Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.2.173Ключові слова:
лазерно-iндукована плазма (LIP), рiвняння Саха, графiк Больцмана, стохастичне моделювання, фiзика високих густин енергiї, нерiвноважна плазмаАнотація
Лазерно-iндукована пробiйна спектроскопiя (LIBS) дає можливiсть проводити швидкий елементний аналiз та дiагностику плазми, але має обмежену кiлькiсну точнiсть через сильну просторово-часову неоднорiднiсть лазерно-iндукованої плазми та стохастичнi флуктуацiї в кiнетицi iонiзацiї-рекомбiнацiї. У цiй роботi ми розробляємо та експериментально перевiряємо детермiнiстично-стохастичний пiдхiд, який поєднує класичнi диференцiйнi рiвняння зi стохастичними членами для врахування мiнливостi плазми вiд одного пострiлу лазера до iншого. Модель, реалiзована за допомогою схеми Рунґе–Кутти першого порядку (RK1), доповненої методом Ейлера–Маруями, кiлькiсно пов’язана зi стандартною LIBS дiагностикою: розширенням Штарка для визначення електронної густини (ne), рiвнянням Саха в наближеннi iонiзацiйної рiвноваги та графiками Больцма-на для визначення температури збудження (Texc). Одноiмпульснi експерименти LIBS з використанням неодимово-го (Nd : YAG) лазера з довжиною хвилi 1064 нм i тривалiстю iмпульсу випромiнювання 7 нс були проведенi на шести металах (Al, Cu, латунь, Pb, неiржавна сталь та Ti) за iдентичних умов. Вимiрянi спектри показали високу вiдтво-рюванiсть (розкид iнтенсивностi <7%), а отриманi параметри плазми виявили стiйкi тенденцiї, залежнi вiд матерiалу: Al та неiржавна сталь демонстрували найвищi значення ne (до (7–9) · 1018 см−3), тодi як Cu та латунь показали нижчi значення (∼(2–3) · 1018 см−3). Електроннi температури, отриманi на основi рiвняння Саха, досягали 12–13 кК для матерiалiв з високою iонiзацiєю та <11 кК для матерiалiв з низькою iонiзацiєю. Введення стохастичного флуктуацiйного члена (σ ≈ 0,05) вiдтворило спостережуваний розкид iнтенсивностi та покращило узгодженiсть мiж змодельованими та експериментальними спектрами. Запропонований пiдхiд пiдвищує точнiсть дiагностики LIBS у перехiдних нерiвноважних умовах i є компактним лабораторним аналогом для вивчення динамiки плазми, зумовленої флуктуацiями, що є актуальним для фiзики високих густин енергiї, лазерно-плазмової взаємодiї та середовищ термоядерного синтезу. Цей унiфiкований детермiнiстично-стохастичний пiдхiд поєднує прикладну лазерну спектроскопiю з ширшою фiзикою нерiвноважної плазми.
Посилання
1. H.R. Griem. Principles of plasma spectroscopy. Cambridge University 52, 5743 (1995).
2. L.J. Radziemski. Lasers-Induced Plasmas and Applications (1st ed.) (CRC Press, 1989).
3. R. Noll. Laser Induced Breakdown Spectroscopy: Fundamentals and Applications (2nd ed.) (Springer Nature, 2023).
4. H. Hou, Y. Tian, Y. Lu, Y. Li, R. Zheng. Temperature measurement of laser-induced plasmas from the intensity ratio of two lines emitted from different elements with the same ionization degree. Appl. Spectr. 68 (9), 1085 (2014).
https://doi.org/10.1366/13-07350
5. L. Yang, X. Tan, X. Wan, L. Chen, D. Jin, M. Qian, G. Li. Stark broadening for diagnostics of the electron density in non-equilibrium plasma utilizing isotope hydrogen alpha lines. J. Appl. Phys. 115 (16), 163106 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4873960
6. J. Zeng, A. Deng, C. Gao, Y. Hou, J. Yuan. Extended chemical picture of ionization balance to extremely dense plasmas. Phys. Rev. E 111 (1), 015211 (2025).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.111.015211
7. N. Gomidze, M. Khajishvili, K. Makharadze, I. Jabnidze, Z. Surmanidze. About statistical moments of scattered laser radiation from random phase screen. Inter. J. Emerging Techn. Adv. Engin. 6 (4), 237 (2016).
