Исследование оптических характеристик конденсированных сред радиационно-газодинамических систем высокой плотности мощности в вакуумных условиях Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 533.93

Ю. Ю. Протасов, В. В. Христофоров

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД РАДИАЦИОННО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ В ВАКУУМНЫХ УСЛОВИЯХ

Приведены результаты экспериментального исследования в вакуумных условиях оптических характеристик ряда веществ — оптической прозрачности, коэффициентов поглощения и отражения в ИК- и УФ-областях спектра на стандартных лазерных частотах (\ и 0,241; 0,4416; 0,6328; 0,693; 1,06; 10,6мкм) и спектрально-усредненных (групповых) коэффициентов отражения в ВУФ-диапазоне (Ни и 10... 70 эВ) спектра при до- и сверхпороговой для развитого поверхностного испарения плотности мощности зондирующего излучения.

В настоящее время для решения актуальных задач физики и технологии концентрированных потоков энергии активно разрабатываются и исследуются радиационно-газодинамические 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. системы) [1, 2]. Применяемый здесь типовой ряд тугоплавких и оптически прозрачных диэлектриков (оксидов бериллия, алюминия, кремния, фторидов магния, бария, стронция) и материалов со специальными оптическими и теплофизическими свойствами [3, 4] находится в условиях интенсивных лучевых, ударно-волновых и тепловых нагрузок, поэтому изучение их оптических характеристик (в том числе эмиссионных и абсорбционных) в широком диапазоне энергий квантов (Нр и 10-1.. .102 эВ) в условиях многофакторного радиационно-газодинамического воздействия является необходимым не только для количественного описания лазерно-индуцированных фазовых переходов твердое тело-газ-плазма, представляющих общефизический интерес, но и при осуществлении всех циклов разработок и оптимизации лучевых энергогенерирующих и энергопреобразующих установок, контроля их деградационных параметров [5-7] в режиме реального времени.

Экспериментальные условия и результаты. Исследование частотной и температурной зависимостей коэффициентов отражения и

поглощения тугоплавких диэлектриков (а-А12О3, ЗЮ2, М§р2, ЗгБ2), сложных по химическому составу полимеров ((СН2)П, (СН2О)п) и высокотемпературных компаундов со смешанным характером отражения излучения (типа ВМС) проводилось в вакуумных условиях (р0 «10 Па), используя методики ИК- и УФ-спектрорефлектометрии, абсорбционной/эмиссионной спектроскопии и полихроматической пирометрии [8]. Для экспериментального определения коэффициентов отражения, эмиссионных и абсорбционных спектров в ИК- и ВУФ-диапазоне (Л^ « 10-1...102эВ) и в широком интервале температур (от криогенных до температур фазовых переходов) в условиях интенсивного лучевого воздействия (!0 « 104 ... 1011 Вт/см2) на стандартных лазерных частотах и в коротковолновом контиинууме разработан экспериментально-диагностический оптотеплофизический модуль стенда "ЛучСО1".

Исследовались плоские (в пределах пятна облучения) шлифованные образцы (толщиной 8 « 1... 5 мм) из высокотемпературных диэлектриков и со случайной, не имеющей выделенного направления структурой шероховатости (т.е. с размером шероховатости, превышающим длину волны зондирующего излучения). Их нагрев осуществлялся с помощью СО2 -лазера мощщностьюю « 20 Вт. Методическая и инструментальная погрешность экспериментов в области стандартных лазерных частот не превышает 20 ± 3 %, для диапазона спектра « 9,24... 11,2 эВ составляет «35 ± 5 %, а в области вакуумного ультрафиолета с > 11,2 эВ — «55 ± 10 %. Тестовое исследование зависимости Д(Ал,Т) для алюминиевых массивных (Д«4 мм) мишеней в фиксированных частотных интервалах ИК- и УФ-диапазонов спектра (Ал от 10,6 до 0,241 мкм) коррелирует с характером изменения зависимости Д(Ал,Т), определяемым теорией Друде для чистых металлов [10].

Некоторые результаты экспериментального определения температурной зависимости коэффициентов отражения (Д(Ал,Т)) на фиксированных лазерных частотах приведены на рис. 1 для условий низкой спектральной плотности мощности (!0 ^ /0«103 Вт/см2) зондирующего излучения, т.е. допороговой для начала развития волны испарения поверхности облучаемых мишеней. На рис. 2 представлены результаты измерения спектральной зависимости коэффициентов отражения Д(А) для стандартных лазерных частот (А1 = 0,241; А2 = 0,4416; Аз = 0,6328; А4 = 0,693; А5 = 1,03; Аб = 10,6 мкм) и усредненные спектрально-групповые коэффициенты отражения Д(ДА) в ВУФ-области спектра (при Т«300 К) для диапазонов энергий квантов «9,24... 11,2 эВ; Л^2«12,1... 22 эВ; Л^3«15,8 ... 28 эВ; Л^4«21,6 ... 50 эВ; Л^5«24,6 ... 65 эВ. Хорошая воспроизводимость

