Диссертация (1102719), страница 7
Текст из файла (страница 7)
будет реализовываться ситуация кластерной мишени,возбужденной лазерным излучением, которая будет описана в §1.2. Образование облака,содержащего субмикронные частицы определяется сочетанием ряда параметров: длительностии частоты повторения лазерных импульсов, их плотностью энергии, давлением окружающегогаза и глубиной (аспектным соотношением) образованного канала [7, 83, 109, 110]. Для25формирования такого облака, содержащего кластеры, требуется частота повторения импульсов– менее 3-5 кГц (именно поэтому, при микрообработке и сверлении используют высокуючастоту повторения: облако не успевает остывать и начать конденсироваться: например, дляпикосекундных импульсов частота повторения до МГц [111]).Факт того, что при абляции и формировании микроканала возникают частицы,подтверждается работами, где приводятся тенеграммы струи аблированных частиц передмишенью3, а для оценки размера частиц проводится анализ их напыления на стенки внутриканала [112] или на подложку, размещенную перед мишенью [62, 7].
При этом, последниеметоды являются способом диагностики «post mortem» и не дают возможности оценитьплотность облака, которое нарабатывается внутри канала, а также его наличие к моментуприхода воздействующего лазерного импульса. Анализ спектра ВГ на предмет наличияголубого сдвига может являться методом диагностики наличия взвеси аблированных частицвнутри лазерно-индуцированного канала в режиме реального времени.
Кроме этого, ободнородности и плотности облака можно судить и по изображению второй гармоникилазерного излучения, сгенерированной на дне канала и отраженной назад.3Veiko V.P., Konov V.I. – Fundamentals of Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies / Konov V.I. – Springer Seriesin Materials Science. – 2014. –Vol. 195. – 322 p.26§1.2 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излученияс кластерамиИспользование в качестве мишени струи нанокластеров является перспективнымнаправлением исследований, так как такая мишень объединяет в себе свойства и преимуществатвердотельной и газообразной среды при воздействии на нее интенсивного (I>1015 Вт/см2)фемтосекундного лазерного излучения.высокоепоглощениелазерногоК преимуществам кластерной мишени относятсяизлучения,возможностьэффективнойгенерациивысокоэнергетичных ионов, нейтронов, электронов и рентгеновского излучения [10] изкластерной наноплазмы; восстановление исходных параметров мишени к каждому актувзаимодействия лазерного излучения со средой и отсутствие разлетающихся капель, которыемогут повредить оптические элементы.
Кластерная среда обладает и уникальными нелинейнооптическими свойствами. Распространение фс-лазерного излучения в кластерной средесопровождается такими нелинейными эффектами, как его филаментация [11], образованиеплазменного канала [113] и генерация гармоник излучения [12].1.2.1 Генерация и диагностика кластерного пучка при адиабатическом расширениигаза через соплоНачальные стадии формирования кластеров описываются теорией нуклеации, выдержкииз которой и кинетика образования и роста кластеров были изложены в [114, 115]. Согласноэтой теории, условием, определяющим существование или дальнейший рост кластеров,является их начальный размер.
В случае, если их размер меньше критического, топоверхностная энергия меньше объемной и такие кластеры разрушаются. В противном случаеначинается рост кластеров.Генерация кластеров может осуществляться различными методами: как было ужеизложено (глава 1, §2), с помощью лазерной абляции, а также агрегации газа, импульсныхдуговых разрядов, сверхзвукового расширения газа сквозь сопло [116, 117]. Наиболееизученным и распространенным является метод сверхзвукового расширения газа сквозьимпульсное сопло диаметром от нескольких микрон до миллиметра, использованный и вданной работе. Суть данного метода [8] состоит в том, что при звуковом истечении газа изкамеры высокого давления в вакуум, происходит его адиабатическое расширение.
В результате,температурарезко снижается до 5-10 К и газ становится перенасыщенным. Вследствиефлуктуации плотности возникает спонтанная конденсация, образуются малые кластеры и еслиих размер больше критического, то начинается их дальнейший рост. Сначала образуется27большое число кластеров. В процессе расширения газа, малые кластеры за счет коагуляцииобъединяются в более крупные. В результате, уменьшается концентрация кластеров в пучке, ноувеличивается их размер.Образование кластеров при расширении инертных газов в вакуум и их параметры былиописаны эмпирически в работах Хагены [8]. Условия для начала кластеризации в газовыхструях, которые зависят от давления газа, температуры, и параметров сопла, определяютсябезразмерным параметром («параметром Хагены») Г: d k tg 0.85p0T02.29,(1.11)где k- эмпирическая константа, зависящая от используемого газа: k=5500 для Xe, 2890 для Kr, и1650 для Ar [118], d - диаметр критического сечения сопла (в мкм), - угол полураскрывасопла, p0 - давление в камере высокого давления (в 10-3.атм), T0 - температура газа в камеревысокого давления (в К).
