Формирование аэрозолей с помощью мощного лазерного импульса

     Так как в продуктах абляции образуются частицы мелких размеров от 1 нм  до 100 нм, которые обычно называют «наночастицами». То формирование аэрозолей и наноструктур таким методом также представляет большой интерес. Еще одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Ученым уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10⁻¹¹ тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

     Все эти методы исследования показали [1,2], что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трехмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок, двумерные объекты – пленки, получаемые методами молекулярного наслаивания, методом ионного наслаивания, одномерные объекты – вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д. Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие-либо несущие матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоев.

      Целью дипломной работы является теоретическое  изучение процессов формирования вторичных  аэрозолей путем испарения тугоплавкой мишени и дальнейшей переконденсации испаренного вещества при расширении.

      Задачи  исследования:

      1. Исследование математической модели  процесса взаимодействия лазерного импульса с тугоплавкой мишенью.

      2. Исследование влияния условий взаимодействия на параметры образующихся наночастиц.

      3. Численное решение уравнений  газовой динамики, описывающих разлет  испаренного вещества.

      1. Расширение парогазового  потока при сильном  испарении

     Рассмотрим  сферическую частицу радиуса  a, свободно взвешенную в холодном неподвижном воздухе и находящуюся в поле мощного лазерного излучения. За счет радиационного нагрева частица в короткое время достигает максимальной температуры около 4000 К и начинает интенсивно испаряться, выбрасывая избыток энергии с испаренным веществом. Ввиду высокой плотности испаренного вещества мы будем описывать процесс расширения уравнениями газовой динамики, как это делается в большинстве работ по лазерному испарению [4-15].

     Для построения модели взаимодействия и  отыскания полей распределения параметров в окружающем пространстве в самом общем случае надо решать систему нелинейных газодинамических уравнений в частных производных. Данную систему, во-первых, довольно сложно корректно описать, во-вторых, решение ее без соответствующих приближений практически невозможно. Чтобы получить приемлемые результаты, необходимо ввести некоторые упрощения относительно происходящих процессов и, приняв приближенное решение за основное, рассчитать поправки на сделанные ограничения, описав их как возмущения.

     Уравнения газовой динамики, описывающее поле температур и поле парциальных давлений компонент в окрестности испаряющейся частицы, которые представляют собой законный сохранения массы, энергии и импульса, соответственно, запишем в виде:

где

     Здесь и – соответственно, концентрация и масса молекулы i-го сорта, причем i = 0 – испаренному углероду, 1 – соответствует кислороду, 2 – продуктам гетерогенной реакции выгорания частицы, 3 – нейтральной компоненте, – массовая корость газовой смеси, D – коэффициент взаимодиффузии, n – суммарная (полная) концентрация парогазовой фазы, P – давление, E – энергия единицы объема газа, T – температура, – теплоемкость -го сорта газа в рассечете на одну молекулу.

     Система уравнений записана с учетом взаимодиффузии газовых компонент и передачи тепла преимущественно за счет кондуктивного теплообмена. Коэффициенты тепломассообмена не являются константами, поскольку существенно зависят от температуры. Термодиффузия, бародиффузия и вязкость смеси не учитываются вследствие их малости.

     Практически главным упрощением модели можно  считать использование сферически-симметричного  приближения. Оно заключается в  том, что все основные величины начинают зависеть только от одной переменной: модуля радиус-вектора, проведенного из центра частицы. Это резко сокращает количество исходных уравнений и значительно облегчает нахождение и задание граничных условий.

     Существует  несколько механизмов нарушения  такого приближения. Прежде всего, это сами геометрические характеристики аэрозольных частиц – отличие формы их поверхности от сферической. Однако, судя по наблюдениям формы частиц под микроскопом на примере грубодисперсной сажи марки ПМ-100 и некоторым данным, количество частиц, имеющих резко несферичную форму, в процентном соотношении невелико. Такая несферичность может приводить к фрагментации частиц при сильном нагреве вследствие неравномерности температурного поля. Фрагментация может вызываться также наличием полостей внутри частиц, высоким содержанием в них летучих примесей и неоднородностью химического состава.

     Имеет место даже мнение, и не без оснований, что вследствие фрагментации использование приближения сферической симметрии в данной задаче невозможно. Однако опытным путем было установлено (в результате съемки на скоростную кинокамеру типа ПУСК-16 и измерения оптической плотности расширяющегося парогазового облака), что раскалывание частиц происходит не чаще, чем их длительное стационарное испарение и/или горение. В работе [20]  показаны кинограммы полученные в лаборатории, в которых видно, что процессы испарения и разлета вещества происходят таким образом, что фотоснимки позволяют утверждать возможность использования сферически-симметричного приближения для данной задачи (т.е. для воздействия МЛИ на углеродистые частицы).

