碰撞等离子体和停滞层-一个潜在的分析技术平台

由于碰撞等离子体在各种各样的分析和处理环境中的潜在用途，它们的重要性越来越大。碰撞等离子体研究被用于模拟和模拟等离子体相互作用，例如在天体物理尺度上发生的相互作用和用于探索聚变能产生的相互作用。与此相关的是它们在材料科学处理中的潜在应用，如薄膜的脉冲激光沉积(PLD)。激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光烧蚀-电感耦合等离子体-质谱(LA-ICP-MS)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)等标准分析技术也在探索用多个等离子体产生的等离子体羽流代替单个脉冲产生的等离子体羽流。

当两个或多个独立衍生的等离子体靠近并相互流动时，它们就会形成等离子体相遇的相互作用区域。这个区域通常被称为停滞层。描述该区域内等离子体的关键参数或特征包括密度、温度、几何形状、组成和动力学。与由单个脉冲产生的等离子体羽流相比，由反向传播的等离子体羽流形成的停滞层提供了一种显著改善等离子体控制的方法，从而更好地调整关键等离子体参数——密度、温度等——以满足特定应用的需要。例如，对密度的控制可以解决有时在LIBS技术中出现的不透明度问题。同样，控制滞止层中纳米颗粒的形成可以为LA-ICP-MS分析带来好处。

在J Costello教授[4,5]的指导下，都柏林城市大学(DCU)的等离子体物理小组[1-7]在世界各地加强了他们在这一领域的研究工作。通过光学和粒子诊断，他们目前正在与研究和行业合作伙伴合作，将停滞层应用于基于激光烧蚀的分析技术，目的是通过明智地选择激光和实验配置来开发和演示关键性能参数的增强。

实验安排

激光产生的等离子体是由高功率短脉冲激光器产生的，通常脉冲持续时间为几纳秒。因此，产生的等离子体羽流在ns到微秒的时间尺度上演变，使ICCD相机成为捕获图像和光谱的理想工具，其时间分辨率可低至几ns。DCU组在本案例研究中概述的工作中使用了Andor iStar DH334T和ICCD DH534。图1显示了用于碰撞等离子体产生和光学诊断的典型设置的示意图。

Surelite III Nd:Yag激光器工作在1064 nm波长，在6 ns FWHM脉冲中产生高达800 mJ的脉冲，聚焦于目标产生等离子体羽流。采用布鲁斯特窗和半波板控制脉冲能量。系统设计的一个关键部件是一个楔棱镜，用于将光束分成两个组件。然后，这些光束通过一个透镜，该透镜将每个光束聚焦到~ 100微米的光斑大小，如图(b)部分所示。两个焦点之间的距离D与透镜焦距f和楔棱镜角有关?折射率n由关系[5]表示:

以1x10- 7mbar的压力放置在真空室中的旋转目标，用于刷新目标材料。产生两个种子等离子体，它们碰撞形成停滞层(在适当的条件下)。

宽带光学成像(图1(c))和光谱成像(图1(d))同时使用Andor快速门控增强CCD相机进行。宽带成像使用可变变焦镜头将图像聚焦到Andor DH534相机的芯片上;这主要用于监测高灵敏度设置，同时进行光谱测量。

第二个可变变焦透镜用于光谱成像。光学光谱仪包括一个0.5米的Czerny-Turner底座，带有环形准直镜和聚焦镜，可以进行像差校正的平场成像。Chromex光谱仪连接到Andor iStar DH334T型相机。该设置允许时间，空间和光谱分辨率的停滞层。

结果

图2:在140°楔形锡(Sn)靶上创建的停滞层的时间集成宽带发射成像

使用锡靶生成的滞止层的时间集成光学图像如图2所示。两束激光的强度比约为1:1，对靶辐照度约为1010w /cm²．

聚焦激光脉冲以140°夹角照射平板目标，并以1.3 mm的种子分离。图3显示了空间分辨光谱实验的光谱，有两个不同的目标，铝(Al)和钛(Ti)，其中等离子体间隔2.6 mm。来自每个目标的记录光谱是空间分辨的，但光谱不同，因此得到的时间集成光谱显示了两者之间的停滞程度。从该图中可以清楚地看出，与图像中线相对应的停滞层是相当清晰的，并且很少或没有相互渗透。

