Роль повітря в індукованому лазером тепловому випромінюванні поверхневих шарів поруватих вуглецевих матеріалів
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe68.10.652Ключові слова:
iндуковане лазером теплове випромiнювання, поруватий вуглець, повiтряАнотація
Дослiджено вплив оточуючого повiтря на амплiтуду i форму iмпульсiв теплового випромiнювання (на довжинi хвилi 430 нм) при нагрiваннi поверхневого шару поруватого ву глецевого матерiалу (до температур порядку 2000–3000 K) випромiнюванням неодимового лазера з модуляцiєю добротностi. Експерименти показали, що при зменшеннi тиску оточуючого повiтря до умов форвакууму спостерiгається пiвтораразове збiльшення амплiтуди iмпульсних сигналiв теплового випромiнювання i зростання часу загасання свiтiння приблизно на третину. Проведено чисельнi розрахунки динамiки температурного поля у поверхневому шарi матерiалу при опромiненнi наносекундними лазерними iмпульсами. У розрахунках використано удосконалену модель, яка враховує (i) поруватiсть матерiалу i (ii) температурнi залежностi коефiцiєнтiв теплопровiдностi та теплоємностi вуглецю i повiтря. Для розрахунку теплопровiдностi поруватого матерiалу використано модель кубiчного масиву квадратних стрижнiв, що перетинаються. Отримано задовiльну узгодженiсть результатiв розрахункiв з результатами експериментiв. Вищезазначенi удосконалення розрахункової моделi дозволили узгодити оцiнки теплових характеристик поверхневих шарiв вуглецю, отриманi за даними загасання свiтiння, з довiдковими даними, опублiкованими у лiтературi.
Посилання
X. Xu, C.P. Grigoropoulos, R.E. Russo. Measurement of solid-liquid interface temperature during pulsed excimer laser melting of polycrystalline silicon films. Appl. Phys. Lett. 65, 1745 (1994).
https://doi.org/10.1063/1.113044
T. Borca-Tasciuc, G. Chen. Temperature measurement of fine wires by photothermal radiometry. Rev. Sci. Instrum. 68, 4080 (1997).
https://doi.org/10.1063/1.1148350
L. Fedorenko, V. Naumov, V. Plakhotny, S. Svechnikov, N. Yusupov. Laser-thermal diagnostics (LTD) of hidden inhomogeneities in multi-layer structures. Proc. SPIE 4430, 572 (2001).
https://doi.org/10.1117/12.432894
A. Tsuge, Y. Uwamino, T. Ishizuka. Applications of laserinduced thermal emission spectroscopy to various samples. Appl. Spectr. 43, 1145 (1989).
https://doi.org/10.1366/0003702894203598
D. Kruse, H. Prekel, G. Goch, H.G. Walther. Correlation between hardening depth and thermal parameters based on photothermal measurements. Proc. Estonian Acad. Sci. Engineering 13, 423 (2007).
https://doi.org/10.3176/eng.2007.4.14
R. Fuente, A. Mendioroz, E. Apinaniz, A. Salazar. Simultaneous measurement of thermal diffusivity and optical absorption coefficient of solids using PTR and PPE: A comparison. Int J. Thermophys. 33, 1876 (2012).
https://doi.org/10.1007/s10765-012-1264-3
N.J. Galan-Freyle, L.C. Pacheco-Londono, A.M. FigueroaNavedo, S.P. Hernandez-Rivera. Standoff detection of highly energetic materials using laser-induced thermal excitation of infrared emission. Appl. Spectr. 69, 535 (2015).
https://doi.org/10.1366/14-07501
X. Xu, C.P. Grigoropoulos, R.E. Russo. Nanosecond-timeresolution thermal emission measurement during pulsed excimer-laser interaction with materials. Appl. Phys. A 62, 51 (1996).
https://doi.org/10.1007/BF01568087
P. Roura, J. Costa, M.L. Miguel, B. Garrido, J. Fort, J.R. Morante, E. Bertran. Black-body emission from nanostructured materials. J. Luminescence 80, 519 (1999).
https://doi.org/10.1016/S0022-2313(98)00166-5
S. Zelensky, L. Poperenko, A. Kopyshinsky, K. Zelenska. Nonlinear characteristics of laser-induced incandescence of rough carbon surfaces. Nonlinear Optics and Applications VI. Proc. SPIE 8434, 84341H-1 (2012).
