Espansione del plasma per ablazione laser mediante microonde

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13901 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio esplora il potenziale dell'utilizzo delle microonde per sostenere l'espansione del plasma transitorio di ablazione laser del bersaglio Zr. Applicando le microonde al plasma, osserviamo un miglioramento significativo con un aumento di due o tre ordini di grandezza nell'intensità dell'emissione del plasma e un aumento di 18 volte nel volume spaziale del plasma. Investighiamo il cambiamento di temperatura del plasma e osserviamo che diminuisce da 10.000 K a circa 3.000 K. La temperatura degli elettroni diminuisce con l'espansione del volume a causa della maggiore interazione con l'aria circostante, mentre il plasma può essere mantenuto nell'aria utilizzando le microonde. L'aumento della temperatura degli elettroni durante la caduta di temperatura è indicativo di un plasma non in equilibrio. I nostri risultati sottolineano il contributo delle microonde nel promuovere un’emissione potenziata e la formazione di plasma a bassa temperatura controllata, dimostrando così il potenziale delle microonde per migliorare l’accuratezza e le prestazioni della spettroscopia di degradazione indotta dal laser. È importante sottolineare che il nostro studio suggerisce che le microonde potrebbero anche mitigare la generazione di fumi e polveri tossici durante l’ablazione, un vantaggio fondamentale quando si maneggiano materiali pericolosi. Il sistema che abbiamo sviluppato è estremamente prezioso per una serie di applicazioni, tra cui in particolare la possibilità di ridurre la possibile comparsa di fumi tossici durante lo smantellamento dei detriti nucleari.

Il plasma per ablazione laser genera un plasma di decomposizione che si espande rapidamente nello spazio e si dissipa in tempi che vanno dai nanosecondi ai microsecondi, trovando applicazioni diffuse nella strumentazione, nella medicina e nell'industria1, 2. Implica l'esposizione di un campione campione a un laser pulsato, ottenendo un plasma con caratteristiche che possono variano in modo significativo a causa di vari fattori, tra cui l'autoassorbimento, la riflessione e il raffreddamento. Il controllo sulle caratteristiche del plasma può essere dimostrato dalle emissioni di plasma.

Le applicazioni analitiche che utilizzano la spettroscopia di degradazione indotta da laser (LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 si sono rivelate uno strumento potente nella scienza e nell'industria. La quantità di emissione di plasma può variare notevolmente a seconda delle condizioni ambientali in cui viene generato il plasma e le sue proprietà possono essere controllate per una serie di applicazioni come apparecchiature per la produzione di semiconduttori a bassa pressione14, 15, applicazioni spaziali nel vuoto, analisi elementare16 ,17,18, motori a combustione interna ad alta pressione19 e applicazioni in acque profonde20. Tuttavia, i plasmi da ablazione sono generalmente limitati nella loro espansione a causa di vincoli del sistema, come la variazione delle dimensioni del volume e la durata del plasma21, limitazioni che vengono risolte dal LIBS potenziato con microonde combinando microonde e laser pulsati con conseguente miglioramento significativo delle prestazioni del sistema21, 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. L'intensità di emissione del plasma viene aumentata significativamente dalla sovrapposizione delle microonde perché l'energia delle microonde può sostenere il plasma per un periodo molto più lungo, consentendo il verificarsi di più eventi di emissione15, 22, 31, 33,34,35,36,37,38,39 ,40,41,42,43,44,45,46. Inoltre, il volume spaziale del plasma viene ampliato di due ordini di grandezza, il che aumenta ulteriormente la quantità di luce emessa e rilevata dal sistema. Ciò è fondamentale per le applicazioni che richiedono un'elevata sensibilità poiché anche cambiamenti trascurabili nella quantità di luce emessa possono influire in modo significativo sulla precisione della misurazione.

Il plasma indotto dal laser in LIBS può esistere in stati di equilibrio o di non equilibrio47,48,49. È fondamentale comprendere le differenze tra i plasmi in equilibrio e quelli non in equilibrio nella LIBS per sviluppare un metodo analitico più affidabile e accurato poiché il plasma non in equilibrio può comportare intensità di emissione aumentate o soppresse di determinate linee atomiche o molecolari50, 51. Nel contesto delle microonde -LIBS potenziato, abbiamo osservato distinte caratteristiche di non equilibrio, in particolare nelle temperature rotazionali e vibrazionali. Le temperature rotazionali e vibrazionali21 sono state misurate per chiarire il rapido cambiamento nelle caratteristiche del plasma di ablazione, indicando che l'espansione del volume del plasma porta a una diminuzione della temperatura vibrazionale da 12.000 K a circa 2200 K entro 1 ms21. Sebbene molti altri processi siano responsabili dell’espansione del plasma e non sia sempre accompagnata da un calo di temperatura, abbiamo teorizzato che l’espansione del plasma e il calo di temperatura durante il periodo di espansione e mantenimento delle microonde (pochi microsecondi dopo l’ablazione) sono causati dalla maggiore interazione tra il plasma e l’atmosfera dell’aria circostante. Il contributo delle onde d'urto nel processo di ablazione laser nell'ablazione con coppia di microonde è considerato insignificante a causa del ritardo temporale tra l'emissione del laser e la penetrazione delle microonde nel plasma indotto dal laser. Questo ritardo si verifica perché le microonde devono attendere che la densità del plasma indotto dal laser scenda al di sotto della densità critica (da ~ 1010 a 1011 cm-3) richiesta per la penetrazione delle microonde. Per una frequenza di radiazione a microonde di 2,45 GHz, questa densità critica è tipicamente dell'ordine di 7 × 1010 cm−352. Durante il mantenimento del plasma nell'aria, gli elettroni possono essere accelerati e mantenuti ad un certo livello durante il periodo di iniezione delle microonde. La fisica del plasma potenziato dalle microonde può essere dimostrata confrontando la temperatura del plasma e il suo mantenimento nell'aria.