CC BY
22
УДК 621.793 535:21
Ю. Ю. Протасов, В. В. Христофоров
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РАДИАЦИОННО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ
Приведены результаты экспериментального исследования в вакуумных условиях оптических характеристик — оптической прозрачности, спектральных коэффициентов поглощения и отражения, индикатрисы рассеяния ряда конструкционных диэлектрических материалов радиационно-газодинамических энергетических установок высокой плотности мощности в ИК-и УФ-областях спектра на стандартных лазерных частотах (Хл - 0,241; 0,4416; 0,6328; 0,693; 1,06; 10,6мкм) и спектрально-усредненных (групповых) коэффициентов отражения в ВУФ- диапазоне спектра (Ни-10... 70 эВ) в условиях до- и сверхпороговой плотности мощности зондирующего излучения для развитого поверхностного испарения.
Радиационно-газодинамические энергетические установки высокой плотности мощности (лазерные инжекторы и ускорители газово-плазменных потоков, плазменно-оптические конверторы когерентного излучения в коротковолновое широкополосное излучение и электрический ток, генераторы сверхсильных магнитных полей и др. активно разрабатываются и исследуются в настоящее время для решения актуальных задач физики и технологии концентрированных потоков энергии [1-4]. Применяемый здесь ряд тугоплавких и оптически прозрачных диэлектриков (оксидов бериллия, алюминия, кремния, фторидов магния, бария, стронция) и материалов со специальными оптическими и теплофизическими свойствами [5, 6] находится в условиях интенсивных лучевых, ударно-волновых и тепловых нагрузок [7], поэтому изучение их оптических характеристик (в том числе эмиссионных и абсорбционных) в широком диапазоне энергий квантов (Ни-10-1... 102эВ) в условиях многофакторного радиационно-газодинамического воздействия является необходимым не только для количественного описания лазерно-индуцированных фазовых переходов "твердое тело - газ - плазма", но и при осуществлении всех циклов разработок и инженерной оптимизации лучевых энергогенерирующих и энергопреобразующих установок, контроля их деградационных параметров в режиме реального времени.
Несмотря на активное развитие баз и банков данных оптических характеристик чистых металлов и оксидов, впервые синтезируемых М-Б-П-структур и композитов, объем надежных экспериментальных данных (в том числе и данных по температурной и частотной зависимости коэффициентов поглощения, отражения А,Д(А, Т)) крайне ограничен даже для узких температурных и спектральных интервалов лучевого воздействия. Следует отметить, что и для относительно хорошо изученных материалов с зеркально-диффузным характером отражения (и тонкопленочных структур на их основе) результаты исследований направленно-полусферических коэффициентов отражения Я(Х,Т) различными экспериментальными группами значительно отличаются, особенно в коротковолновой области спектра [8-10].
Экспериментальные условия и результаты. Исследование частотной и температурной зависимостей коэффициентов отражения и поглощения наиболее употребимого ряда конструкционных материалов на основе тугоплавких диэлектриков (а-А1203, БЮ2, М^Р2, ЗгБ2), сложных по химическому составу полимеров ((СН2)П, (СН20)п) на основе элементов полимерного ряда (С, О, Н, Б, К, Б1), высокотемпературных компаундов со смешанным характером отражения излучения (типа ВКС) проводилось в вакуумных условиях (р0~10 Па), используя методики ИК- и УФ-спектрорефлектометрии, абсорбционной эмиссионной спектроскопии и полихроматической пирометрии [11, 12]. Для экспериментального определения коэффициентов отражения, эмиссионных и абсорбционных спектров в ИК-ВУФ-диапазоне (Ни~10-1... 102эВ) и в широком интервале температур (от криогенных до температур фазовых переходов) в условиях интенсивного лучевого воздействия (!о~104 ... 1011Вт/см2) на стандартных лазерных частотах и в коротковолновом континууме разработан экспериментально-диагностический опто-теплофизический модуль стенда "Луч", подробно описанный в работе [13]. Модуль построен на основе унифицированной оптической элементной базы стенда "Луч", имеет общую с ним газовакуумную систему, энергосиловой контур и содержит термостатированную мишенную камеру лучевого воздействия объемом Ук~2,5-104 см3, оптически сопряженную с блоками источников широкополосного и когерентного излучения и блоком регистраторов и спектроанализаторов зондирующего и отраженного излучений (рис. 1). Блок широкополосных тепловых излучателей (ну~1... 