Формирование аэрозолей с помощью мощного лазерного импульса

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО  «Алтайский Государственный Университет» 

Физико-технический  факультет 

Кафедра общей физики 
 

Формирование  аэрозолей с помощью мощного  лазерного импульса

(Квалификационная  работа на соискание степени бакалавра физических наук) 

Выполнила студентка

4 курса, 543 группы

Лактионовой А.Ю. 

(подпись)

Научный руководитель

к.ф.-м. н., доцент

Соломатин К.В.

(подпись)

Барнаул 2008

      РЕФЕРАТ

     Данная  работа посвящена изучению вопроса формирования и роста вторичных частиц, возникающих в результате переконденсации испаренного вещества при мощном лазерном воздействии на тугоплавкие мишени.

     В ходе работы численно решены системы  уравнений газовой динамики, которые  описывают поведение парогазового облака при расширении в пустоту с учетом конденсации испаренного вещества. Рассмотрен рост зародышей новой фазы для газодинамического режима расширения в приближениях сферической симметрии и осевой симметрии. Проведена численная оценка средних размеров частиц конденсата. Показана возможность управляемого формирования вторичных аэрозолей.

     Дипломная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 48 страницах, содержит 10 рисунков и список литературы из 29 наименований.

      СОДЕРЖАНИЕ

      Введение

     Актуальность  исследований

     В наше время главной проблемой  стало загрязнение атмосферы  промышленными аэрозолями. Аэрозольные частицы имеют различные размеры, которые обеспечивают наиболее эффективное рассеяние света. Это влияет на теплообмен между атмосферой и земной поверхностью, что может приводить как к охлаждению земной поверхности в результате экранирования солнечного света, так и нагреву верхних слоев атмосферы. В связи с вышеизложенным возникает потребность исследований процессов образования и разрушения аэрозолей, их поведения при воздействии лазерного излучения при различных давлениях, так как в различных слоях атмосферы давление меняется от одной атмосферы на уровне моря до высокого вакуума на больших высотах. Различают низкий вакуум (λ/d<<1, где λ – длина свободного пробега молекул газа, d – размер молекул, характерный для каждого конкретного процесса), средний вакуум (λ/d ~1) и высокий (λ/d >>1). В обычных вакуумных установках и приборах низкому вакууму соответствуют значения давления более 100 Па, среднему вакууму – от 100 до 0,1 Па и высокому вакууму – менее 0,1 Па. Для среднего и высокого вакуума характерно испарение и отсутствие гетерогенного горения на поверхности частиц, так, как окружающая среда инертна, хотя и для низкого вакуума при развитом испарении горение на поверхности можно не учитывать.

     Одним из способов формирования аэрозоля, является воздействие мощного лазерного излучения на тугоплавкую мишень. Этот способ имеет большие преимущества по сравнению с другими. Это объясняется уникальными свойствами лазерного излучения. При работе в атмосфере широкое применение нашли лазерные системы наведения, связи, навигации, дальнометрии, зондирования. Мощное лазерное излучение используется для передачи энергии на значительные расстояния, дистанционного контроля элементного состава аэрозолей, для активных воздействий на метеорологические процессы и т.д. При работе мощных лазерных систем в атмосфере высокая концентрация энергии в пучке вызывает процессы, изменяющие начальные оптические характеристики среды, что, в свою очередь, ведет к искажению структуры лазерного пучка. При этом характер, масштабы и физические механизмы их формирования зависят как от параметров излучения, так и от характеристик среды. Так, наличие в атмосфере аэрозольных частиц, искажает характеристики распространяющегося в ней излучения и сопровождается рядом нелинейных оптических эффектов (например, теплоакустичекое воздействие, приводящее к дефокусировке пучка и изменению его формы).