     Вторым приближением является допущение квазистационарности процессов испарения и разлета испаренного вещества от поверхности аэрозольной частицы. Оно достаточно хорошо выполняется при воздействии непрерывным излучением и импульсным, при его достаточной длительности (не менее 1 мс). За короткое время частица нагревается до максимальной температуры и выходит на установившийся режим, в котором изменение температуры происходит значительно медленнее. Именно на эту, вторую часть взаимодействия и вводится приближение квазистационарности.

      2. Лазерная абляция вещества

     Специфика рассматриваемой ситуации заключается  в наличии острой фокусировки лазерного излучения, что предполагает быстрое схождение излучения после линзы в очень малое пятно. Конфигурация плотности лазерного излучения, напоминающая по форме сходящийся к мишени конус с возрастающей плотностью энергии, приводит к возникновению ряда особенностей. При такой геометрии у поверхности мишени плотность, излучения может достигать очень больших значений, а затем быстро убывать при удалении от нее. Это при водит к тому, что зарождающаяся у поверхности мишени ударная волна при распространении от поверхности будет все меньше поддерживаться поглощенной энергией излучения. При этом в сравнительно небольшой области плазмы у поверхности мишени достигаются максимальные значения газодинамических параметров, остальная же, большая, часть облака расширяется достаточно равномерно, образуя при соприкосновении с подложкой большую напыленную поверхность. Подогрев облака осуществляется практически в стационарном режиме, обеспечивая более длительное его существование и, следовательно, большие масштабы напыления.  Осаждаемые пленки неоднородны по толщине. Профиль толщины пленки определяется угловым распределением потока испаренного вещества, которое, в свою очередь, зависит от режима испарения и формы фокального пятна. Однако почти во всех теоретических работах расширение пара предполагалось изотермическим, что не согласуется ни с экспериментом, ни с численными расчетами. В работе рассмотрен случай адиабатического разлета пара. Однако анализ относится к частному случаю аксиально-симметричного течения пара, которое реализуется, когда фокальное пятно имеет круговую форму. В экспериментах и приложениях часто используются пучки некруговой апертурой и наклонное падение лазерного луча на мишень. В этих случаях течение пара не обладает аксиальной симметрией. Следует заметить, что начальная асимметрия парового облака не «забывается» в процессе его расширения. Напротив, форма облака на поздних стадиях разлета и профиль осаждаемой пленки как раз и определяются этой начальной асимметрией. Например, в случае эллиптического фокального пятна осажденный материал образует на подложке пятно также эллиптической формы, но с осями, повернутыми на угол 90 (так называемый «flip-over effect»). Такого рода эффекты, естественно, не могут быть объяснены в рамках осесимметричной модели.

     Отметим, что пространственная структура  парового (плазменного) факела, образованного у поверхности твердой мишени под действием наносекундного лазерного импульса, была подробно изучена экспериментально еще в 60-е годы. Было установлено, что непосредственно у поверхности мишени образуется плотное облако (n ) испаренного материала, размер которого увеличивается в течение лазерного импульса. Это увеличение размера вызвано, в основном, испарением материала мишени. Оно резко замедляется после окончания импульса. Затем видимая граница плотного облака начинает медленно смещаться обратно к поверхности из-за расширения облака в вакуум. Простая оценка показывает, что в типичных случаях такое приближение газовой динамики остается достаточно точным, пока размер облака не превышает 3-10 сантиметров. При достаточно высоких интенсивностях излучения плотное облако окружено разреженной плазменной оболочкой, внешний слой которой составляют электроны, а внутренний – ионы. Из-за относительно малой массы плазменная оболочка практически не влияет на динамику расширения плотного ядра.

     Рассмотрим  адиабатическое расширение в вакуум однокомпонентного парового облака в форме эллипсоида. Расширение описывается системой аналогичной (1-3), с заменой уравнения (3) на закон изменения энтропии

     Приближенное  решение такой задачи можно провести для случая расширения парогазового облака, если считать во всех его точках температуру одинаковой.

      3. Конденсация продуктов  разрушения

     Расширяющееся вещество при остывании начинает конденсироваться, что приводит к  образованию аэрозоля. Дисперсность частиц такого аэрозоля, их количество и спектр размеров определяется параметрами взаимодействия.

     Решение этой задачи получается путем рассмотрения двух отдельных этапов.

     Первый  заключается в решении уравнения  кинетики конденсации отдельной частицы. После отрыва от поверхности частицы происходит быстрое остывание испаренного вещества. Такое остывание приводит к значительной степени переохлаждения или перенасыщения в расширяющейся парогазовой фазе. Как следствие неизбежно должна происходить конденсация излишков пара на зародышах твердой фазы. Образование центров конденсации возможно по двум принципиально различным механизмам – гомогенному и гетерогенному. Теория протекания таких процессов имеет обширную библиографию и базируется на классических работах Фольмера, Зельдовича и др. Конденсация в облаке пара, расширяющегося в вакуум, была ранее рассмотрена в работах [1,2], где найдено влияние процессов конденсации испаренного вещества на параметры течения пара и спектра размеров конденсата.