70 эВ) позволяет транспортировать в зону лучевого воздействия (мишенную камеру) потоки излучения ИК-ВУФ-диапазона с плотностью мощности /0~10-2 ... 106 Вт/см2 с помощью оптической системы на основе ИК-УФ-монохроматоров предварительной дисперсии и ВУФ-селекторов спектра с возможным периодом динамического облучения тв~10-7 ... 10-2 с, а в квазинепрерывном режиме
Рис. 1. Оптическая схема экспериментального опто-теилофизического диагностического модуля стенда "ЛУЧ":
1 — источник теплового излучения ИСИ-1; 2, 5, 15 — фокусирующая ИК-УФ-оптика; 3 — монохроматор ДМД-4 (ВД-УФ-области спектра); 5 — ВЧ-излучатель; 6 — монохроматор ИКМ-1 (ИК-области спектра); 7 — блок газовых лазеров ЛГ-75, ЛГ-171, К-416, ИГЛ-11; 8 — блок твердотельных лазеров ГОС-1001М, ГОРЗООТ, ПЖ-402 и оптических АИГ-квантронов; 9 — блок перестраиваемых лазеров на основе модуля ЛЖИ-2; 10 — эталонный источник ЭВ-45; 12 — интерференционные фильтры (ИК-УФ); 13 — А1, Ое, Бьзеркала; 14 — дисковый прерыватель-модулятор; 15 — слабый телескоп; 16 — котировочные Не-№-лазеры; 17 — сильносвязанные диафрагмы; 18 — светоделительные 8102-, ве-пластины; 19 — радиационные калориметры ИМО-2, ИКТ-1; 20 — камера лучевого воздействия; 21 — интегрирующая фотометрическая сфера; 22 — мишенная камера с термодатчиками; 23, 26— оптические окна (ИК-УФ-); 24, 25 — опто-термоэлектровводы; 27 — фотоэлектронные умножители и коаксиальные фотоэлементы; 28 — фотоэлектрические калориметры; 29 — интерференционные и поляризационные фильтры; 30 — блок спектроанализаторов; 31 — фотоэлектрические приемники детектора Линке; 32 — спектроанализатор; 33 — пироэлектрические приемники; 34, 35, 36 — коаксиальные ФЭК; 37 — коммутационно-синхронизующие оптоэлектрические цепи для компланарных каналов коротковолновых (вакуумных) излучателей и открытых фотоприемников
(тв~10-1... 102 с) — с плотностью мощности /0~10-4 ... 104 Вт/см2. Блок лазерных источников излучения стандартных частот (Ал ~10,6; 1,03; 1,06; 0,693; 0,6308, 0,4416; 0,241 мкм) и гармоник выполнен на основе твердотельных и газоразрядных промышленных лазеров с оптическими преобразователями частоты и модуляторами излучения в диапазоне импульсного (ти~10-9... 10-3 с), импульсно-периодического (/~10-1... 102Гц) и непрерывного радиационного воздействия на твердотельные мишени с тонко регулируемыми параметрами радиационных потоков и площадью лучевого воздействия. Мишенная камера блока лучевого воздействия с ВЧ индукционным и омическим нагревателем и системой термостабилизации и охлаждения оптических экранов и затворов содержит внутреннюю интегрирующую (фотометрическую) сферу, имеющую покрытие, диффузно-отражающее излучение в ИК-УФ-области спектра.
В блоке приемников излучения и энерго-спектроанализаторов для исследуемого диапазона частот (помимо стандартных фотоэлектрических и тепловых детекторов) применялись разработанные открытая и закрытая (газонаполненная) ионизационные двойные камеры, оптическая схема сопряжения которых в конкретном цикле экспериментов определяется спектральными, энергомощностными и пространственно-временными характеристиками регистрируемых потоков отраженного от мишени и зондирующего излучения.
Исследуемые массивные образцы конструкционных материалов толщиной 1... 5 мм устанавливаются с 3Б-юстируемой подвижкой и внешним приводом в мишенной камере, а их нагрев осуществляется с помощью СО2-лазера мощностью ~80Вт, коллимированное излучение которого (плотность мощности ~ 40... 100 Вт/см2) через ИК-оптический канал камеры подается на тыльную сторону мишени. Объектом исследований служили плоские (в пределах пятна облучения) шлифованные образцы из высокотемпературных диэлектриков (а-А1203, БЮ2, М§р2, ВКС) со случайной, не имеющей выделенного направления, структурой шероховатости (т.е. с размером шероховатости, превышающим длину волны зондирующего излучения).
