CC BY
26
УДК 535.536
Т.В. Андрухова, В.И. Букатый
Исследование дисперсности аэрозоля
после воздействия мощного лазерного излучения
Одним из важных параметров аэрозоля является его дисперсность, так как от этого зависят многие свойства различных физических процессов, как, например, эффективность распространения оптического излучения в атмосфере, транспортировка световой энергии на большие расстояния, оптические исследования с применением мощных лазеров для целей связи, локации, зондирования параметров атмосферы и т.п.
При воздействии мощного лазерного излучения (МЛИ) на поверхность образца происходили быстрый разогрев и испарение исследуемого вещества. В ряде случаев выброс продуктов разрушения происходил в виде светящейся плазменной струи. По мере увеличения энергии воздействия можно выделить три основных режима воздействия излучения на объект: 1 - свечение мишени; 2 - появление и рост факела выброса паров; 3 - активный выброс полидисперсных частиц расплава. Наличие задержки между началом генерации лазерного излучения и моментом появления пара объясняется тем, что часть энергии в начале воздействия тратится на разогрев мишени до температуры, при которой начинается интенсивное испарение вещества, и данное время можно оценить, использовав следующее выражение [1]:
где Т - температура испарения, 1 - теплопроводность, q - плотность лазерного потока, d - температуропроводность. Например, для частицы графита с начальным диаметром а0 = 850 мкм, при d = 1 /(Ср-р) (Ср - удельная теплоемкость, р - плотность вещества), 1 = 40,2 Вт/м-К, q = 2,14- 109Вт/м2, Ти = 30005000 К, х = 1,16- 10-4-3,2410-4с. ”
Высокоскоростное испарение частицы характеризуется большой неоднородностью температурного поля и значительным температурным градиентом [2-6]. После отрыва испаренного вещества от поверхности частицы происходит его быстрое остывание (такое остывание приводит к значительной степени переохлаждения или пересыщения в расширяющейся парогазовой смеси). Почти адиабатическое расширение парогазового облака
приводит к пересыщению испаренного вещества и сопровождается конденсацией излишков паровой фазы. Процесс конденсации можно разбить на два обычно непересекающихся этапа [2-4]: 1 - образование ядер конденсации, 2 - собственно сама конденсация на уже созданных поверхностях при достаточно малых значениях пересыщения. Температура поверхности существенным образом зависит от режима взаимодействия, имеет определенную временную динамику [4-6]. Измерение температуры в экспериментах проводилось с использованием цветового пирометра. Фиксировалась температура поверхности образца, находящегося в вакуумной камере с давлением окружающей среды р. При одних и тех же значениях q и р качественный характер зависимости Т(^ не менялся. Менялось лишь время протекания процесса. При увеличении q и/или уменьшении р время протекания процесса уменьшалось, время выхода температуры на максимальное значение сокращалось. Увеличение значения Т обусловлено в основном
тах ^
увеличением q, от давления р (в исследуемом диапазоне) данная величина мало зависит.
Конденсация протекает вплоть до ударного скачка (сверхзвуковой режим разлета вещества на некотором расстоянии от частицы скачком переходит в дозвуковой с образованием поверхности резкого изменения термодинамических параметров системы), после него пересыщение пара исчезает и далее разлет вещества осуществляется без обмена веществом между твердой и паровой фазами.
Для получения вторичных частиц были изготовлены таблетки таких веществ, как МаНБ04, №2Б04, №2Б03, МН4С1, диаметром не более 10 мм и толщиной ~ 8 мм. Воздействие на образцы проводилось излучением СО2-ла-зера при мощности от 75 Вт до 250 Вт и времени воздействия ~ 4 с [6].
