ИСТИНА

В рамках исследований, проводимых в направлении перспективной алюмоэнергетики и алюмоводородных технологий, в ФИЦ ХФ РАН имени Н.Н. Семёнова были реализованы опыты по абляции оксида алюминия импульсным излучением мощного СО2-лазера. Исследование газообразных и конденсированных продуктов лазерной абляции с целью выявления свойств выделяющихся субоксидов обнаружило полые замкнутые оболочки (пузыри), варьирующиеся в диаметре от 1 до сотен микрон, осаждавшиеся на образцах-свидетелях [1]. Оптическое наблюдение медленных крупных (до 2мм диаметром) частиц, подобных пузырям, образующихся в условиях вакуума, с использованием камер К008 [2], К011, К008М, породило особый интерес к изучению природы данных объектов, в том числе методами высокоскоростной фотографии. Данные пузыри, согласно текущим теоретическим представлениям, создают давления продуктов испарения оксида алюминия, значительно превышающие давления насыщенных паров [3], в связи с чем возникает вопрос о происходящих процессах рекомбинации и механизмах образования подобных объектов. С целью изучения параметров и характера поведения этих и других продуктов лазерной абляции был собран оригинальный пирометр [2], использованный в настоящей работе. Конструкция двулучевого пирометра была доработана для исследования размеров, траекторий и температур частиц-продуктов лазерной абляции. Применяемые в оптической схеме камера Gras20S4M и объектив Helios 40-2 были откалиброваны для измерения температуры с точностью до 10 градусов в режиме двухканального измерения температуры и для измерения размера частиц с точностью до пространственного разрешения (24мкм) методом коррекции оптических аберраций, используя модельные объекты (лампа СИРШ-6, нагревательные элементы различной конфигурации и др.). Получаемое с 2-х каналов (эффективная длина волны 532нм для «синего» канала и 832нм для «красного» канала) изображение накладывается на матрицу камеры с заданным смещением, позволяющим проводить одновременное наблюдение за образцом и продуктами лазерной абляции со взаимно перпендикулярных направлений. Для разработки метода идентификации пузырей с помощью двухлучевого пирометра было проведено математическое моделирование процесса формирования изображения различных типов полупрозрачных частиц из расплава оксида алюминия. Анализ таких модельных изображений позволил выявить характерные особенности модельных треков, отвечающих частицам различных типов (пузыри, сплошные капли, проч.), и успешно их различать. Основным критерием сравнения является профиль поперечного сечения трека, зависящий от радиального распределения интенсивности в изображении частицы. Для малых углов наблюдения, характерных для оптической системы, модельное изображение было построено как проекция объёмной частицы на плоскость матрицы с учётом интенсивности свечения каждой точки. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера в таком случае для сферической частицы: I(x,y)=I_0 ∫_(z_1)^(z_0)▒〖(e^(-ε*(z_0-z) )+e^(-ε*(〖2* z〗_0-z_1-z) ) )dz=I_0*(1-e^(-2*ε*〖(〖-z〗_1+ z〗_0)))/ε〗,где〖 z〗_0=√(R_0^2-x^2-y^2 ),z_1=√(R_1^2-x^2-y^2 ), R0 – внешний радиус, R1 – внутренний радиус (для области R1<R<R0 используется формула для сплошной капли) ε_λ- коэффициент ослабления (экстинкции), I_0 – изначальная интенсивность, I – конечная интенсивность . Интенсивность вдоль поперечного сечения трека движения в таком случае I(x)=I_0 ∫_(-R0)^R0▒(1-e^(-2*ε*〖(-z_1+ z〗_0)))/ε dy. Данный интеграл не имеет аналитического решения, ввиду чего в рамках исследования численно при помощи библиотеки Scipy для Python были построены треки частиц с различными параметрами, основанными на наблюдаемых в опытах размерах частиц и литературных данных о коэффициенте экстинкции расплава оксида алюминия [4]. Информация из источников информации об оптических свойствах расплава оксида алюминия позволяет сделать вывод о том, что поперечное сечение трека тонкостенного пузыря в синем канале должно представлять платообразный профиль, а в красном канале – пологий моно пик. Для сплошных капель в обоих каналах форма профиля — это моно пик, более острый для синего канала. Соотнесение полученных результатов модельного построения с экспериментальными данными показало то, что большая часть частиц-продуктов лазерной абляции оксида алюминия, размеры которых превышают 100 мкм является тонкостенными пузырями. Полученные из построенных моделей выводы также хорошо согласуются с данными, полученными с камер К008, К011, К008М, спектральная чувствительность матриц которых соответствует диапазону длин волн «синего» канала, что позволяет исключить влияние особенностей оптической схемы двухлучевого пирометра на изображение частицы. Высокая частота образования, а также характер поведения данных объектов в период наблюдения вызывает особый интерес к изучению состава газовой фазы, раздувающей оболочку из расплава оксида алюминия. В рамках проекта планируется исследование протекающих в данных оболочках физико-химических процессов по результатам экспериментально измеренной температурной кинетики и термодинамического моделирования пузырей, с целью выявления механизмов, ведущих к образованию данных объектов и их возможного прикладного применения. 1. Larichev, M.N., Velichko, A.M., Belyaev, G.E. etal., Studying condensed phase formed upon interaction between a high-power laser pulse and crystal aluminum oxide Bulletin of the Russian Academy of Sciences, 2016 : Physics 80(4), с. 402-406 2. Larichev M. N., Belyaev G.E., Stepanov Il.G., et al. Application of two-color pyrometer for studying flying luminous particles: Products of alumina laser ablation. // Review of Scientific instruments 2019 3. Червонный А.Д. Состав газовой фазы над Al2O3 при 2300-2600К, энтальпии атомизации AlO, Al2O, Al2O2 // Теоретическая неорганическая химия 2010. Т55. №4. С611. 4. В. К. Битюков, А. Ю. Воробьев, В. А. Петров, В. Е. Титов, Излучение расплава оксида алюминия в видимой и ближней ИК-области спектра при его затвердевании в процессе свободного охлаждения, ТВТ, 2008, том 46, выпуск 6, 851–863