     К настоящему моменту по вопросу поведения  твердого аэрозоля в поле лазерного  излучения разной мощности, проведено  много исследований. В то же время, в связи с возросшим интересом к свойствам объектов нанометрового масштаба, в настоящее время активно исследуются процессы, происходящие при лазерном воздействии на вещество на пространственных масштабах меньше длины волны. В работах [1,2] рассмотрен процесс лазерной абляции на тугоплавкую мишень. Абляция вещества сопровождается большим числом сопутствующих эффектов (конденсацией пара, диспергированием жидкой фазы и др.), многие из которых представляют технологический интерес (например, осаждение тонких пленок, получение нанокластеров).

       Литературный обзор

     При воздействии лазерного излучения низкой плотности мощности, если не учитывать горение, вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, т.е. над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно в данном случае темная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При интенсивностях излучения не превышающей 10⁸ Вт/м², процесс описания разлета парового облака хорошо описывается в диффузионном приближении, так как скорость разлета пара от испаряющейся частицы не превышает звуковой скорости для данных параметров окружающей среды [3].

     При распространении мощного лазерного  излучения (МЛИ) через аэрозольную среду происходит радиационный нагрев, горение, испарение, переконденсация, диссоциация, дробление, изменение формы, и размера частиц, ионизация аэрозольной компоненты, около частиц возникают зоны (ореолы) повышенной температуры с изменением оптических свойств среды. Однако при интенсивностях воздействующего излучения превышающего 10⁹ Вт/м² и при размерах частиц не менее 1 мм массовая скорость испаренного углерода приближается к звуковой. В этом случае диффузионное приближение, даже с учетом движения газовой смеси в окрестности частицы, становится неприменимым, и дальнейший анализ испарения частицы необходимо проводить в приближении газовой динамики. Пар в окрестности испаряющейся частицы является резко пересыщенным [4]. В этом случае должна протекать переконденсация испаренного вещества с образованием новой высокодисперсной фракции [5], что подтверждается и экспериментально [6]. Появление ядер или зародышей конденсата, на которых далее происходит конденсация избыточного количества пара, может происходить по двум схемам – гомогенной и гетерогенной, причем выбор конкретного механизма нуклеации определяется условиями задачи [7].

     Задача  о конденсации вещества в потоке парогазовой фазы исследуются довольно активно, однако в основном рассматриваются одномерные модели течения в соплах и трубах, ввиду своей прикладной значимости [8-9]. Также имеются работы по испарению плоских мишеней [10].

     Испарение с учетом переконденсации в диффузионном режиме рассматривалось в [11]. Также в условиях вакуума в работе [12] была построена модель испарения и переконденсации углеродной частицы для довзрывных режимов и решена численно и аналитически термодинамическим методом. Вопрос о результирующем вкладе высокодисперсной фракции в общее ослабление при распространении МЛИ через испаряющиеся аэрозоли и детальная динамика процесса до конца еще не прояснены и требуют помимо тщательного теоретического, также и практического рассмотрения.

     Как правило, задача взаимодействия МЛИ  с аэрозолем разбивается на три  этапа. Первый, связан с рассмотрением  динамики отдельной аэрозольной  частицы и ее параметров в поле МЛИ. Второй заключается в описании изменений среды, которые вызываются процессами, происходящими с одиночной частицей, и нахождении характеристик возмущаемой среды. Третий состоит в обобщении результатов первых двух на взаимодействие МЛИ с совокупностью частиц в приближении однократного рассеяния и отсутствия корреляции между отдельными различными частицами и нахождение физических параметров среды и переносимого через нее излучения [3-4].