Методическая и инструментальная погрешности данной серии экспериментов в областях стандартных лазерных частот не превышают 20%±3%, для диапазона спектра Н^1~9,24... 11,2 эВ составляет ~ 35±5%, а в области вакуумного ультрафиолета с Н^ > 11,2 эВ — ~55±10%. Тестовое исследование зависимости Д(Ал,Т) для алюминиевых массивных мишеней (Д~4мм) в фиксированных частотных интервалах ИК- и УФ-диапазонов спектра (Ал~10,6 ... 0,241 мкм) коррелирует с зависимостью Д(Ал,Т), определяемой теорией Друде для чистых металлов.
Некоторые результаты экспериментального определения температурной зависимости коэффициентов отражения (Д(Лл, Т)) на фиксированных лазерных частотах для ряда промышленных образцов конструкционных материалов в условиях воздействия низкой спектральной плотности мощности (10 ^ -103 Вт/см2) зондирующего излучения — допороговой — для начала развития волны испарения на поверхности исследуемых мишеней приведены на рис.2. На рис. 3 представлен пример типичных результатов измерения спектральной зависимости коэффициентов отражения Л(Л) промышлен-
R, отн.ед. 0,5-
0,4-
0,3-
0,2
0,1
! з"- ч т
1 г- г И
-4"- -- Ь - I
щ Р"
\ Г t.....1 f
\\
к 5 J. Г
г 6 т т
-L
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость коэффициентов отражения ^(Лл, Т) тугоплавких диэлектриков на стандартных лазерных частотах ИК-зондирующего излучения:
а-А1203 (1 — Лл = 1,06 мкм, 2 — Лл = 10,6 мкм), р - 3,971 г/см3; 8Ю2 (3 — Лл - 1,06 мкм, 4 — Лл - 10,6 мкм), р - 2,652 г/см3; ВЖ: (5 — Лл - 1,06 мкм, 6 — Лл - 10,6 мкм), р - 2,344 г/см3; 10(Лх = 1,06 мкм) = 2,3 • 10-1 Вт/см2, 10 (Л2 = 10,6 мкм) = 1,4 Вт/см2
Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициентов отражения BNC
ных плоских шлифованных образцов высокотемпературных диэлектриков [(а-А1203), БЮ2, ВМС] для ряда стандартных лазерных частот (А1 = 0,241; А2 = 0,4416; Аз = 0,6328; А4 = 0,693; А5 = 1,03; А6 = 10,6 мкм) и усредненные спектрально-групповые коэффициенты отражения Л(ДА) в ВУФ-области спектра (при Т~300° К) для диапазонов энергий квантов Л,^~9,24 ... 11,2 эВ; Л,^2~12,1... 22 эВ; й^3~15,8 ... 28 эВ; й^4~21,6 ... 50 эВ; й^5~24,6 ... 65 эВ.
Хорошая воспроизводимость экспериментальных результатов Л(Ал) на лазерных частотах зондирования и Л(ДА) (при ВУФ-широкополос-ном) в диапазоне температур Т~300 ... 8500 К позволяет выявить основные закономерности частотного распределения коэффициентов отражения в ИК-ВУФ-областях спектра данного класса конструкционных материалов, которые могут быть использованы для спектрально-энергетического оптимизационного анализа лучевых энергоустановок с применением стандартного фотометрического оборудования.