Для оценки плотности лазерного потока излучения, при которой развитие процессов испарения значительно, можно воспользоваться соотношением [1]
где Ъ - удельная теплота испарения, р - плотность, хи - время истечения паров. При обра-
ФИЗИКА
Рис. 1. Процентное распределение вторичных частиц по размерам при взаимодействии МЛИ с веществом №2НБ04 (г~ 10 мм): а - при пониженном давлении; б - при нормальных условиях
Рис. 2. Процентное распределение вторичных частиц по размерам при взаимодействии МЛИ с веществом №2Б03 (г ~ 10 мм): а - при пониженном давлении; б - при нормальных условиях
Рис. 3. Процентное распределение вторичных частиц по размерам при взаимодействии МЛИ с веществом РЬ0 (г ~ 10 мм): а - при пониженном давлении; б - при нормальных условиях
Рис. 4. Распределение вторичных частиц по размерам, полученным при взаимодействии МЛИ с РЬ0 (г ~ 10 мм): 1 - при нормальных условиях; 2 - при пониженном давлении
Рис. 5. Распределение вторичных частиц по размерам, полученных при взаимодействии МЛИ с Ш2НБ04 (г ~ 10 мм):
1 - при пониженном давлении;
2 - при нормальных условиях
d.MKM
Рис. 6. Распределение вторичных частиц по размерам, полученным при взаимодействии МЛИ с Ыа2803 (г ~ 10 мм):
1 - при пониженном давлении;
2 - при нормальных условиях
зовании ожога на поверхности образца в форме глубокой лунки становится значительным выброс расплава. В случае образцов с относительно небольшой величиной коэффициента d выбрасываемый расплав принимает форму сферических частиц различной дисперсности в диапазоне от 0,1 мкм до долей миллиметра. В таких веществах, как ЫаИ304, ^2804, Ыа2303, N^01, наблюдались вскипание поверхности образца и выброс плазменного факела. После воздействия на РЬ0 наблюдалось ярко выраженное образование кристаллов в кратере с характерным металлическим блеском.
При проведении эксперимента на подложку собирался конденсат и вторичные частицы на различных расстояниях г от образца. Процентное распределение вторичных частиц по размерам и логнормальное распределение для некоторых указанных выше образцов веществ показаны на рисунках 1-6. Из полученных распределений видно, что для некоторых веществ спектр распределения частиц по размерам
претерпевает изменения, т.е. деформирован относительно нормального распределения. Более 70% частиц, полученных испарением при различных давлениях, попадают в интервал от
0,4 до 6 мкм. Но заметно, что для некоторых веществ при изменении давления в функции распределения частиц появляются два максимума (так как. для данных веществ более крупные частицы являются агрегированными из мелких), либо происходит уширение указанного выше интервала. Наиболее вероятной причиной разделения размеров частиц является увеличение скорости истечения паров при снижении давления и, следовательно, уменьшения вероятности встречи частиц в процессе конденсационного роста. Процесс конденсации происходит во время лазерного воздействия. Сначала идет образование из частиц длинных нитей, что характерно для частиц в сильных электрических полях, которые затем обрастают частицами. Наблюдалось образование нескольких видов частиц: частицы расплава и частицы конденсационного типа. Схема образования конденсационных частиц следующая: лазерное излучение разогревает мишень до температуры кипения, образующиеся пары стекают в виде струи в окружающее пространство. Ускорение паров до звуковой скорости происходит в тонком слое у поверхности, при этом пар резко охлаждается и переходит в неустойчивое пересыщенное состояние, которое в дальнейшем, вследствие конденсационного скачка, переходит в насыщенное. Вещество в зависимости от условий (давления и температуры) может находиться в различных формах и состояниях. При относительно низких давлениях и температурах испаренное вещество конденсируется; структура конденсата может быть периодической (чистые кристаллы) и непериодической (жидкость, аморфные твердые тела, сплавы, полимеры).
Литература
1. Пахомов А.В. Аэрозоли лазерной плазмы: Ав-тореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 1990.
2. Букатый В.И., Соломатин К.В. Моделирование и расчет параметров тепломассоореола, возникающего в окрестностях тугоплавкой частицы // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. Томск, 1997.
3. Букатый В.И., Соломатин К.В. Определение размеров вторичных частиц, возникающих в окрестности тугоплавкой частицы // Оптика атмосферы и океана: Тез. докл. Томск, 1997.
4. Букатый В.И., Куприенко Г.В., Соломатин К.В. Моделирование процессов испарения тугоплавкой
частицы и разлет испаренного вещества в атмосфере: Препринт. Барнаул, 1997.
5. Чистякова Л.К. Нелинейные эффекты при распространении интенсивных лазерных импульсов в аэрозольных средах. Экспериментальные исследования: Автореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. Томск, 2001.
6. Андрухова Т.В. Экспериментальные исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с твердым аэрозолем в условиях вакуума: Ав-тореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Барнаул, 2001.