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

д<

i k- -i T

i ir- -i И j. „

И '-ä 1 У - 1" - 57 Ъ

\\

\\

1 K 5- 5 J i f - Jk

к 7: 6 T _L J. i i_ л ±

-L

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Т, К

Рис.1. Температурная зависимость коэффициентов отражения Д(Ал,Т) тугоплавких диэлектриков на стандартных лазерных частотах ИК-зондирующего излучения:

а-А1203 (1 — Ал = 1,06мкм, 2 — Ал = 10,6мкм); р и 3,971 г/см3; БЮ2 (3 — Ал и 1,06мкм, 4 — Ал и 10,6мкм), р и 2,652г/см3; ВМС (5 — Ал и 1,06мкм, 6 — Ал и 10,6мкм), р и 2,344г/см3; 1о(Ах = 1,06мкм) = 2,3-10-1 Вт/см2, !0(А2 = 10,6 мкм) = 1,4 Вт/см2

Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициентов отражения карбонитрида бора BNC

экспериментальных результатов Д(Ал) на лазерных частотах зондирования и Я(АА) (при ВУФ-широкополосном) в диапазоне температур Ти300 ... 850 К позволяет выявить основные закономерности частотного распределения коэффициентов отражения в ИК- и ВУФ-областях спектра данного класса веществ, которые могут быть использованы для спектрально-энергетического оптимизационного анализа лучевых

Рис. 3. Экспериментальные значения коэффициентов отражения: а — зависимость интегрального коэффициента отражения от плотности потока 10 лазерного излучения для плоских мишеней различного химического состава:

1 — (СН20)п, Л2 И 1,06мкм; 2 — (СН2)П, Л2 и 1,06мкм; 3 — ((СН2)П+Л1), Ах и 10,6 мкм; 4 — (С2Р4)„, Л2 и 1,06 мкм; 5 — Л120з, Лх и 10,6 мкм; б — зависимость коэффициента отражения от угла рассеяния в при различных плотностях потока когерентного излучения:

1,2 — 10 и 107 Вт/см2, (СН20)п-мишень, Л2 и 1,06мкм; 3,4 — 10 и 3,5-107 Вт/см2, (СН2)П-мишень, Л2 и 1,06 мкм; 1,3 — нормальное падение луча; 2, 4 — угол падения и 45°

энергоустановок с применением стандартного фотометрического оборудования. Отметим, что в температурном диапазоне 850... 1900 К регистрируется значительный (и30 %) разброс значений Д(ДА) в ВУФ-области спектра, что требует статистического анализа инструментальной погрешности в каждом спектральном интервале и дальнейшего развития данной экспериментальной технологии изучения спектрально-энергетических зависимостей Д(ДА, Т, 10) с использованием вторичных метрологических эталонов [8].

Характерной особенностью зависимостей Я(10) (рис. 3) для полимерных мишеней является наличие максимумов отражения, достигаемых (как и начало резкого роста интегрального коэффициента отражения) в области сверхпороговых для развития волны термической ионизации (плазмообразования) значений интенсивностей излучения 10 (10 > I;*). При плотности потока 10 > 107 Вт/см2 и нормальном падении излучения на плоскую мишень (рис. 3, б) 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 #и50°. При увеличении плотности потока лазерного излучения до 10тахи2-108 Вт/см2 угол поворота

диаграммы направленности уменьшается до #«20°. Интегрирование диаграммы направленности (для нормального угла падения) в пределах полусферы дает значения полного коэффициента отражения: Я (Л1) ~ 55 %. Результаты этих измерений, так же как и относительно слабая зависимость диаграммы направленности от угла ориентации мишени при /0 > 5-107 Вт/см2, соответствуют теоретически анализируемым в [8] для более высоких значений 10 и коррелируют с особенностями динамики волны поглощения лазерного излучения на длине волны Л1~10,6 мкм и Л2~1,06 мкм в газово-плазменном слое у полимерной мишени в вакууме, спектрально-яркостные характеристики которого иллюстрируются рис. 4, когда при пороговых интенсивностях воздействия /"(Л) образуется светоиндуцированная детонационная ударная волна (УВ). Оценки плазменных параметров в условиях генерации УВ при 10 > !<^(Л1) 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 Л1~10,6 мкм, что является причиной сильного отражения лазерного излучения, наблюдаемого экспериментально. При увеличении /0 плотность 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 излучения [6], что и является причиной наблюдаемого уменьшения коэффициента отражения от приповерхностной зоны при дальнейшем росте /0(£). При низких значениях плотностей потока (/0 < /р) вследствие возрастания времени плазмообразования ¿п увеличивается вклад в полные потери за счет отражения лазерного излучения непосредственно от поверхности

Рис. 4. Спектральная яркость Вн (13) и яркостная температура Т (4) в ВУФ-области спектра приповерхностной лазерной плазмы плоской (СН20)п-мишени, средние по полосам поглощения ксенона (1, 4), гелия (2), оксида азота (3) при Л„ = 1,06 мкм, Еи«170 Дж

мишеней, что объясняет увеличение доли отраженной энергии для мишени с высоким коэффициентом отражения.