8. N. Gomidze, I, Jabnidze, K. Makharadze. Numerical experiments for the purpose of studying space-time evolution of various forms of pulse signals in the collisional cold plasma. Inter. J. Phys. Math.l Sci. 11 (8), 347 (2017).
9. Z. Davitadze, N. Gomidze, K. Makharadze. Control Laser Spectrofluorimeter with Microcontrollers. Adv. Mater. Res. 590, 201 (2012).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.590.201
10. N. Gomidze, I. Jabnidze, K. Makharadze, M. Khajishvili, Z. Shashikadze, Z. Surmanidze. Numerical analyses of fluorescence characteristics of watery media via laser spectroscopy method. Mach. Technol. Mater. 2018 (5), 279 (2012).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.590.206
11. N. Gomidze, J. Shainidze, R. Turmanidze. To the problems of fluorescence excitation spectrums. Machines. Technol. Mater. 2018 (5), 279 (2018).
12. L. Quackatz, A. Griesche, T. Kannengiesser. Spatially resolved EDS, XRF and LIBS measurements of the chemical composition of duplex stainless steel welds: A comparison of methods. Spectroch. Acta Part B: Atomic Spectr. 193, 106439 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.sab.2022.106439
13. P.B. Hansen, S. Schr¨oder, S. Kubitza, K. Rammelkamp, D.S. Vogt, H.-W. H¨ubers. Modeling of time-resolved LIBS spectra obtained in Martian atmospheric conditions with a stationary plasma approach. Spectroch. Acta Part B: Atomic Spectr. 178, 106115 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.sab.2021.106115
14. J.P. Goedbloed, R. Keppens, S. Poedts. Magnetohydrodynamics of Laboratory and Astrophysical Plasmas (Cambridge University Press, 2019).
https://doi.org/10.1017/9781316403679
15. E. Esarey, C.B. Schroeder, W.P. Leemans. Physics of laserdriven plasma-based electron accelerators. Rev. Mod. Phys. 81 (3), 1229 (2009).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1229
16. A. Pukhov, N.E. Andreev, A.A. Golovanov, I.I. Artemenko, I.Y. Kostyukov. Laser-plasma wake velocity control by multi-mode beatwave excitation in a channel.Plasma 6 (1), 29 (2023).
https://doi.org/10.3390/plasma6010003
17. N.E. Andreev, L.M. Gorbunov, R.R. Ramazashvili. Theory of a three-dimensional plasma wave excited by a highintensity laser pulse in an underdense plasma. Plasma Phys. Rep. 23 (4), 277 (1997).
18. P.E. Kloeden, E. Platen. Numerical Solution of Stochastic Differential Equations (Springer Science & Business Media, 1999).
19. L. Rajaˇci'c, N.V. Nedi'c, D. Doji'c, M. Skoˇci'c, S. Bukvi'c. Saha-Boltzmann method in plasma diagnostics: What can we obtain from a strict approach? J. Quant. Spectr. Rad. Transfer 333, 109338 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2024.109338
20. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Theory and Applications. Edited by S. Musazzi, U. Perini (Springer, 2014).
21. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Edited by J.R. Rumble. (CRC Press, 2018). https://hbcp.chemnetbase.com.
22. S.S. Harilal, G.V. Miloshevsky, P.K. Diwakar, N.L. LaHaye, A. Hassanein. Experimental and computational study of complex shockwave dynamics in laser ablation plumes in argon atmosphere. Physics of Plasmas 19 (8), 083504 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.4745867
23. A. Kramida, Yu. Ralchenko, J. Reader, & NIST ASD Team (ver. 5.12). NIST Atomic Spectra Database. National Institute of Standards and Technology. https://physics.nist.gov/asd.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
