マイクロ波を使用したレーザーアブレーションプラズマ膨張

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13901 (2023) この記事を引用

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この研究では、Zr ターゲットの一時的なレーザー アブレーション プラズマの膨張を維持するためにマイクロ波を利用する可能性を調査します。 プラズマにマイクロ波を適用すると、プラズマ発光強度が 2 ～ 3 桁増加し、プラズマの空間体積が 18 倍増加するという大幅な増強が観察されました。 プラズマの温度変化を調査し、温度が 10,000 K から約 3000 K に低下することを観察しました。プラズマはマイクロ波を使用すると空気中で維持できますが、周囲の空気の相互作用が増加するため、体積膨張とともに電子温度が低下しました。 温度低下中の電子温度の上昇は、プラズマが非平衡であることを示しています。 私たちの結果は、制御された低温での放出の強化とプラズマ形成の促進におけるマイクロ波の寄与を強調しており、それによってレーザー誘起降伏分光法の精度と性能を向上させるマイクロ波の可能性を実証しています。 重要なことに、私たちの研究は、マイクロ波はアブレーション中の有毒なヒュームや粉塵の発生も軽減できる可能性があることを示唆しており、これは危険な物質を扱う際に重要な利点です。 私たちが開発したシステムは、特に核デブリの廃止措置中に発生する可能性のある有毒ガスを減らす可能性を含む、さまざまな用途にとって非常に価値があります。

レーザー アブレーション プラズマは、空間内で急速に膨張し、ナノ秒からマイクロ秒以内に消散するブレークダウン プラズマを生成し、機器、医療、産業で広く応用されています 1, 2。これには、サンプル ターゲットをパルス レーザーに曝露することが含まれ、その結果、次のような特性を備えたプラズマが生成されます。自己吸収、反射、冷却などのさまざまな要因により大きく変化します。 プラズマ特性の制御は、プラズマの発光によって実証できます。

レーザー誘起破壊分光法 (LIBS)3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 を使用した分析アプリケーションは、科学と産業における強力なツールであることが証明されています。 プラズマの発光量はプラズマを生成する環境条件によって大きく異なり、低圧半導体製造装置14、15、真空中の宇宙用途、元素分析16など、さまざまな用途でその特性を制御することができます。 、17、18、高圧内燃エンジン19、深海用途20。 しかし、アブレーションプラズマは通常、体積サイズの変化やプラズマ寿命21などのシステム制約によりその拡張が制限されます。この制約は、マイクロ波とパルスレーザーを組み合わせることによりマイクロ波強化LIBSによって対処されており、その結果システムの性能が大幅に向上します21。 22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32。 マイクロ波エネルギーはプラズマをはるかに長い期間維持できるため、プラズマの発光強度はマイクロ波の重ね合わせによって大幅に強化され、より多くの発光イベントが発生することが可能になります15、22、31、33、34、35、36、37、38、39。 、40、41、42、43、44、45、46。 さらに、プラズマの空間容積は 2 桁拡大され、システムによって放出および検出される光の量がさらに増加し​​ます。 放出される光の量のごくわずかな変化でも測定の精度に大きな影響を与える可能性があるため、これは高感度が必要なアプリケーションにとって非常に重要です。

LIBS 内のレーザー誘起プラズマは、平衡状態または非平衡状態のいずれかで存在できます 47、48、49。 非平衡プラズマでは特定の原子または分子線の発光強度が増強または抑制される可能性があるため、より信頼性が高く正確な分析方法を開発するには、LIBS における平衡プラズマと非平衡プラズマの違いを理解することが重要です50、51。 -強化されたLIBSでは、特に回転温度と振動温度において、明確な非平衡特性が観察されました。 アブレーションプラズマ特性の急速な変化を解明するために回転温度と振動温度21が測定され、プラズマの体積膨張により振動温度が1ms以内に12,000 Kから約2200 Kに低下することが示されました21。 他の多くのプロセスがプラズマの膨張に関与しており、常に温度低下を伴うわけではありませんが、マイクロ波の膨張と維持期間（アブレーション後数マイクロ秒）中のプラズマの膨張と温度低下は、相互作用の増加によって引き起こされると理論付けしました。プラズマと周囲の大気との間。 マイクロ波カップルアブレーションにおけるレーザーアブレーションプロセスにおける衝撃波の寄与は、レーザーの点火とレーザー誘起プラズマへのマイクロ波の浸透との間に時間遅延があるため、重要ではないと考えられています。 この遅延は、レーザー誘起プラズマ密度がマイクロ波の透過に必要な臨界密度 (約 1010 ～ 1011 cm-3) を下回るまでマイクロ波が待たなければならないために発生します。 2.45 GHz のマイクロ波放射周波数の場合、この臨界密度は通常 7 × 1010 cm−352 程度になります。 空気中でのプラズマの維持中、電子は加速され、マイクロ波注入期間中に特定のレベルに維持されます。 マイクロ波増強プラズマの物理学は、プラズマの温度と空気中でのその持続性を比較することによって実証できます。