РОЗДІЛ 2
ТЕХНІКА ТА МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
В даному розділі приведена методика та техніка дослідження лазерної ерозійної плазми полікристалічних сполук та їх компонент. Обгрунтовано методи дослідження та можливості подолання впливу різного роду нестаціонарностей та труднощів експерименту. Зроблено аналіз похибок експерименту при динамічних та усереднених вимірюваннях характеристик і параметрів лазерної плазми.
2.1. Експериментальна частина проведених досліджень
Наведено основні методики дослідження та можливості експериментальної установки по реєстрації випромінювання лазерного факела. Перераховано основні технічні параметри апаратури та показано можливості співставлення одержаних інтенсивностей випромінювання з різних ділянок спектра.
2.1.1. Експериментальна установка для дослідження емісійних характеристик лазерної плазми
При дослідженні лазерного факела виникає ряд труднощiв внаслідок: малого iнтервалу часу iснування та малих розмірів плазми, що вимагає застосування методiв дiагностики з високим часовим і просторовим роздiленням.
Серед існуючих методів дослідження ерозiйної лазерної плазми можливо згадати наступні: швидкiсне фотографування, яке дозволяє визначати просторовi розподiли плазми; зондова методика дозволяє визначати розподiл зарядів у просторi; iнтерферометричні вимiри дають інформацію про контур спектральних ліній; мас-спектрометрiя дозволяє одержати данi про iонний склад плазми і кiнетичну енергiю iонiв; емісійна спектроскопія дозволяє вивчити спектральний склад випромінювання, тобто елементний та по зарядностi iонiв, динамiку змiни iнтенсивностi випромінювання в часі та просторi. Всі ці методи дозволяють одержувати інформацію про характеристики та параметри ерозійного факела, зокрема останній, що дає можливiсть розрахувати концентрацію та температуру частинок плазми, час рекомбiнацiї iонiв, заселеностi енергетичних рiвнiв атомiв та iонiв, виявити особливості утворення частинок в збуджених станах.
Метод емісійної спектроскопії дає досить вичерпну iнформацiю про плазмовий факел і відрізняється високим просторовим та часовим розділенням (десяті долі міліметра, декілька наносекунд), хоча вiн обмежений умовою оптично тонкої плазми, тобто вiдсутнiстю поглинання на частотi випромiнювання і потребує ретельного підбору умов експерименту.
Блок-схема експериментальної установки для дослiдження оптичних та часових характеристик випромiнювання лазерної плазми приведена на рис. 2.1. В якостi джерела лазерного випромiнювання використовувався iмпульсно-перiодичний неодимовий лазер, який працює в режимi модульованої добротностi. Активним середовищем лазера є матриця (кристал iтрiй-алюмiнiєвого гранату Y3Al5O12), в яку вживлено активнi центри Nd3+.
Модуляцiя добротностi досягається за допомогою комiрки Керра (змiна площини поляризацiї пiд впливом прикладеної напруги). Тодi енергiя накачування накопичується на верхньому лазерному рiвнi, не випромiнюється, але через кiнцевi часи життя ця енергiя фiксована. Якщо тепер ввести дзеркала то пройде швидке вмикання добротностi i дiстанемо один потужний iмпульс генерацiї. Даний лазер "ЛТИПЧ-5" для роботи потребує блок живлення ксенонової лампи (МИЛ-31 БР-1) та модулятора (МГИН-5). Частота повторення iмпульсiв генерацiї лазера складала 12 Гц, довжина хвилi генерацiї 1,06 мкм, тривалiсть iмпульсiв генерацiї на половині висоти - 20 нс. Лазерне випромiнювання фокусувалось лiнзою F = 50 см в пляму дiаметром 0,4 - 0,5 мм, що дозволяло одержати питому потужнiсть (3 - 5) ? 108 Вт/см2.
Для юстування Nd-лазера використовувався He-Ne лазер "ЛГН-207Б", а для контролю потужностi випромiнювання прилад "ИМО-2". Енергiя незфокусованого лазерного променя в iмпульсi досягала 20 - 50 мДж.
Рис. 2.1. Блок-схема експериментальної установки для дослiдження лазерної плазми та осцилограма лазерного імпульсу. На блок-схемі показано: 1 - неодимовий лазер, 2 - збиральна лiнза, 3 - свiтлофiльтр, 4 - поворотна призма, 5 - вакуумна камера, 6 - мiшень, 7 - кварцове вiкно, 8 - ерозiйний факел, 9 - збиральна лiнза, 10 - вхiдна щiлина монохроматора, 11 - монохроматор, 12 - фотопомножувач, 13 - реєструючий пристрiй, 14 - система вiдкачування, 15 - вентиль системи вiдкачування.
Зфокусоване лазерне випромiнювання проходило через свiтлофiльтр та за допомогою поворотної призми направлялося на мiшень, яка знаходилася в фокусi збираючої лiнзи. Свiтлофiльтр пропускав випромiнювання лазера та не пропускав випромiнювання ксенонової лампи. В вакуумнiй камерi, куди випромiнювання лазера, осцилограма інтенсивності якого показана на рис. 2.1, вводилось через кварцове вiкно, залишковий тиск повiтря складав 3-12 Па.
Мiшень знаходилася пiд кутом 60° до напрямку поширення лазерного променя в спецiальному рухомому зажимi, що був прикрiплений до верхньої стiнки камери. Внаслідок властивості лазерного ерозійного факела орієнтуватись при розльоті перпендикулярно до поверхні мішені, а також внаслідок можливості незначного відхилення від цього напрямку випромінюючої частини плазми ближче до лазерного променя відбір випромінювання проводився під кутом 30° до поверхні мішені. Вибір таких умов відбору випромінювання зумовлений нагріванням плазмової хмарки, що утворюється, заднім фронтом лазерного імпульсу [96], необхіднстю наближення умов одержання плазми до технологічних, потребою уникати забруднення вікон.
Вакуумну камеру виготовлено із труби з нержавiючої сталi (10 мм - товщина) зовнiшнiм дiаметром 290 мм. Довжина труби рiвна 270 мм, а з флянцями 300 мм. На камерi встановлено кран для вiдкачування газу та вакуумне з'єднання для пiдключення іонізаційно-термопарного вакууметра "ВИТ-2". До вакуумної системи відкачування входить форвакуумний насос "НВР-5Д".
Реєстрацiя оптичних та часових характеристик випромiнювання лазерної плазми проводилася за трьома каналами:
- монохроматор "МДР-2", фотопомножувач "ФЕУ-106", самописець "КСП-4";
- "МДР-2", фотопомножувач "ФОТОН", осцилограф "С1-99";
- "МДР-2", електронний лiнiйний помножувач
- Київ+380960830922