В температурном диапазоне 850 < Т < 1900 К регистрируется значительный (~ 30 %) разброс значений Л (ДА) в ВУФ-области спектра, что требует статистического анализа инструментальной погрешности в каждом спектральном интервале ... и дальнейшего развития экспериментальной технологии изучения спектрально-энергетических зависимостей Л(ДА, Т, /0) с использованием вторичных метрологических эталонов [9]. Характерной особенностью зависимостей Л(/0) (рис.4) для полимерных мишеней является наличие максимумов отражения, достигаемых (как и начало резкого роста интегрального коэффициента отражения) в области сверхпороговых для развития волны термической ионизации (плазмообра-зования) значений /0 (/0 > /0*). При плотности мощности потока излучения /0 > 107 Вт/см2 и падении излучения по нормали на плоскую мишень (рис. 5) диаграмма направленности рассеянного лазерного излучения, соответствующая различной ориентации мишени относительно зондирующего луча, заметно отличается от закона Ламберта — поворот плоской мишени на угол 45° приводит к расширению диаграммы направленности и смещению ее вершины на угол в~50°. При увеличении плотности мощности потока лазерного излучения до /0тах~2-108 Вт/см2 угол поворота диаграммы направленности уменьшается до в ~ 20°. Интегрирование диаграммы направленности (для нормального угла падения) в пределах полусферы дает значение направленно-полусферичекого коэффициента отражения Л(А1)~55 %. Результаты этих измерений, также как и относительно слабая зависимость диаграммы направленности от угла ориентации мишени при /0 > 5-107 Вт/см2, соответствуют теоретически анализируемым в работе [9] значениям этой величины для более
R, % 501-
1 1 1 1 1 I 1 1 1 1
1 5 10
10, 107 [ВТ/СМ2]
Рис. 4. Зависимость интегрального коэффициента отражения от плотности потока 1о лазерного излучения для плоских мишеней различного химического состава:
1 — (СН20)п, Л2 - 1,06 мкм; 2 — (СН2)п, А2 - 1,06 мкм; 3 — ((СН2)п +А1), Л1 — 10,6 мкм; 4 — (С2)п, Л2 — 1,06 мкм; 5 — А1203, А1 — 10,6 мкм
Reo, стер1
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от угла рассеяния в при различных плотностях потока когерентного излучения:
1,2 — /0 — 107 Вт/см2, (СН20)п-мишень, Л2 — 1,06 мкм; 3,4 — /0 — 3,5-107 Вт/см2, (СН2)п-мишень, Л2 — 1,06 мкм; 1,3 — нормальное падение луча; 2, 4 — угол падения
— 45°
высоких значений /0 и коррелируют с особенностями динамики волны поглощения лазерного излучения на длинах волн А1—10,6 мкм и А2—1,06 мкм в газово-плазменном слое у полимерной мишени в вакууме; соответствующие спектрально-яркостные характеристики
ßy, _Вт
10
-l
T, эВ
4
2
10
6
107 \П Ю8 /о, Вт/см2
Рис. 6. Спектральная яркость Еи (1-3) и яркостная температура Тя (4) в ВУФ-области спектра приповерхностной лазерной плазмы плоской (CH2O)n-мишени, средние по полосам поглощения ксенона (1, 4), гелия (2), оксида азота (3) при Аи = 1,06 мкм
приведены на рис. 6 для условий, когда при пороговых интенсивно-стях воздействия /0*(А) образуется лазерная детонационная ударная волна (УВ). Оценки плазменных параметров в условиях генерации УВ при /0 > 1^(А1) (используя формализм работы [8] и таблицы термодинамических функций и ударных адиабат [9]) показывают существование внутри области поглощения лазерного излучения (между фронтом УВ и плоскостью Жуге) плазменных зон с критической концентрацией электронов (пе крит > 1010 см-3) для лазерного излучения с А1~10,6 мкм, что является причиной сильного отражения лазерного излучения, наблюдаемого экспериментально. При увеличении 10 концентрация электронов должна превышать критическую уже непосредственно на фронте УВ и поглощение лазерного излучения в этом случае возможно лишь в узком неравновесном релаксационном слое на ее фронте. Однако при высоких интенсивностях потока лазерного излучения происходит переход от гидродинамического к радиационному механизму распространения волны поглощения, что сопровождается размытием фронта волны ионизации за счет появления перед УВ слоя прогретого газа, поглощающего лазерное излучение [7], что и является причиной наблюдаемого уменьшения коэффициента отражения от приповерхностной зоны при дальнейшем росте
При низких значениях плотностей потока излучения (10 < /0*), вследствие возрастания времени плазмообразования ¿п, увеличивается вклад в полные потери излучения за счет отражения лазерного
т.
излучения непосредственно от поверхности мишеней, что объясняет увеличение доли отраженной энергии для мишени с высоким коэффициентом отражения. Вид относительного распределения зависимости Д(ДА) в области энергий квантов 12 <hv < 70 эВ соответствует экспериментальным данным для образцов лейкосапфира и оксида кремния марки КУ-1, полученных на синхротронном источнике [17] при T~300 K. В ИК-УФ-области фиксированных лазерных частот зондирования измеренные значения Д(Ал) для карбониирида бора (с учетом нелинейного распределения спектральной излучательной способности А(А)) в области температур Т < 900 K удовлетворительно (расхождения ~ 20 %) соответствуют аналогичным абсолютным значениям Д(Ал) из базы данных NIST [17] и их частотной зависимости.