     При малой длительности импульса процесс  воздействия излучения, приводящий к удалению материала с поверхности, получил в литературе название лазерной абляции[1, 2]. Этот процесс приводит формированию аэрозоля. При воздействии лазерного импульса высокой интенсивности, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и небольшая часть поверхности образца переводится в состояние светящейся плазмы. Анализ литературы по лазерной абляции позволяет выделить три отличительные(ограничительные)черты этого процесса: 1)абляция непосредственно связана с поглощением лазерной энергии в материале; 2)абляция может, в принципе, протекать в вакууме или инертной среде; 3) результатом лазерной абляции является формирование парогазового облака продуктов абляции. Исследования на масс-спектрографе выявили определенные устойчивые конфигурации молекул, и связанные с этим наиболее энергетически выгодные их числа в микрочастице (кластере). Возможности применения лазерного напыления существенным образом зависят от режима лазерного воздействия. Использование импульсного режима с ультракороткими импульсами продолжительностью порядка наносекунд, при котором большая часть времени распространения плазмы и процесс ее осаждения происходят на инерционной стадии разлета [5, 10], т.е. после окончания импульса, не всегда является удобным. Поэтому определенный интерес могут представлять режимы лазерного воздействия с большой длительностью импульса (микросекунды и более) при острой фокусировке лазерного излучения на мишень. Отметим, что процессы лазерной абляции при воздействии на мишень лазерного излучения с большой плотностью энергии достаточно подробно исследовались как в теоретических, так и в экспериментальных работах [1-2]. При этом при достаточно большой интенсивности лазерного излучения в продуктах абляции возникала ударная волна, распространяющаяся навстречу излучению, а форма плазменного облака напоминала сильно вытянутый эллипсоид с областью поглощения, находящейся в его вершине [1-3].

     В последние годы широкое применение получил метод напыления тонких пленок, основанный на импульсном лазерном испарении. Этим методом получают и обрабатывают пленки ВТСП-материалов, многослойные металлические зеркала для рентгеновского излучения, алмазоподобные углеродные и другие пленки. Лазерная абляция используется в аналитической геохимии для локального анализа вещества. Метод применяется для определения концентраций редких элементов и изотопов. Лазерная абляция также применяется для тонкой технической обработки поверхностей.

     Так как в продуктах абляции образуются частицы мелких размеров от 1 нм  до 100 нм, которые обычно называют «наночастицами». То формирование аэрозолей и наноструктур таким методом также представляет большой интерес. Еще одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Ученым уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10⁻¹¹ тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

     Все эти методы исследования показали [1,2], что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трехмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок, двумерные объекты – пленки, получаемые методами молекулярного наслаивания, методом ионного наслаивания, одномерные объекты – вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д. Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие-либо несущие матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоев.

      Целью дипломной работы является теоретическое  изучение процессов формирования вторичных  аэрозолей путем испарения тугоплавкой мишени и дальнейшей переконденсации испаренного вещества при расширении.

      Задачи  исследования:

      1. Исследование математической модели  процесса взаимодействия лазерного импульса с тугоплавкой мишенью.

      2. Исследование влияния условий взаимодействия на параметры образующихся наночастиц.

      3. Численное решение уравнений  газовой динамики, описывающих разлет  испаренного вещества.

      1. Расширение парогазового  потока при сильном  испарении

     Рассмотрим  сферическую частицу радиуса  a, свободно взвешенную в холодном неподвижном воздухе и находящуюся в поле мощного лазерного излучения. За счет радиационного нагрева частица в короткое время достигает максимальной температуры около 4000 К и начинает интенсивно испаряться, выбрасывая избыток энергии с испаренным веществом. Ввиду высокой плотности испаренного вещества мы будем описывать процесс расширения уравнениями газовой динамики, как это делается в большинстве работ по лазерному испарению [4-15].

     Для построения модели взаимодействия и  отыскания полей распределения параметров в окружающем пространстве в самом общем случае надо решать систему нелинейных газодинамических уравнений в частных производных. Данную систему, во-первых, довольно сложно корректно описать, во-вторых, решение ее без соответствующих приближений практически невозможно. Чтобы получить приемлемые результаты, необходимо ввести некоторые упрощения относительно происходящих процессов и, приняв приближенное решение за основное, рассчитать поправки на сделанные ограничения, описав их как возмущения.

