بخشی از مقاله
چکیده -
در آزمایش حاضر، رفتار پلاسمای سطح رویی و پشتی حاصل از برخورد باریکه لیزر با هدف نازکی از جنس آلومینیوم به ضخامت 0/05 میلیمتر، به روش سایه نگاری مطالعه شده است. برای تشکیل پلاسما از پرتو لیزر Nd:YAG به طول موج 1064 نانو متر و پهنای زمانی 30 نانو ثانیه و برای سایه نگاری پلاسما از هماهنگ دوم لیزر Nd:YAG به طول موج 532 نانو متر و پهنای زمانی 10 نانو ثانیه استفاده شده است.
تصویرهای به دست آمده تا 100 نانو ثانیه پس از برخورد پرتو برهمکنش با هدف، به کمک دوربین CCD ثبت و تحلیل شده اند. میزان پیشروی جبهه موج ضربه حاصل از انتشار پلاسما در هوا در فشار 1 اتمسفر به کمک برنامه Data Ray اندازه گیری و بیشینه سرعت انتشار موج ضربه 80 km/s برای سطح جلویی و 38 km/s برای سطح پشتی و بیشینه دمای پلاسما برای سطح جلویی24 eV و سطح پشتی هدف8 eV اندازه گیری و محاسبه شده است.
-1 مقدمه
اندرکنش لیزر با هدف های نازک، در سال های اخیر مورد توجه پژوهشگران بوده است .[1] پلاسماهای حاصل از میدان های لیزری برای مطالعه چشمه های پر شدت اشعه ایکس و فرا بنفش[ 2]، شتاب دهنده های ذرات باردار[3] و نیز در پزشکی و صنعت کاربرد دارند 4]و.[5 وجود دو پلاسمای سطح جلویی و پشتی هدف نازک، دو مشخصه متفاوت را در دو طرف هدف ایجاد می کند که در این آزمایش به بررسی آن می پردازیم.
-2 شرح آزمایش
برای انجام آزمایش، آرایش تجربی مطابق شکل - 1 - مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم شامل دو نوسانگر لیزر کاوش و برهمکنش است. نوسانگر کاوش، شامل دو آینه تمام بازتابان، سلول پاکلز، قطبی کننده گلن تامسون، اتالون و محیط فعال است، طول آن 80 سانتی متراست و پرتوهایی با پهنای زمانی 10 نانو ثانیه تولید می کند. نوسانگر برهمکنش از دو آینه، سلول پاکلز، قطبی کننده گلن تامسون و محیط فعال تشکیل شده است، طول نوسانگر برهمکنش 110 سانتی متر و پهنای زمانی پرتو آن 30 نانو ثانیه می باشد.
پرتو خروجی نوسانگر برهمکنش ازتقویت کننده ای به قطر 9 میلیمتر می گذرد، سپس وارد محفظه برهمکنش شده و با عبور از عدسی L3 به فاصله کانونی 7/5 سانتی متر، روی هدف نازک آلومینیومی به ضخامت 0/05 میلیمتر متمرکز شده و پلاسما تشکیل می شود.
پرتو کاوش از منشور گلن تامسون خارج شده و پس از عبور از بلور KTP و تولید هماهنگ دوم لیزر Nd:YAG به طول موج 532 نانو متر، به منظور افزایش قطر باریکه کاوش و پوشش دادن سطح بیشتری از پلاسما ی تولید شده، به طرف پرتو گستر هدایت می شود، سپس وارد محفظه برهمکنش شده و به گونه ای تنظیم می شود که از میان پلاسمای سطح جلویی و پشتی عبور کرده، با گذر از عدسی 4 Lروی دوربین CCD متمرکز شود. هدف، داخل محفظه برهمکنش به مکانیزم موتوریزه ای متصل است که توانایی جا به جا شدن دارد و با حرکت های افقی و عمودی خود، فضاهای جدیدی برای برخورد پرتو برهمکنش با هدف ایجاد می کند.
