Ionization processes at the long laser pulses influence on a carbon aerosol. Part II.pdf В работе [1] рассмотрены механизмы взаимодействия низкоэнергетических лазерных импульсов большой длительности с дисперсным углеродом в воздухе и приведены основные уравнения, описывающие процессы испарения, термоэмиссии, экзотермических реакций, протекающих при температурах более 1000 C. Проведенные оценки показали, что атомы и молекулы с высоким потенциалом ионизации (например, для углерода = 11 эВ) способствуют понижению температуры и электронной концентрации в образовавшейся плазме, атомы и молекулы с низким потенциалом ионизации (например, для оксида алюминия = 5 эВ, окиси бария ≈ 5 эВ), наоборот, повышают газовую температуру и электронную концентрацию. Изменения температуры могут достигать сотен и тысяч градусов, электронной концентрации - на порядок и более. Целью настоящей работы является экспериментальная проверка теоретических оценок и расчетов, выполненных в первой части работы, о преобладающей роли экзотермических реакций на уровень ионизации в канале лазерного пучка с длиной волны 1.06 мкм, интенсивностью ~ 105-106 Вт/см2, длительностью импульса ~ 1 мс с дисперсными частицами углерода и окиси бария, размером 10-100 мкм, концентрацией 104-106 см-3. Для процесса взаимодействия лазерного излучения с дисперсными средами запишем уравнение баланса энергии: , (1) где п.о - объем плазменного образования; P - давление; Еизл, Етепл, Еэнд - энергия, теряемая плазменным образованием за счет излучения, теплопроводности и химических реакций, протекающих с поглощением энергии; п I - общая поглощенная энергия плазменным образованием; Ен и Еэкз - энергия, выделяемая при нагреве частиц и при экзотермических реакциях. Рассмотрим случай, когда Еэкз > п I. (2) То есть при преобладании экзотермических реакций возможна ситуация, когда энергия плазменного образования может превзойти энергию лазерного импульса, затраченную на инициирование химических реакций. Для проверки утверждения о преобладающей роли экзотермических реакций в среде дисперсного углерода при воздействии длинных лазерных импульсов нами были проведены эксперименты. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Излучение импульсного лазерного источника 1 с длиной волны 1.06 мкм, диаметром пучка 45 мм, длительностью импульса 1 мс, энергией в импульсе 700-1200 Дж проходило область ионизации 9 и в дальнейшем с помощью линзы 5 и светоделительной пластины 6 попадало на измеритель энергии лазерных импульсов MLE-200 (7) и спектрограф MLE-200 (8). Для ослабления энергии падающего излучения совместно с MLE-200 использовался ослабитель, работающий в диапазоне 0.4-2.5 мкм и имеющий коэффициент ослабления до 103. Дисперсные частицы из резервуара 2 через кран 3 падают вертикально вниз и попадают в приемную кювету 4. В области взаимодействия лазерного излучения с частицами возникало плазменное образование по своим размерам превышающее диаметр лазерного пучка. Энергия лазерных импульсов контролировалась с помощью измерителя энергии лазерных импульсов MLE-200 (7). Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - Nd-лазер ГОС-1001; 2 - резервуар с дисперсными частицами; 3 - кран; 4 - кювета; 5 - фокусирующая линза; 6 - оптический делитель излучения; 7 - измеритель энергии MLE-200; 8 - спектрограф MS-200; 9 - область ионизации Газовая температура в плазме определялась [2] по относительным интенсивностям молекулярных полос излучения азота 1-й отрицательной N2+ (B2Σu + -X2Σg+) и 2-й положительной N2 (C3Пu+ - B3Пg+) систем. Концентрация частиц определялась по массовому расходу частиц, поступающих из резервуара 2 в зону взаимодействия лазерного луча с дисперсной средой. Если Мч - интегральная масса всех частиц, высыпанных из резервуара 2, - средняя масса одной частицы, - средний объем частиц, поступивших в поток, то средняя концентрация частиц определяется как . (3) Учитывая, что , , (4) получим , (5) где - средний радиус частиц; ч - плотность вещества частиц; - среднее сечение потока частиц. Так как , где - средний радиус потока частиц, тогда . (6) При значениях Мч = 200 г, = 50 мкм, ч = 2.2 г/см3, = 4 м/с, = 1.78 см, t = 4 с получим = 6.8∙105 см-3, что находится в пределах измеряемых концентраций частиц. На рис. 2 показан характерный вид плазменного образования, сформированного на частицах углерода размером 10-100 мкм и концентрацией 105 см-3 при облучении их широкоапертурным пучком излучения с энергией 1000 Дж. Плазменное образование имеет диаметр 70 мм, а время свечения 1-2 с. Измерение энергии плазменного образования Eп.