Характер относительного распределения зависимости Д(ДА) в области энергий квантов 12... 70 эВ соответствует экспериментальным данным для образцов лейкосапфира и оксида кремния марки КУ-1, полученных на синхротронном источнике при T«300 K. В ИК и УФ-области фиксированных лазерных частот зондирования измеренные значения Д(Ал) для карбонитрида бора (с учетом нелинейного распределения спектральной излучательной способности А(А)) в области температур Т < 900K удовлетворительно («20 %) соответствуют аналогичным абсолютным значениям Д(АЛ) базы данных NIST и их частотной зависимости. Генерируемый многомерный массив экспериментальных результатов (частотные и температурные зависимости коэффициентов отражения, спектральные, эмиссионные, абсорбционные и рефракционные характеристики ряда наиболее употребимых тугоплавких диэлектриков, полимеров и высокотемпературных компаундов сложного химического состава) является компонентом 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 структуры которой приводится в [11].

Работа выполнена по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-4061.2007.8).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Физика экстремальных состояний вещества / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Изд-во ИПХФ РАН, 2007. - 560 с.

2. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том. Т. 2 / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2001. - С. 125-305.

3. P r o t a s o v Y u. S., P r o t a s o v Y u. Y u., S u s l o v V. I. // 35 Intersociety Energy Conversion Engineering Conference: AIAA paper № 2000-2887. N.Y.: AIAA, 2000. 7 p.

4. Протасов Ю. Ю. // 3-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии / Сб. материалов. T. 1. - Иваново, 2002. - С. 469-471.

5. Caruso A., S t r a n g i o C. // XXVII European Conf. on Laser Interaction with Matter: Book of Abstracts. Moscow, 2002. - P. 148-149.

6. Hutchinson H. // XXVII European Conf. on Laser Interaction with Matter: Book of Abstracts. - Moscow, 2002. - P. 117-118.

7. D o n a l d s o n T. P., Hubbard M., S p a l d i n g I. J. // Phys. Rev. Lett. 1976. V. 37, no. 20. - P. 1348-1351.

8. A r v e s J. P., A k y u z l u K. M. / AIAA Paper. - 2000. - No. 2000-92. - 6 p.

9. Протасов Ю. С., Протасов Ю. Ю. // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 6.

10. С о к о л о в А. В. Оптические свойства металлов. - М.: Физматлит, 1961. -464 с.

11. Корышев О. В., Ноготков Д. О., Протасов Ю. Ю., Т е л е х В. Д. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных энергетических установок. Т. 1 / Под ред. Ю.С.Протасова. - М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1999. - 640с.

Статья поступила в редакцию 15.02.2008

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 "GasTurbine 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 — научный сотрудник объединенного УНЦ фотонной энергетики. Автор более 20 научных работ в области оптики конденсированных сред.

V.V. Khristoforov — researcher of United Center for Photon Power-Engineering. Author of over 20 publications in the field of optics of condensed media.

ЖУРНАЛ "ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени Н.Э. БАУМАНА"

В журнале публикуются наиболее значимые результаты фундаментальных и прикладных исследований и совместных разработок, выполненных в МГТУ имени Н.Э. Баумана и других научных и промышленных организациях.

Журнал "Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана" в соответствии с постановлением Высшей аттестационной комиссии Федерального агентства по образованию Российской Федерации включен в перечень периодических и научно-технических изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Подписку на журнал "Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана" можно оформить через агентство "Роспечать".

Подписывайтесь и публикуйтесь!

Подписка по каталогу "Газеты, журналы" агентства "Роспечать"

Индекс Наименование серии Объем выпуска Подписная цена (руб.)

Полугодие 3 мес. 6 мес.

72781 "Машиностроение" 2 250 500

72783 "Приборостроение" 2 250 500

79982 "Естественные науки" 2 250 500

Адрес редакции журнала "Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана": 105005, Москва,

2-я Бауманская ул., д.5.

Тел.: (499) 263-62-60; (499) 263-67-98.

Факс: (495) 261-45-97.

E-mail: [email protected]