https://doi.org/10.1117/12.921999
S. Zelensky, K. Zelenska. Laser-induced incandescence of carbon surface: a method for temperature estimation. Nonlinear Optics and Applications VII. Proc. SPIE 8772, 87721P-1 (2013).
https://doi.org/10.1117/12.2017091
K. Zelenska, A. Kopyshinsky, L. Poperenko. Laser-induced incandescence of carbon surface at various values of ambient air pressure. In: Photonics Technologies. Fotonica AEIT Italian Conference (2014).
https://doi.org/10.1109/Fotonica.2014.6843884
K. Zelenska, S. Zelensky, A. Kopyshinsky, S. Rozouvan, T. Aoki. Laser-induced incandescence of rough carbon surfaces. Jpn J. Appl. Phys. Conf. Proc. 4, 011106-1 (2016).
https://doi.org/10.56646/jjapcp.4.0_011106
K. Zelenska, O. Tkach, S. Zelensky, O. Kolesnik, T. Aoki. Application of laser-induced thermal emission in imaging of rough surface relief. Thai J. Nanosci. Nanotechnol. 6, 16 (2021).
V. Karpovych, O. Tkach, K. Zelenska, S. Zelensky, T. Aoki. Laser-induced thermal emission of rough carbon surfaces. J. Laser Appl. 32, 012010 (2020).
https://doi.org/10.2351/1.5131189
V. Karpovych, K. Zelenska, S. Yablochkov, S. Zelensky, T. Aoki. Evolution of laser-induced incandescence of porous carbon materials under irradiation by a sequence of laser pulses. Thai J. Nanosci. Nanotechnol. 2, No. 2, 14 (2017).
S.E. Zelensky, T. Aoki. Decay kinetics of thermal radiation emitted by surface layers of carbon materials under pulsed laser excitation. Optics and Spectroscopy 127, 931 (2019).
https://doi.org/10.1134/S0030400X19110298
A.V. Kopyshinsky, S.E. Zelensky, E.A. Gomon, S.G. Rozouvan, A.S. Kolesnik. Laser-induced incandescence of silicon surface under 1064 nm excitation. Semicond. Phys., Quant. Electron. and Optoelectron. 15, 376 (2012).
https://doi.org/10.15407/spqeo15.04.376
M. Kokhan, I. Koleshnia, S. Zelensky, Y. Hayakawa, T. Aoki. Laser-induced incandescence of GaSb/InGaSb surface layers. Optics and Laser Technology 108, 150 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.06.053
S.De Iuliis, F. Cignoli, S. Maffi, G. Zizak. Influence of the cumulative effects of multiple laser pulses on laser-induced incandescence signals from soot. Appl. Phys. B 104, 321 (2011).
https://doi.org/10.1007/s00340-011-4535-y
K. Pietrak, T.S. Wisniewski. A review of models for effective thermal conductivity of composite materials. J. Power Technologies 95, 14 (2015).
S.Q. Zeng, A. Hunt, R. Greif. Geometric structure and thermal conductivity of porous medium silica aerogel. ASME J. Heat Transfer 117, 1055 (1995).
https://doi.org/10.1115/1.2836281
J. Hilsenrath, C.W. Beckett, W.S. Benedict, L. Fano, H.J. Hoge, J.F. Masi, R.L. Nuttall, Y.S. Touloukian, H.W. Woolley. Tables of Thermal Properties of Gases. National Bureau of Standards Circular (NIST Pubs., 1955).
https://doi.org/10.1149/1.2430297
K. Kadoya, N. Matsunaga, A. Nagashima. Viscosity and thermal conductivity of dry air in the gaseous phase. J. Phys. and Chem. Reference Data 14, 947 (1985).
https://doi.org/10.1063/1.555744
N.B. Vargaftik, L.P. Filippov, A.A. Tarzymanov, E.E. Totsky. Reference Book on Thermal Conductivity of Liquids and Gases (Energoatomizdat, 1990) [ISBN: 5-283-00139-3] (in Russian).
A. Savvatimskiy. Resistivity and Heat Capacity for Solid Graphite up to 3000 K. In: Carbon at High Temperatures. Springer Series in Materials Science (Springer, 2015), p. 134.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-21350-7_2
C.Y. Ho, R.W. Powell, P.E. Liley. Thermal conductivity of the elements: a comprehensive review. J. Phys. and Chem. Reference Data 3, Suppl. No. 1 (1974).
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
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}