     Уравнения газовой динамики, описывающее поле температур и поле парциальных давлений компонент в окрестности испаряющейся частицы, которые представляют собой законный сохранения массы, энергии и импульса, соответственно, запишем в виде:

где

     Здесь и – соответственно, концентрация и масса молекулы i-го сорта, причем i = 0 – испаренному углероду, 1 – соответствует кислороду, 2 – продуктам гетерогенной реакции выгорания частицы, 3 – нейтральной компоненте, – массовая корость газовой смеси, D – коэффициент взаимодиффузии, n – суммарная (полная) концентрация парогазовой фазы, P – давление, E – энергия единицы объема газа, T – температура, – теплоемкость -го сорта газа в рассечете на одну молекулу.

     Система уравнений записана с учетом взаимодиффузии газовых компонент и передачи тепла преимущественно за счет кондуктивного теплообмена. Коэффициенты тепломассообмена не являются константами, поскольку существенно зависят от температуры. Термодиффузия, бародиффузия и вязкость смеси не учитываются вследствие их малости.

     Практически главным упрощением модели можно  считать использование сферически-симметричного  приближения. Оно заключается в  том, что все основные величины начинают зависеть только от одной переменной: модуля радиус-вектора, проведенного из центра частицы. Это резко сокращает количество исходных уравнений и значительно облегчает нахождение и задание граничных условий.

     Существует  несколько механизмов нарушения  такого приближения. Прежде всего, это сами геометрические характеристики аэрозольных частиц – отличие формы их поверхности от сферической. Однако, судя по наблюдениям формы частиц под микроскопом на примере грубодисперсной сажи марки ПМ-100 и некоторым данным, количество частиц, имеющих резко несферичную форму, в процентном соотношении невелико. Такая несферичность может приводить к фрагментации частиц при сильном нагреве вследствие неравномерности температурного поля. Фрагментация может вызываться также наличием полостей внутри частиц, высоким содержанием в них летучих примесей и неоднородностью химического состава.

     Имеет место даже мнение, и не без оснований, что вследствие фрагментации использование приближения сферической симметрии в данной задаче невозможно. Однако опытным путем было установлено (в результате съемки на скоростную кинокамеру типа ПУСК-16 и измерения оптической плотности расширяющегося парогазового облака), что раскалывание частиц происходит не чаще, чем их длительное стационарное испарение и/или горение. В работе [20]  показаны кинограммы полученные в лаборатории, в которых видно, что процессы испарения и разлета вещества происходят таким образом, что фотоснимки позволяют утверждать возможность использования сферически-симметричного приближения для данной задачи (т.е. для воздействия МЛИ на углеродистые частицы).

     Вторым приближением является допущение квазистационарности процессов испарения и разлета испаренного вещества от поверхности аэрозольной частицы. Оно достаточно хорошо выполняется при воздействии непрерывным излучением и импульсным, при его достаточной длительности (не менее 1 мс). За короткое время частица нагревается до максимальной температуры и выходит на установившийся режим, в котором изменение температуры происходит значительно медленнее. Именно на эту, вторую часть взаимодействия и вводится приближение квазистационарности.