Так, для аргона при давлении 30 атм, комнатной температуре и соплас углом полураскрыва 5° и критическим выходным сечением 750 мкм, параметр Г≈2∙105.Экспериментально обнаружено [119], что для Г<200 - нет кластеров, формированиекластеров происходит, когда 200<Г<1000, а при Г>1000 начинают образовываться массивныекластеры, размеры которых превышают 100 атомов на кластер.Число частиц q в небольшом кластере определяется также параметром Хагены [120]:q 33 1000 2.25.(1.12)Для оценки количества атомов q в крупных кластерах (Г>1000) , данная зависимостьнемного модифицируется [121]: 1000q 100 1.8.(1.13)Поэтому, в рассмотренном выше случае (аргон при давлении 30 атм, комнатнаятемпература, сопло с углом полураскрыва 5° и критическим выходным сечением 750 мкм),когда параметр Г≈2∙105, количество атомов в кластере составит 2·106. Соответствующий размеркластера можно оценить, зная радиус Вигнера-Зейтца Rw (т.е.
эффективный объем, которыйзанимает один атом в кластере). Объем кластера пропорционален объему, соответствующемурадиусу Вигнера-Зейтца и количеству частиц в кластере,(1.14)28Т.е. радиус кластера⁄. Для атома аргона Rw составляет 2,2 Å [122]. Такимобразом, в случае, если в кластере аргона содержится 2·106 атомов, то его радиус составляетнм.Концентрация кластеров и их распределение за срезом сопла определяются геометриейсопла. Как правило, для формирования кластерного пучка, используются сопла с коническимпрофилем или сопло Лаваля (криволинейный канал с параболической образующей, имеющийцилиндрический участок перед выходным сечением) [123, 14, 8]. Сопло с коническимпрофилем имеет преимущество: распределение плотности кластеров за его срезом являетсянаиболее однородным [121].
При расширении газа сквозь сопло, кластеризации подвергается невсе атомы или молекулы газа, а только определенный их процент (как правило, в случаекластеризации аргона и криптона – 10-30% их числа) [121, 123]. Параметр, характеризующийпроцент кластеризующегося вещества называется параметром сухости он такжеопределяется параметрами сопла и слабо зависит от давления газа над соплом.
Так, в [123]приведены расчетные параметры сухости для разных давлений кластеризующегося газа: придавлении 20 атм =12%, при 40 атм =14%, при 60 атм =16%. %. В [115] для аргона, параметрсухости равен 10% для давления 40 атм.Зная параметр сухости , число атомов в кластере q , а также, определив концентрациюгаза в струе без учета кластеризации nat по газодинамическим формулам, можно оценитьконцентрацию кластеров в пучке ncl :(1.15)Таким образом, на основании предположения о 10% параметре сухости и параметреХагены можно сделать оценку среднего размера кластеров, а также их концентрации в областивзаимодействия. При распространенных в экспериментах параметрах (газ – аргон, давление20−40 атм), концентрация кластеров на выходе из сопла (~2 мм ниже среза) составляет порядка1011-1012 см−3 [121, 124].
Это соответствует расстоянию между кластерами около 2 мкм [125].Контроль кластеризации газа в эксперименте в реальном времени может осуществлятьсяразличными способами, одним из которых является метод пироэлектрического детектирования[126, 127]. Плюс этого метода заключается в простоте его использования: для детектированиякластеризации достаточно снимать сигнал с пироэлектрического приемника (ПЭП), безвведения каких-либо подвижных оптических или механических схем. Метод детектированиякластеризации с помощью пироэлектрического приемника (ПЭП) основан на измерениисигнала, индуцированного частицами, сталкивающимися с поверхностью активного элемента29приемника.
При столкновении с поверхностью ПЭП кинетическая энергия атомов или молекулпреобразуется в тепло, которое, в свою очередь трансформируется в регистрируемый сигнал.Если с пироприемником сталкивается некластеризующийся газ, то сигналположителен иописывает временную форму импульсного пучка. Если на поверхность активного элементапопадает кластер, то он диссоциирует, охлаждая ее и индуцируется отрицательный сигнал.Формирование кластеров способствует снижению положительного сигнала на ПЭП и за счетуменьшения скорости, т.е.
кинетической энергии частиц в пучке [128]. Таким образом,полярность наведенного на детекторе сигнала зависит от соотношения между полной энергией(кинетической плюс внутренней) и энергией диссоциации кластеров [126]. Чем больше энергиясвязи частиц в кластере, тем больше вероятность того, что ПЭП будет индуцироватьотрицательный сигнал. Также необходимо отметить, что из-за разности в скоростикластеризующиеся и некластеризующиеся частицы достигают пироприемника за различноевремя, в результате чего наблюдается временное разделение положительной и отрицательнойсоставляющих сигнала с ПЭП.
Сначала регистрируется положительный сигнал, вызванныйнекластеризовавшимся газом, а вслед за этим – спад амплитуды сигнала, вызванныйдиссоциацией кластеров на пироприемнике. Таким образом, чем больше расстояние междусоплом и пироприемником, тем лучше можно различать падение сигнала на ПЭП идетектировать процесс кластеризации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
