بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله دمای الکترونی در پلاسمای مس تولید شده با لیزر، با استفاده از طیفسنجی نشری اپتیکی توسط روش بولتزمن اندازهگیری گردید. در فرآیند شکست اپتیکی، پلاسما طی برهمکنش لیزر Nd:YAG پرتوان با طول موج 1064nm و طول پالس ~10 ns با نمونه جامد مس در هوا تولید شده است. جهت تعیین دمای الکترون 5 خط اتم مس - Cu I - در طول موجهای 427 51، 465 11، 510 55، 515 32 و 521 82 نانومتر مورد استفاده قرار گرفت.
با تغییر شدت لیزر در محدوده 5 21 GW/cm2؛231٫18 دمای الکترون برای دو حالت با در نظر گرفتن تابش پیوسته و با کاستن آن از طیف محاسبه شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که با بررسی طیف با درنظر گرفتن تابش پیوسته، با تغییر انرژی پالس لیزر مورد استفاده دمای الکترون از 10873 تا 13342 کلوین تغییر میکند. همچنین نتایج نشان میدهند که با حذف تابش پیوسته در بررسی طیف تابشی این دما در محدوده 9705 تا 10846 تغییر مییابد.
-1 مقدمه
در برهمکنش یک پالس لیزر پرتوان با فلزات، انرژی لیزر در سطح ماده جذب و موجب افزایش دمای ماده و همچنین ایجاد پلاسما میگردد. در صورتی که شدت پرتو لیزر افزایش یابد فرآیند یونیزاسیون شدیدتری در محل تابش دهی رخ خواهد داد و در نتیجه پلاسمایی داغ با چگالی بالا تشکیل میگردد.
الکترونهایی که از یونیزه شدن مادهی هدف تولید شدهاند با جذب انرژی از پرتو لیزر، با فرآیندهای برخوردی میتوانند بر حجم یونیزه شدهی مادهی هدف بیفزایند. حجم بوجود آمده از مواد پرتاب شده از سطح را توده پلاسمایی1 گویند. این توده حاوی ذرات باردار برانگیخته شامل الکترونها و یونها میباشد که در پی کاهش سطح انرژی آنها از طریق تابش فوتون، میتوان پلاسما را به عنوان چشمهی امواج الکترومغناطیس مورد بررسی قرار داد.[1] فرآیند تولید پلاسما با استفاده از پرتو لیزر بطور کلی در مواد رسانا، نیمه رسانا و دی الکتریکها امکانپذیر است که تحت عنوان شکست اپتیکی معرفی میگردد.
فرآیند شکست اپتیکی دارای کاربردهای مختلفی در پزشکی[2]، طیفسنجی فروشکست القایی لیزری، تحقیقات همجوشی و Laser micro-fabrication میباشد. با استفاده از روشهای مختلفی مانند تداخل سنجی[5 ,4]، عکسبرداری سریع[6]، سایهنگاری[5]، پراکندگی تامسون[7]، کاوه لانگمویر[8] و طیفسنجی نشری اپتیکی[10 ,9] مشخصهیابی پلاسما توسط محققان گزارش شده است.
در این مقاله با استفاده از برهمکنش لیزر نانوثانیه با هدف مس در هوا، تولید پلاسما شده است و تغییرات دمای الکترونهای پلاسما به کمک روش طیف سنجی نشری اپتیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این روش با بررسی طیف حاصل از پلاسمای تولید شده، دمای پلاسما و وابستگی آن به انرژی لیزر به کمک روش بولتزمن محاسبه گردید. علاوه بر این، مانند روش به کار برده شده برای کاستن طیف پیوسته در مرجع [11]، دمای الکترون استخراج گردیده است. در این تحقیق دو رویکرد در آنالیز اطلاعات طیف مورد استفاده قرار گرفته است. در رویکرد اول طیف تشعشع شده پلاسما با در نظر گرفتن تابش پیوسته و تابش خط بطور ترکیبی مورد استفاده قرار گرفته است. در رویکرد دوم فقط طیف تابشی خط پلاسما در آنالیز طیفی استفاده شده است و سهم طیف تابشی پیوسته حذف شده است.