      2. Лазерная абляция вещества

     Специфика рассматриваемой ситуации заключается  в наличии острой фокусировки лазерного излучения, что предполагает быстрое схождение излучения после линзы в очень малое пятно. Конфигурация плотности лазерного излучения, напоминающая по форме сходящийся к мишени конус с возрастающей плотностью энергии, приводит к возникновению ряда особенностей. При такой геометрии у поверхности мишени плотность, излучения может достигать очень больших значений, а затем быстро убывать при удалении от нее. Это при водит к тому, что зарождающаяся у поверхности мишени ударная волна при распространении от поверхности будет все меньше поддерживаться поглощенной энергией излучения. При этом в сравнительно небольшой области плазмы у поверхности мишени достигаются максимальные значения газодинамических параметров, остальная же, большая, часть облака расширяется достаточно равномерно, образуя при соприкосновении с подложкой большую напыленную поверхность. Подогрев облака осуществляется практически в стационарном режиме, обеспечивая более длительное его существование и, следовательно, большие масштабы напыления.  Осаждаемые пленки неоднородны по толщине. Профиль толщины пленки определяется угловым распределением потока испаренного вещества, которое, в свою очередь, зависит от режима испарения и формы фокального пятна. Однако почти во всех теоретических работах расширение пара предполагалось изотермическим, что не согласуется ни с экспериментом, ни с численными расчетами. В работе рассмотрен случай адиабатического разлета пара. Однако анализ относится к частному случаю аксиально-симметричного течения пара, которое реализуется, когда фокальное пятно имеет круговую форму. В экспериментах и приложениях часто используются пучки некруговой апертурой и наклонное падение лазерного луча на мишень. В этих случаях течение пара не обладает аксиальной симметрией. Следует заметить, что начальная асимметрия парового облака не «забывается» в процессе его расширения. Напротив, форма облака на поздних стадиях разлета и профиль осаждаемой пленки как раз и определяются этой начальной асимметрией. Например, в случае эллиптического фокального пятна осажденный материал образует на подложке пятно также эллиптической формы, но с осями, повернутыми на угол 90 (так называемый «flip-over effect»). Такого рода эффекты, естественно, не могут быть объяснены в рамках осесимметричной модели.

     Отметим, что пространственная структура  парового (плазменного) факела, образованного у поверхности твердой мишени под действием наносекундного лазерного импульса, была подробно изучена экспериментально еще в 60-е годы. Было установлено, что непосредственно у поверхности мишени образуется плотное облако (n ) испаренного материала, размер которого увеличивается в течение лазерного импульса. Это увеличение размера вызвано, в основном, испарением материала мишени. Оно резко замедляется после окончания импульса. Затем видимая граница плотного облака начинает медленно смещаться обратно к поверхности из-за расширения облака в вакуум. Простая оценка показывает, что в типичных случаях такое приближение газовой динамики остается достаточно точным, пока размер облака не превышает 3-10 сантиметров. При достаточно высоких интенсивностях излучения плотное облако окружено разреженной плазменной оболочкой, внешний слой которой составляют электроны, а внутренний – ионы. Из-за относительно малой массы плазменная оболочка практически не влияет на динамику расширения плотного ядра.

     Рассмотрим  адиабатическое расширение в вакуум однокомпонентного парового облака в форме эллипсоида. Расширение описывается системой аналогичной (1-3), с заменой уравнения (3) на закон изменения энтропии

     Приближенное  решение такой задачи можно провести для случая расширения парогазового облака, если считать во всех его точках температуру одинаковой.

      3. Конденсация продуктов  разрушения

     Расширяющееся вещество при остывании начинает конденсироваться, что приводит к  образованию аэрозоля. Дисперсность частиц такого аэрозоля, их количество и спектр размеров определяется параметрами взаимодействия.

     Решение этой задачи получается путем рассмотрения двух отдельных этапов.

     Первый  заключается в решении уравнения  кинетики конденсации отдельной частицы. После отрыва от поверхности частицы происходит быстрое остывание испаренного вещества. Такое остывание приводит к значительной степени переохлаждения или перенасыщения в расширяющейся парогазовой фазе. Как следствие неизбежно должна происходить конденсация излишков пара на зародышах твердой фазы. Образование центров конденсации возможно по двум принципиально различным механизмам – гомогенному и гетерогенному. Теория протекания таких процессов имеет обширную библиографию и базируется на классических работах Фольмера, Зельдовича и др. Конденсация в облаке пара, расширяющегося в вакуум, была ранее рассмотрена в работах [1,2], где найдено влияние процессов конденсации испаренного вещества на параметры течения пара и спектра размеров конденсата.