Expansión de plasma por ablación láser mediante microondas.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13901 (2023) Citar este artículo

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Este estudio explora el potencial de utilizar microondas para sostener la expansión del plasma de ablación láser transitoria del objetivo de Zr. Mediante la aplicación de microondas al plasma, observamos una mejora significativa con un aumento de dos a tres órdenes de magnitud en la intensidad de emisión del plasma y un aumento de 18 veces en el volumen espacial del plasma. Investigamos el cambio de temperatura del plasma y observamos que disminuye de 10 000 K a aproximadamente 3000 K. La temperatura de los electrones disminuyó con la expansión del volumen debido al aumento de la interacción del aire circundante, mientras que el plasma puede mantenerse en el aire usando microondas. El aumento de la temperatura de los electrones durante la caída de temperatura es indicativo de plasma en desequilibrio. Nuestros resultados enfatizan la contribución de las microondas en la promoción de una mayor emisión y formación de plasma a baja temperatura controlada, lo que demuestra el potencial de las microondas para mejorar la precisión y el rendimiento de la espectroscopia de ruptura inducida por láser. Es importante destacar que nuestro estudio sugiere que las microondas también podrían mitigar la generación de humos y polvo tóxicos durante la ablación, un beneficio fundamental al manipular materiales peligrosos. El sistema que hemos desarrollado es muy valioso para una variedad de aplicaciones, incluido el potencial para reducir la posible aparición de humos tóxicos durante el desmantelamiento de desechos nucleares.

El plasma de ablación por láser genera un plasma de descomposición que se expande rápidamente en el espacio y se disipa en nanosegundos a microsegundos, encontrando aplicaciones generalizadas en instrumentación, medicina e industria1, 2. Implica exponer un objetivo de muestra a un láser pulsado, lo que da como resultado un plasma con características que pueden varían significativamente debido a diversos factores, incluidos el ensimismamiento, la reflexión y el enfriamiento. El control sobre las características del plasma se puede demostrar mediante las emisiones de plasma.

Las aplicaciones analíticas que utilizan espectroscopía de ruptura inducida por láser (LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 han demostrado ser una herramienta poderosa en la ciencia y la industria. La cantidad de emisión de plasma puede variar mucho dependiendo de las condiciones ambientales bajo las cuales se genera el plasma, y sus propiedades pueden controlarse para una variedad de aplicaciones, como equipos de fabricación de semiconductores de baja presión14, 15, aplicaciones espaciales en el vacío y análisis elemental16. ,17,18, motores de combustión interna de alta presión19 y aplicaciones en aguas profundas20. Sin embargo, los plasmas de ablación suelen tener una expansión limitada debido a limitaciones del sistema, como el cambio de tamaño del volumen y la vida útil del plasma21, limitaciones que están siendo abordadas por LIBS mejorado con microondas mediante la combinación de microondas y láseres pulsados que dan como resultado un rendimiento significativamente mejorado del sistema21. 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. La intensidad de emisión del plasma mejora significativamente mediante la superposición de microondas porque la energía de microondas puede sostener el plasma durante un período mucho más largo, permitiendo que ocurran más eventos de emisión15, 22, 31, 33,34,35,36,37,38,39 ,40,41,42,43,44,45,46. Además, el volumen espacial del plasma se expande en dos órdenes de magnitud, lo que aumenta aún más la cantidad de luz emitida y detectada por el sistema. Esto es fundamental para aplicaciones que requieren alta sensibilidad porque incluso cambios insignificantes en la cantidad de luz emitida pueden afectar significativamente la precisión de la medición.

El plasma inducido por láser en LIBS puede existir en estados de equilibrio o de no equilibrio47,48,49. Es crucial comprender las diferencias entre los plasmas en equilibrio y en no equilibrio en LIBS para desarrollar un método analítico más confiable y preciso, ya que el plasma en no equilibrio puede resultar en intensidades de emisión mejoradas o suprimidas de ciertas líneas atómicas o moleculares50, 51. En el contexto de las microondas -LIBS mejorado, hemos observado distintas características de desequilibrio, particularmente en las temperaturas de rotación y vibración. Se midieron las temperaturas de rotación y vibración21 para dilucidar el rápido cambio en las características del plasma de ablación, lo que indica que la expansión del volumen del plasma conduce a una disminución en la temperatura de vibración de 12.000 K a aproximadamente 2200 K en 1 ms21. Si bien muchos otros procesos son responsables de la expansión del plasma y no siempre estarán acompañados por una caída de temperatura, teorizamos que la expansión del plasma y la caída de temperatura durante el período de expansión y mantenimiento de las microondas (unos pocos microsegundos después de la ablación) son causadas por el aumento de la interacción. entre el plasma y la atmósfera de aire circundante. La contribución de las ondas de choque en el proceso de ablación con láser en la ablación por pares de microondas se considera insignificante debido al retraso de tiempo entre el disparo del láser y la penetración de las microondas en el plasma inducido por el láser. Este retraso se produce porque las microondas tienen que esperar a que la densidad del plasma inducido por el láser disminuya por debajo de la densidad crítica (~ 1010 a 1011 cm-3) requerida para la penetración de las microondas. Para una frecuencia de radiación de microondas de 2,45 GHz, esta densidad crítica suele ser del orden de 7 × 1010 cm−352. Durante el mantenimiento del plasma en el aire, los electrones pueden acelerarse y mantenerse a un cierto nivel durante el período de inyección de microondas. La física del plasma mejorado con microondas se puede demostrar comparando las temperaturas del plasma y su mantenimiento en el aire.

