Российские исследователи представили способ, позволяющий в режиме реального времени отслеживать распределение температур внутри плазменного «облака» — факела, который формируется при взаимодействии лазерных лучей с материалами. Предложенная технология даст шанс усовершенствовать процессы производства микрочипов и разработки теплозащиты для многоразовых космических аппаратов и кораблей. Ученые уже начали проводить опыты с соответствующими материалами. Подробнее — в материале «Известий»
Как заглянуть внутрь раскаленной плазмыСпециалисты Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова разработали новую методику и комплект оборудования для бесконтактной диагностики горячей плазмы — факела ионизированного газа, возникающего при экстремальных температурах. Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ).
По версии авторов, предложенный «термометр» позволяет увидеть внутреннюю структуру быстро меняющегося раскаленного «облака» и оперативно построить карту температурного поля внутри него. Это дает возможность судить о составе и структуре исследуемого материала.
— Плазма — это газ из заряженных частиц. Ее используют во многих технических задачах. Например, изучая свойства материала, исследователи «ударяют» по нему лазерным импульсом. В результате часть вещества на его поверхности ионизируется и испаряется, образуя плазменную вспышку. Этот сгусток энергии живет микросекунды, но внутри нее происходят сложные процессы. Предложенный метод позволяет получить термический «портрет» этой области, — объяснил «Известиям» участник проекта, доцент кафедры лазерной химии МГУ Тимур Лабутин.
Как добавил он, технология может улучшить технологические операции в космической и авиационной отраслях, микроэлектронике и других областях, где требуется плазма с заданными характеристиками.
Специалист пояснил, что в основе метода лежит эффект флуоресценции: одним лазером формируют вспышку, а вторым целенаправленно воздействуют на частицы внутри ионизованного объема. Это переводит электроны в атомах на более высокие уровни энергии и вызывает их флуоресценцию, которую фиксируют оптические приборы.
Одним из важных результатов стало выведение и экспериментальное подтверждение формулы, связывающей интенсивность свечения с температурой.
Как защитить многоразовые космические кораблиТимур Лабутин отметил, что идея использовать лазер и флуоресценцию для диагностики плазмы сама по себе известна, но ранее применялась к относительно холодным источникам, например, к пламени. В случае лазерной плазмы, обладающей значительно более высокой температурой, прежняя схема физически неприменима, поэтому метод пришлось доработать для преодоления этого ограничения.
— Хотя разработка ориентирована на фундаментальные исследования, она имеет много практических приложений. Например, в микроэлектронике при изготовлении микрочипов или солнечных батарей применяют лазерное напыление тонкой пленки на подложку. Наша разработка поможет точнее определить параметры плазмы и добиться равномерного распределения материала. Это даст возможность избежать дефектов и повысит качество изделий, — поделился специалист.
Кроме того, по его словам, метод позволяет моделировать и исследовать процессы, сходные с теми, что происходят при гиперзвуковом вхождении тел в плотные слои атмосферы, например у метеоров или искусственных аппаратов. При интенсивном нагреве их поверхности вокруг формируется слой ионизированного воздуха — плазменный кокон.
Знание о распределении температур внутри такого огненного слоя поможет проектировать стойкие к плазменному воздействию элементы конструкции и теплозащитные экраны, что необходимо для того, чтобы многоразовые космические корабли могли возвращаться на Землю без разрушений. В настоящее время специалисты перешли к опытным испытаниям образцов подобных покрытий.
В следующем этапе группа планирует автоматизировать процесс измерений для повышения пространственного разрешения и скорости сканирования плазмы. Среди возможных направлений — применение метода к другим типам плазмы, от электрических дуг до искровых разрядов.
— Диагностика плазмы нужна во множестве применений, начиная от спектрального анализа образцов до изучения термоядерного синтеза. Однако в некоторых случаях существуют ограничения, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН Алексей Ильин. — Например, для изучения плазмы фемтосекундным лазером (с частотой импульсов в масштабе фемтосекунд — одной квадриллионной доли секунды. — «Известия») разработка, вероятно, тоже неприменима, так как требует узкополосного фильтра. При изучении термоядерных реакций метод тоже не подойдет, поскольку при концентрации электронов, близкой к критической, лазерный луч будет отражаться, а не поглощаться. В остальных случаях новый подход будет востребован
Он добавил, что для дальнейшего развития методики потребуется лазер с перестраиваемой длиной волны и узкой спектральной линией, чтобы избирательно возбуждать флуоресцентные линии.
— Результаты исследования, прежде всего, могут быть использованы для развития методов диагностики. Вместе с тем они открывают путь к разработке технологий лазерно-плазменного наноструктурирования, которые позволяют создавать материалы с уникальными электрофизическими, оптическими и другими свойствами, — поделился мыслями доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» Пензенского государственного университета Андрей Карманов.
При этом получение термической «карты» плазменного сгустка с высоким пространственным разрешением — лишь одна из задач в этой области. Еще одна, возможно более важная, — это точный контроль температуры плазмы в центральной зоне и на периферии. Сочетание этих подходов откроет новые возможности для исследования процессов при лазерном облучении веществ и для управления наноструктурированием материалов.