Expansion du plasma d'ablation laser par micro-ondes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13901 (2023) Citer cet article

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Cette étude explore le potentiel de l’utilisation des micro-ondes pour soutenir l’expansion du plasma d’ablation laser transitoire de la cible Zr. Par application de micro-ondes sur le plasma, nous observons une amélioration significative avec une augmentation de deux à trois ordres de grandeur de l'intensité d'émission du plasma et une augmentation de 18 fois du volume spatial du plasma. Nous étudions le changement de température du plasma et observons qu'il diminue de 10 000 K à environ 3 000 K. La température des électrons diminue avec l'expansion du volume en raison de l'interaction accrue avec l'air ambiant, tandis que le plasma peut être maintenu dans l'air à l'aide de micro-ondes. L'augmentation de la température électronique lors de la baisse de température est révélatrice d'un plasma hors équilibre. Nos résultats mettent l'accent sur la contribution des micro-ondes dans la promotion d'une émission améliorée et de la formation de plasma à basse température contrôlée, démontrant ainsi le potentiel des micro-ondes pour améliorer la précision et les performances de la spectroscopie de claquage induite par laser. Surtout, notre étude suggère que les micro-ondes pourraient également atténuer la génération de fumées et de poussières toxiques lors de l’ablation, un avantage essentiel lors de la manipulation de matières dangereuses. Le système que nous avons développé est très précieux pour une gamme d'applications, notamment la possibilité de réduire l'éventuelle émergence de fumées toxiques lors du déclassement des débris nucléaires.

Le plasma d'ablation laser génère un plasma de décomposition qui se dilate rapidement dans l'espace et se dissipe en quelques nanosecondes ou microsecondes, trouvant ainsi de nombreuses applications dans l'instrumentation, la médecine et l'industrie1, 2. Il s'agit d'exposer un échantillon cible à un laser pulsé, ce qui donne un plasma dont les caractéristiques peuvent varient considérablement en raison de divers facteurs, notamment l’auto-absorption, la réflexion et le refroidissement. Le contrôle des caractéristiques du plasma peut être démontré par les émissions du plasma.

Les applications analytiques utilisant la spectroscopie de claquage induit par laser (LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 se sont révélées être un outil puissant dans le domaine scientifique et industriel. La quantité d'émission de plasma peut varier considérablement en fonction des conditions environnementales dans lesquelles le plasma est généré, et ses propriétés peuvent être contrôlées pour une gamme d'applications telles que les équipements de fabrication de semi-conducteurs à basse pression14, 15, les applications spatiales sous vide, l'analyse élémentaire16. ,17,18, les moteurs à combustion interne à haute pression19 et les applications en haute mer20. Cependant, l'expansion des plasmas d'ablation est généralement limitée en raison de contraintes du système, telles que le changement de taille de volume et la durée de vie du plasma21, limitations qui sont résolues par le LIBS amélioré par micro-ondes en combinant des micro-ondes et des lasers pulsés, ce qui entraîne une amélioration significative des performances du système21, 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. L'intensité de l'émission du plasma est considérablement améliorée par la superposition des micro-ondes, car l'énergie des micro-ondes peut entretenir le plasma pendant une période beaucoup plus longue, permettant ainsi la survenue d'un plus grand nombre d'événements d'émission15, 22, 31, 33,34,35,36,37,38,39. ,40,41,42,43,44,45,46. De plus, le volume spatial du plasma est agrandi de deux ordres de grandeur, ce qui augmente encore la quantité de lumière émise et détectée par le système. Ceci est essentiel pour les applications nécessitant une sensibilité élevée, car même des changements négligeables dans la quantité de lumière émise peuvent affecter considérablement la précision de la mesure.

Le plasma induit par laser dans LIBS peut exister dans des états d'équilibre ou hors équilibre47,48,49. Il est crucial de comprendre les différences entre les plasmas à l'équilibre et hors équilibre dans LIBS pour développer une méthode d'analyse plus fiable et plus précise, car le plasma hors équilibre peut entraîner une augmentation ou une suppression des intensités d'émission de certaines raies atomiques ou moléculaires50, 51. Dans le contexte des micro-ondes -LIBS amélioré, nous avons observé des caractéristiques distinctes de non-équilibre, en particulier dans les températures de rotation et de vibration. Les températures de rotation et de vibration21 ont été mesurées pour élucider le changement rapide des caractéristiques du plasma d'ablation, indiquant que l'expansion du volume du plasma entraîne une diminution de la température de vibration de 12 000 K à environ 2 200 K en 1 ms21. Bien que de nombreux autres processus soient responsables de l'expansion du plasma et qu'elle ne s'accompagne pas toujours d'une baisse de température, nous avons émis l'hypothèse que l'expansion du plasma et la baisse de température pendant la période d'expansion et de maintien des micro-ondes (quelques microsecondes après l'ablation) sont causées par l'interaction accrue. entre le plasma et l'atmosphère ambiante. La contribution des ondes de choc dans le processus d'ablation laser dans l'ablation par couple micro-ondes est considérée comme insignifiante en raison du délai entre le tir du laser et la pénétration des micro-ondes dans le plasma induit par le laser. Ce retard se produit parce que les micro-ondes doivent attendre que la densité du plasma induit par le laser descende en dessous de la densité critique (~ 1 010 à 1 011 cm-3) requise pour la pénétration des micro-ondes. Pour une fréquence de rayonnement micro-onde de 2,45 GHz, cette densité critique est typiquement de l'ordre de 7 × 1010 cm−352. Pendant le maintien du plasma dans l’air, les électrons peuvent être accélérés et maintenus à un certain niveau pendant la période d’injection des micro-ondes. La physique du plasma amélioré par micro-ondes peut être démontrée en comparant les températures du plasma et son maintien dans l'air.