о показало, что она превышает энергию лазерного импульса в 3-5 раз. Это позволяет полагать, что в процессе взаимодействия излучения со средой происходит выделение дополнительной энергии за счет инициирования цепочки экзотермических реакций, протекающих с участием ионов, возбужденных атомов, молекул углерода, кислорода, азота. Рис. 2. Общий вид плазменного образования в дисперсном углероде Эксперименты выполнены при следующих условиях: диаметр частиц а = 10-100 мкм, концентрация Nч = 104-106 см-3, энергия лазерного импульса 700-1200 Дж. Из полученных данных следует, что интенсивная ионизации при взаимодействии лазерного излучения с углеродными частицами появляется при энергии лазерного импульса 1100-1200 Дж и концентрации углеродных частиц Nч = 106 см-3. При этом средняя интенсивность лазерного излучения составила 69-75 кВт/см2, что значительно меньше интенсивности плазменных образований, которые наблюдались в работах [3, 4]. Такой результат характерен для широкоапертурных пучков, когда возможно слияние плазменных очагов в значительном объеме и соответственно возбуждение целого ряда экзотермических реакций, способствующих повышению газовой температуры. Эксперименты, выполненные со сфокусированным лазерным пучком в области углеродных дисперсных частиц при интенсивности излучения 1-1.2 МВт/см2 показали, что среднее время свечения плазменного образования уменьшается до 0.1 с, а температура - до 3500-4000 С. Аналогичные результаты были получены и для частиц BaO, обладающих потенциалом ионизации меньшим (5 эВ), чем у углерода. В этом случае температура плазменного образования также не превышала 4000 С [5, 6]. У оксида бария экзотермические процессы взаимодействия выражены гораздо слабее, чем у углерода. На рис. 3 приведены кривые изменения средней газовой температуры плазменного образования в зависимости от энергии лазерного импульса и концентрации углеродных частиц. Рис. 3. Зависимость температуры плазменного образования от энергии лазерного импульса Основными химическими реакциями с участием BaO являются: BaO + H2O Ba(OH)2 + Q (a1) BaO + CO2 BaCO3 (a2) BaO + SO3 BaSO4 (a3) BaO + 2HCl BaCl2 + H2O (a4) BaO + H2SO4 BaSO4 + H2O (a5) 2BaO+ O3 BaO2 (a6) BaO+ Mg Ba + MgO (a7) BaO+ H3 BaH2 + H2O (a8) BaO+ NH3 Ba +N2 + H2O (a9) 2BaO + CO Ba2CO3 . (a10) Из всех указанных реакций только (a1) идет со значительным выделением энергии [5]. Поэтому при лазерном воздействии на BaO преобладают процессы, связанные с ионизацией паров испаренного вещества [1]. А экзотермическия реакция (а1) способствует повышению уровня ионизации. Для дисперсного углерода наименьший порог пробоя q наблюдался при а = 80 мкм и концентрации частиц Nч = 1.6•103 см-3 и составлял 1.9 МВт/см2. Для Al2O3, например, при а = 42 мкм и концентрации частиц Nч = 2.1•103 см-3 q = 0.37 МВт/см2 [3]. Раннее было установлено [7], что интенсивность лазерного излучения для пробоя на поверхности твердого тела составляет q ~ 10 МВт/см2. Значительное снижение порога пробоя в дисперсном углероде с высокой концентрацией частиц (Nч = 106) в данном эксперименте с широкоапертурным пучком лазерного излучения указывает на развитие целого ряда экзотермических реакций в режиме коллективного пробоя, типа a1 - a15 [1]. В результате этого растет температура среды и повышается концентрация свободных электронов. Выводы 1. При протекании химических реакций в канале мощного лазерного излучения существенное повышение температуры и концентрации электронов в газе может быть достигнуто только при преимущественном развитии цепи экзотермических реакций, происходящих в широкоапертурных пучках и при концентрации частиц 105-106 см-3. 2. При воздействии широкоапертурного лазерного пучка Nd-лазера большой длительности на углеродную дисперсную среду с концентрацией частиц 106 см-3 и размером 10-100 мкм время жизни плазменного образования достигает 1-2 с, температура - 6000-7000 К, выделяющаяся при этом энергия в 3-5 раз превышает энергию лазерного импульса. 3. При взаимодействии сфокусированного лазерного пучка со средой, состоящей из частиц BaO c меньшим потенциалом ионизации, чем у углерода, время существования плазменного образования не превышает 0.1 С, а его средняя температура равна 4000 К, что говорит о меньшей химической активности этой среды по сравнению с углеродной.

Скачать электронную версию публикации