بخشی از مقاله
چکیده:
موج ضربه حاصل از انفجار یک شوک دینامیکی است که در ضخامتی چندین برابر مسیر آزاد میانگین برخورد انتشار می یابد، با عبور موج ضربه، دمای ناحیه پلاسمای پشت موج، به شدت بالا می رود. ناحیه میانی بین پلاسمای داغ و سوخت جامد بعد از جذب و قطع لیزر در پلاسمای داغ و آغاز موج انفجار پلاسما مورد بررسی قرار گرفته است، که در راس آن یک موج شوک درپلاسما ایجاد شده است. موج شوک پلاسما متفاوت از شوک دینامیکی گازی معمولی است که ساختار لایه ای چندگانه با پراکندگی بالا دارد.
در این مقاله موج شوکی ایجاد شده توسط برخورد لیزر با سوخت جامد از نظر هیدرودینامیکی بررسی شده است. همپنین رفتار هیدرودینامیکی یک ماده با گرمای انتقال داده شده از لیزری قوی بررسی شده است. پروفایل چگالی و دمای منطقه اشتعال - منطقه میانی - مشخص شده است. همچنین مقایسه سرعت امواج ضربه ای با سرعت اشتعال انجام شده است و سرانجام با استفاده از نتایج عددی بدست آمده شرایط جوش و گداخت در سوخت جامد دوتریوم-تریتیوم توسط لیزر مشخص گردیده است.
مقدمه
زمانی که نور لیزر به سطح سرد یک ماده جامد برخورد می کند انرژی و شتاب آن از پرتو به ماده منتقل میشود و موجب گرم شدن ماده و حرکت آن می شود. اگر ماده در خلا قرار داشته باشد و لیزر به آن تابانده شود ضربه به ماده وارد شده و ماده حرکت خواهد کرد و همچنین اندکی امواج پراکنده ظاهر خواهد شد با این حال از آنجا که فشار بسیاربالا میرود امواج شاک در جهت تابش لیزر پخش می شود. اگر سوخت جامد به اندازه ای ضخیم و ثابت نگه داشته شده باشد به طوری که تابش لیزر باعث حرکت سوخت نشود پالس لیزر در یک ناحیه ای موسوم به ناحیه قطع جذب شده، بنابراین یک ناحیه پلاسمای داغ دمای بالا با چگالی بالاتر از چگالی حالت جامد و یک ناحیه بدون اختلال دمای پایین وجود خواهد داشت.
[1] در مرز بین این ناحیه ها یک ناپیوستگی در فشار و چگالی دو طرف بوجود خواهد آمد که این اختلاف ناگهانی فشار و چگالی دو طرف باعث انتشار موج ضربه ای به طرف سوخت جامد سرد می شود.[2] در واقع با تابش لیزر به سوخت جامد سه ناحیه پلاسمای داغ، ناحیه میانی و ناحیه سوخت سرد بوجود خواهد آمد. یک انتشار موج ضربه ای از منطقه میانی به سوخت خواهیم داشت همچنین یک موج ضربه ای اشتعال آور یا همان اشتعال از ناحیه پلاسمای داغ به منطقه میانی خواهیم داشت.
هر دو موج به طرف داخل یعنی سوخت هدف انتشارمی یابد که در پلاسما، ماده به طرف بیرون پخش می شود. اشتعال در راستای تابش لیزر ساختار پیچیده ای دارد پالس لیزر در یک چگالی بحرانی پلاسما قطع می شود و جذب پلاسما می شود و گرما به طرف منطقه چگال تر انتقال می یابد که ضخامت آن وابسته به رسانش گرمایی الکترون ها است. پلاسمای داغ ناحیه قطع برای پالس لیزر شفاف است.در این مقاله ساختار اشتعال و محاسبات عددی پروفایل های دما و چگالی با در نظر گرفتن موج ضربه ای انجام شده است از آنجایی که نور لیزر نمی تواند جلوتر از ناحیه قطع نفوذ کند انتقال گرما توسط رسانش گرمایی غیر خطی بررسی می شود.