Выводы. Полученный массив экспериментальных результатов (частотные и температурные зависимости коэффициентов отражения, спектральные эмиссионные, абсорбционные и рефракционные характеристики ряда наиболее употребимых тугоплавких диэлектриков и высокотемпературных компаундов сложного химического состава) является частью создаваемой в МГТУ им. Н.Э. Баумана электронной базы экспериментальных и расчетно-теоретических данных термодинамических, оптических и транспортных свойств рабочих веществ и конструкционных материалов плазменных и фотонных энергетических установок высокой плотности мощности ("ТОТ-МГТУ"), подробное описание которой приводится в работе [15].
Данный цикл исследований выполняется в рамках гранта Президента РФ № МД-1476, 2005.8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Protasov Yu. S., Protasov Yu. Yu., Suslov V. I. Photon energy conversion: R & D of plasma optical converters of photon energy into electrical current / 35 Intersociety Energy Conversion Engineering Conference: AIAA paper № 2000-2887. N.Y.: AIAA, 2000. - 7 p.
2. П р о т а с о в Ю. Ю. Разработка и исследование параметрического ряда лазерных микроинжекторов плазмы сложного химического состава // 3-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии: Сборник материалов. Т. 1. Иваново, 2002. - С. 469-471.
3.Protasov Yu. Yu. About the efficiency of laser energy convertion in two stage pulsed laser accelerator // XXVII European Conference on Laser Interaction with Matter: Book of Abstracts. Moscow, 2002. - P. 51.
4. Caruso A., Strangio C. Studies on laser-matter interaction and ICF target design at the Frascati ICF physics and technology group of Enea // XXVII European Conf. on Laser Interaction with Matter: Book of Abstracts. Moscow, 2002. - p. 148-149.
5. Protasov Yu. S., Protasov Yu. Yu., Telekh V. D. Thermo-optical characteristics of refractory dielectric materials in a field of high intensity radiation // VIII International Conference "Dielectric Materials, Measurements and Applications": IEE Conference Publication No 473. Edinburgh, 2000. No 473. -P. 440-444.
6. Protasov Yu. Yu. About phase transitions stimulated by laser radiation // The Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation / Ed. A.I. Leontiev. - M.: Nauka, 1997. - P. 504-511.
7. Hutchinson H. The high power laser interaction program at the Rutherford appleton laboratory // XXVII European Conf. on Laser Interaction with Matter: Book of Abstracts. Moscow, 2002. - P. 117-118.
8. Donaldson T. P., Hubbard M., Spalding I. J. Reflection and scattering from CO2-laser-generated plasma // Phys. Rev. Lett. 1976. V. 37, № 20. -P. 1348-1351.
9. A r v e s J. P., A k y u z l u K. M. An Analytical Study of the Effect of Combined Radiation and Convection on the Initiation of Ablation in Isotropic solids // AIAA paper. - 2000. - № 2000-92. - 6 p.
10. П р о т а с о в Ю. Ю., Щепанюк Т. С. Экспериментальное исследование прозрачности оптических материалов для УФ-излучения в условиях радиационно-газодинамического взаимодействия // ТВТ. - 2003. - Т.41, № 3. -C. 98-107.
11.Protasov Yu. Yu. Spectral-Brightness characteristics of laser-matter near polymeric surface interaction // J. of Applied Spectroscopy. - 2003. - V. 70, № 1. -P. 58-65.
12. P r o t a s o v Y u. Y u., S e m e n o v A. M. About the coefficient of reflectivity from lighterossion targets in vacuum // J. of Applied Spectroscopy. - 2003. - Т. 70, № 3. - P. 89-95.
13. П р о т а с о в Ю. Ю., Щепанюк Т. С., Христофоров В. В. Экспериментально-диагностический опто-теплофизический модуль стенда "Луч" // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия "Машиностроение". -2002. -№ 4. -C. 99-107.
14. Газоразрядная электроника / Под. ред. Ю.С.Протасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2003.
15. Энциклопедия низкотемпературной плазмы: Вводный том / Под ред. В.Е. Фортова. M.: Наука, 2002.
Статья поступила в редакцию 1.07.2005
Юрий Юрьевич Протасов — д-р техн. наук, доцент кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные установки" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 100 научных работ в области фотонной энергетики.
Yu.Yu. Protasov — D.Sc. (Eng.), assoc. professor of "Gas-Turbine and Non-Traditional Facilities" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of over 100 publications in the field of photon power-engineering.
Владимир Владимирович Христофоров — д-р физ.-мат наук, ведущий научный сотрудник объединенного УНЦ фотонной энергетики. Автор более 70 научных работ в области оптики конденсированных сред.
V.V. Khristoforov — DSc (Phys.-Math.), researcher of United Center for Photon PowerEngineering. Author of over 70 publications in the field of optics of condensed media.
