碰撞等离子体和停滞层——一个潜在的分析技术平台

碰撞等离子体由于其潜在的意义使用增长在一个不同的各种各样的分析和处理环境。碰撞等离子体研究被用于模型和模拟等离子体相互作用,如发生在《天体物理学的规模和那些被用来探索核聚变能源发电。加上这是他们潜在的应用在材料科学处理等薄膜的脉冲激光沉积(骑士)。替换所产生的等离子体羽流与来自多个单脉冲等离子体也在探索标准的分析技术,如激光诱导击穿光谱(LIBS),激光ablation-inductively耦合等离子体质谱法(介绍)和基质辅助激光解吸电离时间flight-mass谱(MALDI-TOF-MS)。

当两个或两个以上的独立推导出等离子体和流动对彼此接近时,他们形成一个互动区域的等离子体。这个地区常被称为停滞层。关键参数或特征描述等离子体在这个地区包括密度、温度、几何、组合、和动力学。相比,等离子体羽流产生一个脉冲,停滞层形成于counter-propagating等离子体羽流提供了一种手段,显著提高等离子体的控制,进而更好的调整等离子体的关键参数——密度,温度,等等——一个特定应用程序的需求。例如,控制密度可以战斗不透明度问题,有时发生在LIBS技术。同样,控制纳米颗粒的形成在停滞层可以造福介绍分析。

许多不同的集团之一[1 - 7]在世界各地有加剧他们的努力在这个领域的研究是等离子体物理组的都柏林城市大学都柏林城市大学()教授的指导下J科斯特洛(4、5)。光学和粒子诊断通知他们目前与研究和行业合作伙伴停滞层应用于激光消融为基础的分析技术,目的是开发和演示关键性能参数增强激光的明智的选择和实验配置。

实验安排

激光产生的等离子体产生与高功率短脉冲激光通常几纳秒脉冲的持续时间。因此产生的等离子体羽流发展的ns微秒时间尺度进行ICCD相机捕捉图像和光谱的理想工具,其时间分辨率能力几ns。都柏林城市大学的团队使用一个和或iStar DH334T和一个ICCD DH534在这个案例研究中概述的工作。图1显示了一个典型的设置的示意图用于生成和碰撞等离子体的光学诊断。

Surelite三世Nd: Yag激光器在波长1064纳米操作,生成800 mJ 6脉冲ns的半最大值宽度,专注于目标产生等离子体羽流。布儒斯特窗和半波板用于控制脉冲能量。系统设计的一个关键组件是一个楔形棱镜用于把光束分成两部分组成。这些然后通过透镜聚焦每个光束的光斑尺寸~ 100µm如部分(b)所示的图。两者之间的距离D焦距与镜头焦距f和楔形棱镜角吗?和折射率n[5]的关系:

一个旋转的目标,放在一个真空室压力1 x10-7 mBar,用于刷新目标材料。创建了两个种子等离子体,碰撞形成停滞层(在合适的情况下)。

宽带光学成像(图1 (c))和光谱成像技术(图1 (d))同时进行使用和或快速封闭了CCD相机。宽带成像使用一个变量变焦镜头聚焦图像上的芯片和或DH534相机;这主要是用于监控高度敏感的设置而进行光谱测量。

第二个变量变焦镜头是用于光谱成像。光光谱仪由0.5米Czerny-Turner山与环形准直和聚焦镜使aberration-corrected平场成像。Chromex光谱仪连接到一个和或iStar DH334T相机模型。设置允许时间,停滞的空间和光谱分辨率层。

结果

图2:时间停滞的综合宽带发射成像层上创建一个140°锲入锡(Sn)目标

time-integrated光学图像如图2所示的停滞层使用一罐生成目标。这两个产生的激光束的强度比率~ 1:1的目标的辐照度~ 1010 W /厘米²。

集中的激光脉冲辐照板目标楔角为140°之间,种子1.3毫米的分离。图3显示了一个从空间频谱分辨光谱法实验中有两个不同的目标,铝(Al)和钛(Ti),等离子体相隔2.6毫米。记录每个目标的光谱空间解决,但是幽灵似地不同,所以产生的时间集成频谱显示两者之间停滞的程度。从这个图很明显,停滞层,对应于中线的形象,很好定义,有很少或根本没有互相贯通。

