книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

Разрушение в режиме с модуляцией добротности

резонатора

Исследование области воздействия па материал из­ лучения лазера, работающего в режиме с модуляцией добротности, представляет значительные методические трудности, связанные с тем, что глубина кратера очень мала. Воздействию гигантского импульса подвергали полированные образцы, изготовленные из 20 различных химических элементов (Ga, S, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Sb, Mg, Al, Ge, Ag, Cu, Ni, Co, Fe, Ті, Mo, Та, W). Почти во всех исследованных материалах кратер вообще не воз­ никает. Как правило, на поверхности возникает пятно диаметром 2—5 мм с шероховатой поверхностью. От­ метим для сравнения, что при воздействии обычного ла­ зерного "импульса в тех же материалах наблюдалось возникновение кратеров глубиной до 2 мм (рис. 23) и значительно меньшего диаметра. При помощи обычных микроскопов обычно не удается замерить глубину кра­ тера. Для измерения глубины кратера целесообразно использовать микропрофнлографы. Исследования пока­ зали, что для сравнительно тугоплавких металлов (на­ пример, тантала) поверхность пятна покрыта примерно одинаковыми выступами и впадинами размером -~ 1 мкм [26]. Для материалов с более низкими температурами плавления и испарения высота выступов и впадин не­ сколько увеличивается (у цинка, например, достигает 3—4 мкм, у серы 10 мкм).

Расположение пиков и впадин в облученных зонах на легкоплавких металлах позволило установить неко­ торые интересные закономерности. В ряде легкоплавких металлов по периферии пятна имеется круговой выступ значительной высоты. Так, на олове после легкой поли­ ровки поверхности четко виден кольцевой выступ, кото­ рый сошлифовывается раньше основной массы образца. В расположении внутренних выступов и впадин в пят­ не не наблюдается четкой закономерности. Исключение составляет алюминий, у которого при некоторых режи­ мах облучения, кроме наружного кругового выступа вокруг пятна, наблюдается узкий пик в центре пятна.

Корреляция с тепловыми характеристиками приво­ дится не для глубины кратера, как это делается для ма­

так как эта характеристика наиболее сильно меняется при переходе от одного материала к другому. Так, на­ пример, уменьшение диаметра облученной зоны наблю­

дробление блоков и увеличение плотности дефектов кри­ сталлической решетки с 109 до 6,5 • 1010 слг2, но все эти эффекты значительно слабее, чем после воздействия им­ пульса свободной генерации. Взаимодействия с окружа­

ся в следующем. Неровности на поверхности пятна воз­ никают под действием ударной волны, которая выбра­ сывает наружу поверхностный слой материала. Размеры выступов и впадин увеличиваются по мере уменьше­ ния температур и теплот плавления и испарения мате­ риалов. Для легкоплавких материалов, в частности, давление паров успевает вытеснить расплавленный ме­ талл к периферии кратера и создать вокруг кратера кольцевой выступ. Отраженная волна приводит к дви­ жению жидкости по направлению к центру кратера и ее выплеску вверх, в результате чего в кратере,возникает центральный пик.

Ионизация

Ионизация паров материала, полученная при взаи­ модействии с мощными световыми потоками, является определяющей при регистрации как масс-спектров, так и оптических спектров. Как в том, так и в другом слу­ чае в качестве спектроскопического источника можно использовать непосредственно микроплазму, возникаю­ щую при воздействии сфокусированного излучения ла­ зера, работающего в режиме свободной генерации или модуляции добротности.

При взаимодействии обоих режимов излучения с ве­ ществом возникает термоэлектронная и термоионная эмиссия. Термические процессы, более быстрые, чем фо-

тоэлектрпческие, по-видимому, ответственны за эмиссию частиц. При средних энергиях лазера в обычном режиме до 2 дж [27] пики термоэлектронов синхронны с лазер­ ными пиками, причем пик тока эмиссии электронов достигает максимума до достижения максимума пика лазера.

В работе [28] проведено исследование электронной эмиссии, получаемой от взаимодействия луча лазера с поверхностью тантала, являющегося одним из элек­ тродов в вакуумном диоде, и определено изменение элек­ тронной эмиссии при увеличении потенциала коллекто­ ра. Ток эмиссии линейно возрастает до потенциала 7,9 е. Сделано заключение, что при этих потенциалах элек­ троны появляются исключительно благодаря термоэмис­ сии. При более высоких потенциалах ток резко возрас­ тает из-за ионизирующих столкновений электронов с па­ рами тантала, что ведет к низковольтному дуговому разряду.

Термический ионный нмпульс наблюдали при энер­ гиях до 1 дж [28—30]. Ионный ток, так же как и элек­ тронный, воспроизводил по форме хаотическое времен­ ное распределение лазерного излучения в режиме сво­

рассчитать степень ионизации и температуру паров ис­ паренной микропробы. Ниже приведены степени иони­

При таких энергиях, судя по приведенным данным, пары микропробы состоят в основном из нейтральных атомов. Причем обнаруженное незначительное количе­ ство ионов имеет положительный заряд, равный едини­ це. Следовательно, для регистрации, например, массспектров необходим дополнительный источник иониза­ ции.

