마이크로파를 이용한 레이저 절제 플라즈마 확장

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13901(2023) 이 기사 인용

137 액세스

측정항목 세부정보

이 연구는 Zr 타겟의 과도 레이저 절제 플라즈마의 확장을 유지하기 위해 마이크로파를 활용하는 가능성을 탐구합니다. 플라즈마에 마이크로파를 적용함으로써 우리는 플라즈마 방출 강도가 2~3배 증가하고 플라즈마 공간 부피가 18배 증가하는 상당한 향상을 관찰했습니다. 우리는 플라즈마의 온도 변화를 조사하여 온도가 10,000K에서 약 3000K로 감소하는 것을 관찰했습니다. 전자 온도는 주변 공기 상호 작용 증가로 인해 부피 팽창과 함께 감소하는 반면, 플라즈마는 마이크로파를 사용하여 공기 중에서 유지될 수 있습니다. 온도 강하 동안 전자 온도의 증가는 비평형 플라즈마를 나타냅니다. 우리의 결과는 제어된 저온에서 향상된 방출 및 플라즈마 형성을 촉진하는 데 있어 마이크로파의 기여를 강조함으로써 마이크로파가 레이저 유도 파괴 분광법의 정확성과 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 중요한 것은, 우리 연구에서 마이크로파가 절제 중 독성 연기와 먼지의 생성을 완화할 수 있다는 점을 시사하는데, 이는 위험 물질을 취급할 때 중요한 이점입니다. 우리가 개발한 시스템은 특히 핵 잔해를 폐기하는 동안 유독 가스의 출현 가능성을 줄이는 잠재력을 포함하여 다양한 응용 분야에서 매우 가치가 있습니다.

레이저 절제 플라즈마는 공간에서 빠르게 팽창하고 나노초에서 마이크로초 내에 소멸되는 항복 플라즈마를 생성하여 계측, 의학 및 산업1, 2에서 널리 응용됩니다. 여기에는 샘플 대상을 펄스 레이저에 노출시키는 과정이 포함되어 다음과 같은 특성을 가진 플라즈마가 생성됩니다. 자기 흡수, 반사, 냉각 등 다양한 요인으로 인해 크게 달라집니다. 플라즈마 특성에 대한 제어는 플라즈마 방출을 통해 입증될 수 있습니다.

레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13을 사용한 분석 응용은 과학 및 산업에서 강력한 도구임이 입증되었습니다. 플라즈마 방출량은 플라즈마가 생성되는 환경 조건에 따라 크게 달라질 수 있으며, 저압 반도체 제조 장비14, 15, 진공 공간 응용, 원소 분석16 등 다양한 응용 분야에서 그 특성을 제어할 수 있습니다. ,17,18, 고압 내연 기관19 및 심해 응용 분야20. 그러나 절제 플라즈마는 일반적으로 볼륨 크기 변경 및 플라즈마 수명과 같은 시스템 제약으로 인해 확장이 제한됩니다. 이 제한은 마이크로파와 펄스 레이저를 결합하여 마이크로파 강화 LIBS에 의해 해결되어 시스템 성능이 크게 향상됩니다. 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. 마이크로파 에너지는 훨씬 더 오랜 기간 동안 플라즈마를 유지할 수 있어 더 많은 방출 이벤트가 발생할 수 있기 때문에 플라즈마의 방출 강도는 마이크로파 중첩에 의해 크게 향상됩니다. ,40,41,42,43,44,45,46. 또한, 플라즈마의 공간 부피는 두 배로 확장되어 시스템에서 방출되고 감지되는 빛의 양이 더욱 증가합니다. 이는 방출되는 빛의 양에 있어 사소한 변화라도 측정 정확도에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 높은 감도가 필요한 응용 분야에 매우 중요합니다.

LIBS의 레이저 유도 플라즈마는 평형 또는 비평형 상태로 존재할 수 있습니다. 비평형 플라즈마는 특정 원자 또는 분자 라인의 방출 강도를 향상시키거나 억제할 수 있으므로 보다 신뢰할 수 있고 정확한 분석 방법을 개발하려면 LIBS의 평형 플라즈마와 비평형 플라즈마 간의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다50, 51. 마이크로파와 관련하여 -향상된 LIBS를 사용하여 특히 회전 및 진동 온도에서 뚜렷한 비평형 특성을 관찰했습니다. 회전 및 진동 온도21는 절제 플라즈마 특성의 급격한 변화를 설명하기 위해 측정되었으며, 이는 플라즈마 부피 팽창이 1 ms21 이내에 진동 온도를 12,000K에서 약 2200K로 감소시킨다는 것을 나타냅니다. 다른 많은 프로세스가 플라즈마 팽창을 담당하고 항상 온도 강하를 동반하지는 않지만, 우리는 마이크로파 팽창 및 지속 기간(절제 후 몇 마이크로초) 동안 플라즈마 팽창 및 온도 강하는 상호 작용 증가로 인해 발생한다는 이론을 세웠습니다. 플라즈마와 주변 대기 사이. 마이크로파 커플 절제의 레이저 절제 공정에서 충격파의 기여는 레이저 발사와 마이크로파가 레이저 유도 플라즈마에 침투하는 사이의 시간 지연으로 인해 중요하지 않은 것으로 간주됩니다. 이러한 지연은 마이크로파가 레이저 유도 플라즈마 밀도가 마이크로파 침투에 필요한 임계 밀도(~1010~1011cm-3) 아래로 감소할 때까지 기다려야 하기 때문에 발생합니다. 2.45 GHz의 마이크로파 방사 주파수의 경우 이 임계 밀도는 일반적으로 7 × 1010 cm−352 정도입니다. 공기 중에서 플라즈마가 유지되는 동안 전자는 마이크로파 주입 기간 동안 특정 수준으로 가속되고 유지될 수 있습니다. 마이크로파 강화 플라즈마의 물리학은 플라즈마 온도와 공기 중 지속성을 비교하여 입증할 수 있습니다.

60 μs) and emitting instantaneous laser pulses with a 1.0 mJ laser energy (849 ps pulse width and 1064 nm wavelength)57, 58. The composite ceramic and optical elements are housed in a 60 mm × 120 mm × 900 mm aluminum case. The laser output is transmitted into the beam splitter and InGaAs detector (DET08C/M; 800–1700 nm, bandwidth 5 GHz; Thorlabs, USA) with electrical pulses into the pulse generator, and this triggers microwaves and spectrometers. The same InGaAs detector was utilized directly to measure the laser pulse width, which was determined to be 0.849 ns. The 2.45 GHz microwaves was introduced by the helical coil with cross-reflector plates26. To minimize the reflected power, we employed an impedance tuner (three-stub tuner, Maury Microwave, USA) and monitored the power using power sensors of the directional coupler (440,000 series, Connecticut Microwave Corp, USA)./p>

98% around the 60 μs mark. This trend—of minimal initial absorption followed by a gradual increase—is consistent across all varied microwave pulse widths. This consistency suggests a general relationship between microwave pulse width and temporal variations in microwave power absorption in laser ablation plasma./p>