-2 آزمایش
طرحوارهای از چیدمان آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. با استفاده از پرتو لیزر پالسی Nd:YAG با طول موج 1064 nm و طول پالس ~10 ns فرآیند فروشکست اپتیکی بر روی سطح هدف مسی ایجاد شده است. پرتو لیزر توسط یک لنز دوتایه2 با فاصله ی کانونی 18 سانتیمتر بر روی سطح نمونه متمرکز گردید. طیف گسیلی از پلاسما، با استفاده از سیستم اپتیکی مناسب جمعآوری شده، سپس از طریق یک رابط - فیبر نوری - ، اطلاعات به دستگاه طیفسنج AvaSpec-Dual مجهز به CCD انتقال داده میشود. پس از آن با استفاده از نرم افزار مخصوص، اطلاعات جهت آنالیز و تحلیل به نمایش درآمده و ثبت میگردد. در این آزمایش، شکست اپتیکی برای نمونه مس قرار داده شده در هوای با فشار اتمسفر و دمای اتاق مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل :1 طرحوارهای از چیدمان آزمایش. B.S. شکافنده پرتو میباشد.
-3 مبانی نظری
پلاسمای داغ تولید شده در فرآیند فروشکست اپتیکی، از طریق فرآیندهایی نظیر انبساط توده و تابش پلاسما - که از پلاسما خارج میشود - سرد میگردد. تابشترمزی - گذار آزاد-آزاد - ، تابش بازترکیب الکترون-یون - گذار آزاد-مقید - و گسیل خط - گذار مقید-مقید - از جمله مهمترین فرآیندهای تابشی میباشند. طیف ثبت شده از پلاسما که مجموعهای از یک تابش پیوستهی ناشی از دو نوع گذار اول و تابش خط ناشی از گذار سوم است، حاوی اطلاعات مفیدی از گونههای تشکیل دهنده آن میباشد. زمانی که پلاسما در شرایط تعادل ترمودینامیکی موضعی - LTE - باشد، چگالی جمعیت در هر تراز انرژی با استفاده از توزیع بولتزمن بصورت زیر داده میشود:
خطوط گذار مقید-مقید است و محاسبات با تابش پیوسته ممکن است دمای پلاسما را غیر واقعی نشان دهد . [12] روش دیگری که به منظور کاستن طیف پیوسته از طیف کلی بدست آمده در آزمایش گزارش شده است، معادل سازی آن با یک تابع چند جملهای میباشد. این تابع با استفاده از روش برازش منحنی محاسبه میگردد.[11] در این مقاله، تابش پیوسته بصورت یک تابع شش جملهای بصورت رابطه - 4 - محاسبه شد و از طیف کلی کسر گردید.
در رابطه - 1 - زیرنویس Z به مرحله یونیزاسیون مربوط است، T دمای پلاسما، - PZ - T تابع پارش، g n,Z و E n,Z به ترتیب تبهگنی و انرژی تراز بالا و kB ثابت بولتزمن است. از طرفی، شدت خطوط طیفی I Z گسیل شده در گذار از ترازبالای انرژی n به تراز پایینانرژی m با رابطه - 2 - بیان میشود.
شکل :2 طیف پلاسمای تولید شده از مس در فرآیند شکست اپتیکی با شدت لیزر .5 21 Gw/cm2
با استفاده از رابطهی - 3 - ورسم نمودار ln I / gA برحسب انرژی En خطی با شیب 1 / k BT بدست میآید که از روی آن میتوان دمای الکترون را محاسبه کرد. بدست آوردن دما با روش ذکر شده به روش بولتزمن معروف است.
-4 نتایج
در شکل 2 طیف پلاسمای حاصل از برهمکنش لیزر با هدف مسی در شدت لیزر 5 21 GW/cm2 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، طیف بدست آمده شامل هر دو نوع تابش پیوسته و خط می باشد. در مراحل مختلف تشکیل تا سرد شدن پلاسما، به علت تغییرات دمایی و چگالی، نوع گذار غالب متفاوت است. به طور مثال در مراحل ابتدایی تشکیل پلاسما به علت دمای زیاد آن، علاوه بر وجود گذارهای مقید-مقید، گذارهای آزاد-آزاد و آزاد-مقید حضور دارند.
معمولا در بررسی دمای پلاسما با استفاده از طیف گسیلی روشهایی به مانند استفاده از زمان تاخیر به کار برده میشود تا از شدت طیف پیوستهی ثبت شده کاسته شود چرا که در روش بولتزمن نیاز به شدت نسبی به کمک اطلاعات موجود در پایگاه دادهی مرجع NIST میتوان اطلاعات مربوط به خطوط طیفی مس را استخراج کرد - جدول . - 1 با استفاده از اطلاعات خطوط طیفی جدول - 1 - و روش بولتزمن میتوان دمای پلاسمای تولید شده از نمونهی مس را محاسبه کرد. شکل 3 دمای اندازهگیری شده مربوط به پلاسما با کاستن تابش پیوسته و استفاده از 5 خط اتم مس - Cu I - برای شدت لیزر 5 21 GW/cm2 را نشان میدهد.
جدول :1 اطلاعات طیفی مورد استفاده اتم مس