از دستگاه تاخیر دهنده زمانی برای ایجاد فاصله زمانی بین پرتو برهمکنش و کاوش استفاده شده است، که علاوه بر این، وظیفه تحریک نوسانگرهای برهمکنش، کاوش، تقویت کننده و سوئیچ Q را نیز به عهده دارد. به کمک تیغه نمونه بردار، بخش کوچکی از پرتوهای کاوش و برهمکنش به فوتودایود فرستاده می شود و سیگنال های مربوط به آن ها روی اسیلوسکوپ مشاهده می شود. دوربین CCD به رایانه ای متصل است که به کمک برنامه Data Ray تصویرهای دریافتی را تحلیل می کند.
شکل : 1 آرایش تجربی استفاده شده برای انجام سایه نگاری از هدف نازک و تشکیل پلاسمای سطح جلویی و پشتی
-3 تحلیل داده ها
پس از ثبت تصاویر سایه نگاری به وسیله دوربین CCD، با کمک نرم افزار Data Ray، میزان پیشروی جبهه موج ضربه سطح جلویی و پشتی در هر تصویر اندازه گرفته می شود. برای به دست آوردن فاصله طی شده به وسیله موج ضربه، روی سایه تشکیل شده، دو نقطه در هر دو سمت هدف پیدا می کنیم، اختلاف این دو نقطه، میزان فاصله طی شده را مشخص می کند، نقطه ابتدایی را روی سطح هدف و نقطه انتهایی را در لبه پایانی موج ضربه در نظر می گیریم. با داشتن فاصله زمانی ثبت تصویر نسبت به تشکیل موج پلاسما، سرعت انتشار موج به دست می آید. پس از محاسبه سرعت انتشار موج ضربه، با تشابه از معادله ترمودینامیکی گازهای کامل برای سرعت یون صوت در پلاسما مطابق رابطه - 1 - ،می توان مدلی برای سرعت گاز غیر کامل - پلاسما - به صورت رابطه - - 2 ارائه داد. v سرعت، T دمای گاز، K ثابت بولتزمن، M جرم ملکولی گاز و a,b مقادیر ثابت هستند.
با برازش داده های تجربی از مرجع [6]، مقادیر ثابت a و b به دست می آیند و خواهیم داشت
در رابطه - 3 - ، سرعت بر حسب km/s و دما بر حسب eV بیان می شود. مقدارهای a و b به ترتیب 0/01609 و 0/67823 به دست می آیند. در نمودارهای - 1 - و - 2 - دمای جبهه موج پلاسما به صورت تابعی از زمان برای پلاسمای سطح جلویی و پشتی طبق رابطه - 3 - محاسبه و ترسیم شده است.
نمودار :2 نمودار دما- زمان جبهه موج ضربه سطح شتی به دست می آیند.
در نمودارهای - الف و ب - - 3، داده های تجربی و منحنی برازش شده با رابطه - 5 - از انبساط پلاسمای سطح جلویی و پشتی به ازای انرژی لیزر 192 میلی ژول نشان داده شده است.
نمودار :1 نمودار دما- زمان جبهه موج ضربه سطح جلویی
نمودارها نشان می دهند سرعت انبساطی با گذشت زمان به دلیل برخورد با گاز زمینه کاهش می یابد. انبساط پلاسما بر حسب زمان بر اساس مدل موج ضربه با رابطه - 4 - بیان می شود.
در رابطه - 4 - ، R شعاع انبساط پلاسما، E انرژی، چگالی گاز زمینه و t فاصله زمانی پس از تشکیل پلاسما است. با برازش داده های تجربی حاصل از تصاویر سایه نگاری به تابعی طبق رابطه 5 - - ، به ازای انرژی 192 میلی ژول، مقادیر ثابت C و برای سطح جلویی و پشتی
نمودار -3 - الف و ب - : شعاع انبساط پلاسمای سطح پشتی بر حسب زمان. نقاط سیاه، داده های تجربی و منحنی برازش شده طبق رابطه - 5 -