碰撞等离子体——一些基本面

当两个计数器传播laser-produced等离子体碰撞有两种极端的结果。如果这些所谓的种子等离子体有一个大的相对速度和碰撞平面的低密度等离子体羽流将倾向于互相渗透。另一方面,当等离子体之间的相对速度很小,等离子体成分会在碰撞飞机迅速减速,形成一层所谓的停滞。随着时间的推移,材料的吸积和压缩在停滞层将产生显著增加当地的温度和密度。在许多情况下,这些极端政权之间的中间,通常被称为“软停滞”,一个扩展区域混合两种等离子体渗透的结果。

帮助确定哪些停滞政权期待,collisionality参数被定义为[2]:

ς= D /λ_二世

在D两种等离子体和λ之间的分离吗_二世是ion-other离子平均自由程,给出的:

在哪里米_我离子质,v₁₂是相对等离子体流速度(影响),问是元电荷,z平均电离的等离子体,n_我等离子体密度在碰撞飞机吗ln(Λ₁- - - - - -₂)是所谓的库仑对数(所有在SI单位)。“ion-other离子平均自由程分离”是指从一个种子等离子体离子之间的相互作用与其他种子等离子体。很明显,ion-other离子平均自由程是高度敏感的v₁₂。因此,后者可用于控制等离子体的温度。这个相对等离子体流速度是由“我”和激光波长激光功率密度通过通常的(Iλ“λ”²)ⁿ,n< 1,标度律。这说明了一个修改的控制旋钮的等离子体参数。

最终工程的激光参数可以用来控制collisionality因此停滞层的硬度,当然电子(因此离子)密度也控制的激光波长,以及等离子体工程,这是微妙的平衡之间的耦合参数,一个是试图实现任何特定的优化工作。

结论

实验表明,collisionality参数ς可以由不同种子控制距离、坡度角的目标,和输入激光参数,并且通过改变ς停滞的一个可以改变的许多属性层,如温度、密度、电离度和几何。有一个广泛的应用程序配置中添加羽毛可以利用程度的控制,包括库,介绍和MALDI-TOF,提高性能和降低成本的潜力。在更换停滞的单脉冲柱层被认为是相关的,所需的最小光学和通用微创碰撞等离子体的性质设置将导致成本效益升级当前的技术。

确认:欣赏是感激地扩展到Colm法伦博士国家科学中心等离子科技,DCU之后,都柏林。这项工作是由爱尔兰科学基金会(SFI)。

引用:

1. 李,c K。,D. D. Ryutov, et al. "Structure and Dynamics of Colliding Plasma Jets." Physical Review Letters 111(23): 235003 2013
2. 梅里特,e . C。,A. L. Moser, et al. "Experimental Characterization of the Stagnation Layer between Two Obliquely Merging Supersonic Plasma Jets." Physical Review Letters 111(8): 085003 2013
3. 福克斯,W。,G. Fiksel, et al. "Filamentation Instability of Counterstreaming Laser-Driven Plasmas." Physical Review Letters 111(22): 225002 2013
4. 耶茨、P。,C. Fallon, et al. "Atomic mass dependent electrostatic diagnostics of colliding laser plasma plumes." Physics of Plasmas 20(9) 2013
5. 甘比诺,N。,P. Hayden, et al. "Dynamics of colliding aluminium plasmas produced by laser ablation." Applied Surface Science 272: 69-75 2013
6. Kuramitsu Y。,Y. Sakawa, et al. "Long time evolution of collisionless shocks in laser produced counterstreaming plasmas." High Energy Density Physics 9(1): 222-225 2013
7. 罗森博格,m . J。,J. S. Ross, et al. "Characterization of single and colliding laser-produced plasma bubbles using Thomson scattering and proton radiography." Physical Review E 86(5). 2012