Оптические спектры испускания материалов, полу­ ченные при помощи лазера, значительно отличаются от спектров, полученных в обычных источниках света, при­ меняемых в спектральном анализе. При энергиях до 10 дж спектральные линии характеризуются большой

диффузмостыо и реабсорбцией, что свидетельствует о сильном взаимодействии атомов и большом градиенте температуры в факеле. Некоторые линии с энергией возбуждения до 7—8 эв, которые в обычных спектрах являются линиями испускания, появляются как линии

2798,1 A; Cull 2247А; 2242А [13]). Отмеченные особен­ ности спектров, полученных при воздействии излучения лазера на вещество, затрудняют их использование для решения спектроаналитических задач. Однако имеются возможности изменения характера спектра вещества, испаренного излучением лазера.

Зависимость интенсивности свечения плазменного факела от давления атмосферы вызывает значительные изменения в спектрах. Именно это явление можно ис­ пользовать для улучшения качества эмиссионного спектра.

Установлено [13], что по мере понижения давления с 740 до 0,05 мм рт. ст. диффузность и реабсорбция спектральных линий, а также интенсивность фона умень-

оо

шаются. Линии Mg l 3929,3 А; 3932,3 А, которые при нор­ мальном атмосферном давлении являются линиями по­

ем давления вклад вторичного свечения в интенсивность спектров уменьшается. При давлениях ниже 5 мм рт. ст. спектр обусловлен первичным свечением сферического облака у поверхности образца. Фотографируя излуче­ ние участков факела, расположенных на 3—5 мм выше поверхности образца, при давлениях окружающей ат­

к спектрам дуговых и искровых источников света, при­ меняемых в спектральном анализе.

в режиме с модуляцией добротности. Острый пик высо­ коэнергетического излучения создает электронную эмис­ сию на поверхности материалов [31]. Начало эмиссии запаздывает по отношению к лазерному импульсу на

рых». Форма и амплитуда импульса эмиссионного тока соответствуют рассчитанным в предположении, что ла­ зерным излучением производится термоэлектронная эмиссия. Поверхностная температура, полученная экс­ периментально н рассчитанная по уравнению Ричардсо­ на [32, 33, 35], находится в интервале 3400—7000° К. Результаты измерений обнаруживают линейную зависи­ мость прироста поверхностной температуры от ампли­ туды лазерного излучения. При помощи интерферомет­ ра Фабри — Перо п используемого в качестве светового зонда Н е — N e газового лазера в работе [15] измерено распределение электронной плотности по сечению плаз­ менного факела н определена зависимость электронной плотности от плотности излучения лазера.

переднего фронта. Электронная плотность в плазме уве­ личивается очень быстро, как только первый электрон вырывается из поверхности графита. После того как ионизация становится заметной, большая часть энергии

вещества при увеличении плотности мощности. В отли­ чие от поверхностной температуры температура продук­ тов эмиссии на порядок выше и, согласно данным [34], может достигать 15000° К. Особую роль в процессе на­ грева играет «тормозное поглощение», которое является обратным по отношению к тормозному изучению элек­ тронов.

Процесс поглощения для полностью ионизированной плазмы связан с электронными столкновениями [34]. При низких электронных плотностях эффект нагрева не

для вольфрама) температура плазмы резко возрастает. При электронной плотности в плазме ниже этой точку

поглощенное лазерное излучение не вызывает заметно­ го нагрева.

Процесс ионизации протекает, по-видимому, следу­ ющим образом. Термоэлектроны, получившие от фото­ нов лазерного излучения энергию, передают ее посред­ ством соударений ионам в небольшой части плазмы, ио­ низируя и нейтральную компоненту. Степень ионизации при воздействии гигантского импульса на поверхность материалов превышает 98%• Расчеты скорости реком­

В работе [36] измерены пороговые значения плотно­ сти мощности излучения лазера на поверхности графи­

Измерение энергетического спектра ионов показало, что имеется большой разброс ионов по значениям энер­ гий. Были обнаружены ионы с энергиями 0—4 кэв [30].

Табл. 3 иллюстрирует разброс энергий для некото­

большую степень ионизации, имеют и большую среднюю энергию.

Г л а в а 2

Анализ испаренной лазером микропробы

по оптическим спектрам

Довозбуждение плазмы при лазерном микроанализе

Спектральные характеристики плазмы, выбиваемой лазерным импульсом с поверхности исследуемых образ­ цов, неблагоприятны для проведения непосредственного

1 Кн

Рис. 29. Электрическая схема генератора искры довозбуждеиия для лазерного локального спектрального микроанализа [48]:

эмиссионного спектрального анализа [39, 44]. В связи с этим были созданы генераторы высоковольтного раз­ ряда, «подогревающего» плазму, образующуюся в ре­ зультате взаимодействия лазерного излучения с веще­ ством. Одним из первых приборов, работающих на этом принципе, была установка «Laser МісгоргоЬе» фирмы «Джеррел-л Эш» [45]. В нем на микроэлектроды, распо­ ложенные по обе стороны от изучаемой микрообласти

образца, которую надлежит облучить лазерным импуль­ сом, подается напряжение, недостаточное для пробоя воздушного промежутка. Однако при прохождении че­ рез этот промежуток микрофакела ионизированной плаз­ мы этого напряжения становится достаточно для про­ боя.