碰撞等离子体-一些基本原理

当两个反向传播的激光产生的等离子体碰撞时，会产生两种极端的结果。如果这些所谓的种子等离子体在碰撞面具有较大的相对速度和较低的密度，等离子体羽状物将趋向于相互渗透。另一方面，当等离子体之间的相对速度较小时，等离子体成分会在碰撞面处迅速减速，形成所谓的停滞层。随着时间的推移，滞止层内物质的吸积和压缩会使局部温度和密度显著增加。在许多情况下，状态介于这两个极端之间，通常被称为“软停滞”，其中两个等离子体的相互渗透导致了混合区域的扩展。

为了帮助确定预期的停滞状态，碰撞性参数定义为[2]:

ς= D /λ₂

D是两个等离子体和λ之间的距离₂离子-其他离子的平均自由程为:

在哪里米_我是离子质量，v₁₂为相对等离子体流动速度(撞击前)，问是基本电荷，z是等离子体的平均电离状态，n_我碰撞平面的等离子体密度和ln(Λ₁-₂)就是所谓的库仑对数(均为国际单位制)。“离子-其他离子平均自由程分离”是指来自一个种子等离子体的离子与来自另一个种子等离子体的离子相互作用。结果表明，离子-其他离子的平均自由程高度敏感v₁₂．因此，后者可用于等离子体温度的控制。这种相对等离子体流动速度是由激光功率密度“I”和激光波长“λ”通过通常的(Iλ²）ⁿ，n<1，缩放定律。这说明了一个“控制旋钮”修改等离子体参数。

激光参数的工程可以用来最终控制碰撞性，从而控制停滞层的硬度。当然，电子(因此离子)密度也由激光波长控制，与所有等离子体工程一样，它是耦合参数之间的微妙平衡，人们试图在任何特定的优化工作中实现。

结论

实验表明，通过改变种子距离、目标倾斜角度和输入激光参数，可以控制碰撞性参数ς，并且通过改变ς可以改变停滞层的许多属性，如温度、密度、电离度和几何形状。有很多应用配置可以利用对羽流的额外控制程度，包括LIBS、LA-ICP-MS和MALDI-TOF，具有提高性能和降低成本的潜力。如果用停滞层替换单脉冲羽流被认为是相关的，碰撞等离子体设置所需的最小光学和一般的微创性质将导致当前技术的成本有效升级。

确认:感谢科尔姆·法伦博士，都柏林DCU国家科学等离子体与技术中心。这项工作由爱尔兰科学基金会(SFI)支持。

引用:

1. 李，C. K.， D. D. Ryutov，等。碰撞等离子体射流的结构与动力学物理通报111(23):235003 2013
2. 梅里特，e.c.， A. L.莫泽等。两个斜并合超音速等离子体射流之间滞流层的实验表征。物理通报111(8):085003 2013
3. 福克斯，W.， G.菲克塞尔，等。反向流激光驱动等离子体的丝状不稳定性。2013 .物理学报(自然科学版
4. 叶芝，P.， C.法伦等。与原子质量有关的碰撞激光等离子体柱的静电诊断。等离子体物理20(9)2013
5. 甘比诺，N.， P.海登等。激光烧蚀产生的铝等离子体碰撞动力学。应用科学学报(自然科学版)，27 (2):344 - 344 2013
6. 仓光，Y.， Y. Sakawa，等。“激光中无碰撞激波的长时间演化产生了逆流等离子体。”高能密度物理9(1):222-225 2013
7. 罗森博格，m.j.， J. S.罗斯等。用汤姆逊散射和质子射线照相法描述单个和碰撞激光产生的等离子体泡。物理评论86(5)。2012