиц. Из материалов опубликованных в [1,2] совместно с Кваченком В.Г., Колесником А.В., Колесниковым В.В., Ревинским В.В., Товмасяном С.К., Чернявским А.Ф., в диссертацию вошли результаты, полученные только лично автором.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Университетском семинаре "Применение лазерной и оптоэлектронной технике в народном хозяйстве" (Минск, 1985 г.), 8 Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.), Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993 г.), Белорусско-Югославском симпозиуме по физике и диагностике лабораторной и астрофизической плазмы (Минск, 1996 г.).
Опубликованность результатов.
Результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в научных журналах и в 7 тезисах докладов на упомянутых конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 5 глав и списка литературы. Полный ее объем составляет 120 стр., из них 23 рисунка на 23 стр., и список используемых источников на 14 стр., включающий 109 наименований.