При этом высоковольтный разряд не только подогре­ вает плазму, улучшая ее спектральные характеристики, но и испаряет мелкие капли расплавленного вещества, увлекаемые из кратера потоком паров. В результате этого увеличивается количество вещества, превращаемо­ го в плазму, существенно понижаются порог чувстви­ тельности анализа и минимальный размер зоны пораже­ ния образца.

На рис. 29 представлена схема генератора искры довозбуждения плазмы [45].

Высоковольтный источник постоянного напряжения заряжает конденсаторы Сі и С2 разрядного контура и кон­ денсатор С3 , питающий поджигающее устройство. При использовании установки в качестве генератора высоко­ вольтного разряда для обычного спектрального микро­ анализа переключатель Л 3 замыкается на землю. При проведении лазерного локального анализа напряжение 1,5 кв подводится через переключатель Л 3 к аналитиче­ скому разрядному промежутку АП и вызывает его пробой при испарении анализируемого вещества лазерным им­ пульсом.

В этом случае конденсатор С3 , разряжаясь через пер­ вичную обмотку импульсного трансформатора, обеспе­

вызываемый разрядом конденсатора С\. На него накла­ дывается импульс с силой тока менее 200 а и длительно­ стью 400—500 мксек, вызываемый разрядом конденсато­ ра С2. Согласно данным [45], первый импульс создает благоприятные условия для возбуждения спектральных линий элементов с высокими потенциалами возбуждения.

Серийно выпускаемые промышленностью лазерные микроанализаторы

В последнее время были созданы специальные уста­ новки для лазерного локального анализа, заслуживаю­ щие отдельного рассмотрения.

Уже несколько лет фирма «Карл Цейсе» (ГДР) вы­ пускает микроаиализатор LMA-1. В нем твердотельный лазер типа ZFL 1000 применяется в сочетании с микро­ скопом и спектрографом PGS-2 с плоской дифракцион­ ной решеткой. В результате получен лазерный микро­ зонд, который может быть настроен для визуального на­ блюдения, измерения и «обстрела» микроучастков образ­ ца при помощи лазерного излучения. Блок питания лазе­ ра способен обеспечивать энергию накачки до 1000 док для линейной ксеноновой импульсной лампы.

Стержень резонатора (рубин или неодиновое стекло) и импульсная лампа размещены в эллипсо-цилиидриче- ском рефлекторе с воздушным охлаждением. Напряже­ ние лампы накачки может плавно изменяться до 2 кв, а поджиг лампы осуществляется нажатием кнопки на панели блока питания или ручной клавиши. Автоколли­ мационная система обеспечивает точную юстировку и центрировку резонатора. Максимальная частота им­ пульсов составляет 3 имп/мин.

Резонатор с активным элементом диаметром 9,5 мм и длиной ~110 мм, имеет призму со 100%-ньш отражени­ ем и с углом при вершине 90°. Плоский посеребренный лучепропускающий торец стержня служит для выхода

Количество испаряемого вещества в зависимости от параметров лазера и облучаемого вещества может со­ ставлять 0,3—20 мкг.

На расстоянии примерно 1—2 мм над поверхностью образца расположены концы двух угольных электродов, отстоящих друг от друга на расстоянии 1—3 мм. К элек­ тродам может быть приложено постоянное напряжение 1—5 кв, недостаточное для пробоя воздушного проме­ жутка. Испаренная плазма, возникшая в результате лазерного облучения образца, в достаточной степени ионизирована для возбуждения пробоя искрового про­ межутка. Светящаяся плазма образуется в основном из испаренного материала образца, количество материа­ ла электродов в плазме незначительно.

Для лазерного микроспектрального анализа в уста­ новках LMA используют как спектрографы с дифрак­ ционной решеткой типа PGS-2, так и призменные спект­ рографы типа G-24. Линейная дисперсия спектрографа

о

PGS-2 составляет 7,4 А/мм в первом порядке (при оди-

о

парном прохождении лучей) и 3,7 А/мм во втором по­ рядке (при двойном прохождении лучей).

Линейная дисперсия кварцевого спектрографа G-24

Микроскоп состоит из юстируемого основания, систе­ мы специальных объективов, автоколлиматора для юстировки лазера, оптического приспособления со смен­ ными диафрагмами, стойки с осветительным . устройст­ вом, держателя с предметным столиком, имеющего боль­ шой предел перемещения по высоте, конденсора, юсти­ руемого держателя электродов довозбуждения плазмы, бинокулярного тубуса для визуального наблюдения и микрофотомасадки. Конструкция микроскопа позволяет