پروفایل دمایی به روشی شکل می گیرد که مرز تعریف شده باعث جدا شدن منطقه حرارت دیده از ناحیه سوخت سرد می شود. از آنجا که نور لیزر در این فرآیندها تقریبا مونوکروماتیک است چگالی قطع بطور دقیق تعریف شده است. نور نمی تواند به درون منطقه دارای چگالی بالاتر انتشار یابد. چگالی قطع تقریبا در یک نقطه وجود دارد که مرز مشخص بین مناطقی را تشکیل می دهد که نور نمی تواند به آنها نفوذ کند و چگالی این مناطق افزایش پیدا می کند. از آنجا که این تئوری برای انتشار گرما به درون یک منطقه متراکم تر استفاده می شود مرز قطع نور لیزر صفحه ای خواهد بود که در آنجا چگالی، چگالی قطع خواهد بود. در مرز شرایطی که باید بررسی شوند دما، شارگرمایی، سرعت پلاسما و شیب سرعت است.
در بهترین حالت انتخاب این مقادیر همگی وابسته به انتشار نور لیزر داخل پلاسمای داغ در چگالی کمتر از چگالی قطع هستند. به هر حال موقعیت های خاصی وجود دارد که در آن شرایط مرزی بلافاصله از فرضیات فیزیکی پیروی می کنند. به عنوان مثال اگر لیزر در یک لایه نازک در چگالی قطع جذب شده باشد رابطه مربوط به شار ورودی، دما و چگالی به سرعت می تواند حاصل آید. پس مساوی قرار دادن شار گرمایی برابر با شار نوری، می تواند یک شرایط کافی فراهم آورد. اگر از ویسکوزیته چشم پوشی شود سرعت سیال، به اصطلاح سرعت گرمایی صوت نامیده خواهد شد و دیگر نیازی به محاسبه شیب سرعت نیست.
محاسبه دمای الکترون ناحیه پلاسمای داغ بعد از قطع لیزر
وقتی که پالس لیزر در چگالی بحرانی قطع می شود به علت جرم سبک الکترون ها انرژی لیزر به الکترون ها منتقل می شود [3] بنابراین رابطه نهایی دمای الکترون ها با افزایش فاصله از مرز قطع لیزر به صورت زیر بدست می آید.[4] که در این رابطه پارامتر a مقدار ثابت، دمای اولیه الکترون، مقیاس طول اولیه برابر با طول موج لیزر نئودیمیم شیشه ای، t زمان و x عمق نفوذ موج حرارتی می باشد. یک نمونه از محاسبه عددی رابطه - 1 - برای الکترون ها در شکل - 1 - رسم شده است.
شکل - 1 - دمای الکترون بر حسب مختصه اولیه موج حرارتی از شکل مشاهده می شود که دمای الکترون با دور شدن از مرز کاهش پیدا می کند مفهومش این است که با مکانیسم رسانش دمای الکترون ها به یون ها منتقل می شود. همچنین هر قدر زمان بر هم کنش لیزر با ماده کوتاه تر باشد الکترون ها دمای بیشتری را کسب می کنند. همچنین یک نمونه از محاسبه عددی رابطه - 1 - برای یون ها در شکل - 2 - رسم شده است.
شکل - 2 - دمای یون بر حسب مختصه اولیه موج حرارتی از شکل مشاهده می شود که دمای یون با دور شدن از مرز کاهش پیدا می کند مفهومش این است که دمای یون با گذشت زمان به علت اینکه از الکترون ها گرما می گیرد از مقادیر بیشتری به صفر می رسد. شرایط گرمایش ماکزیمم ناحیه پلاسمای داغ از طریق جذب کلاسیکی نور لیزر فرض کنید نور لیزر با بسامد به پلاسما دارای یون با بار z در هر cm برخورد می کند. دمای الکترون برابر است.