Estudios anteriores han demostrado la eficacia de LIBS mejorado con microondas para aumentar la intensidad de la emisión de plasma en dos o tres órdenes de magnitud, sin un agrandamiento significativo del cráter23, 53,54,55. Se han optimizado varias muestras, incluidas Al, Al2O3, Gd, Ce, Pb, Cr y Zr para condiciones de oscilación de microondas, y también se ha determinado que Zr y óxidos de Zr aumentan la intensidad de emisión del plasma27, 56. Aunque el plasma generado por el El láser y el plasma expandido mantenido por microondas pueden tener características diferentes, ambos exhiben temperaturas de desequilibrio, como lo demuestran temperaturas rotacionales y vibratorias no iguales24, 30.

Nuestra aplicación objetivo en el uso de LIBS mejorado con microondas es el análisis de desechos de combustible nuclear para el esfuerzo de desmantelamiento de la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón31. A medida que persisten las inevitables pérdidas de energía en LIBS remotos y la alta absorción de luz inducida por la radiación, las microondas garantizan ablaciones grandes y sostenidas incluso en energías de ablación umbral. Para prepararnos para el análisis real de desechos nucleares, examinamos varios materiales relacionados con los desechos, incluido el hormigón y el acero inoxidable de la estructura del edificio, el circonio y el circonio de los túneles de las barras de combustible, el Gd del revestimiento de las barras de combustible y el Ce como sustituto del uranio. . En este estudio, utilizamos Zr como muestra para plasma de ablación con láser.

En el proceso de generación estándar del proceso inducido únicamente por láser, la expansión del volumen del plasma y el aumento de las emisiones son impulsados principalmente por el rápido calentamiento y vaporización del material objetivo tras la irradiación con láser. En el plasma de ablación láser asistido por microondas, la expansión del volumen va acompañada de una caída de temperatura a medida que las microondas influyen en la dinámica del plasma. En este estudio, empleamos microláseres, que son sistemas láser compactos con un cristal YAG pequeño y rectangular (dimensiones 3,0 × 3,0 × 10,0 mm3) para generar el plasma de descomposición inducido por láser de objetivos de circonio y circonio para el análisis LIBS mejorado por microondas23. Queríamos enfatizar que la temperatura del plasma mantenida en el aire difería significativamente de la ablación inducida por láser, ya que la expansión del plasma va acompañada de una caída de temperatura que sugiere un estado de no equilibrio. En este estado, la temperatura de los electrones medida a través de las emisiones de OI disminuyó, lo que eventualmente condujo a un estado de plasma de no equilibrio que permaneció constante mientras era sostenido por las microondas. Estos resultados abordan cuestiones fundamentales sobre los efectos de las microondas en la ablación, la temperatura del plasma y la dinámica de ionización.

La Figura 1a ilustra la configuración experimental de espectroscopía de ruptura inducida por láser mejorada con microondas (LIBS) con un microláser38. El término "microláser", o láser de microchip, describe el tamaño compacto y la portabilidad del sistema láser. Está diseñado específicamente para generar intensos pulsos láser para la ablación y la formación de plasma en el material objetivo. El microláser utilizado en el experimento es una cerámica compuesta (JOLD-120-QPXF-2P iTEC; JENOPTIK, FRG) que se bombea en el extremo mediante un diodo láser de 808 nm alimentado por una fuente de alimentación de 120 A y 200 W (PS; PLWB168; UNITAC, Japón). La onda casi continua se transmite al Nd:YAG del microláser y el Cr + 4:YAG actúa como un absorbente saturable, permitiendo la conmutación Q pasiva (> 60 μs) y emitiendo pulsos láser instantáneos con una energía láser de 1,0 mJ ( 849 ps de ancho de pulso y 1064 nm de longitud de onda)57, 58. Los elementos ópticos y cerámicos compuestos están alojados en una caja de aluminio de 60 mm × 120 mm × 900 mm. La salida del láser se transmite al divisor de haz y al detector de InGaAs (DET08C/M; 800–1700 nm, ancho de banda 5 GHz; Thorlabs, EE. UU.) con impulsos eléctricos al generador de impulsos, que activa microondas y espectrómetros. Se utilizó directamente el mismo detector de InGaAs para medir el ancho del pulso del láser, que se determinó que era de 0,849 ns. Las microondas de 2,45 GHz fueron introducidas por una bobina helicoidal con placas reflectoras cruzadas26. Para minimizar la potencia reflejada, empleamos un sintonizador de impedancia (sintonizador de tres terminales, Maury Microwave, EE. UU.) y monitoreamos la potencia utilizando sensores de potencia del acoplador direccional (serie 440,000, Connecticut Microwave Corp, EE. UU.).

Configuración experimental para espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) mejorada con microondas con microláser y los efectos de las microondas en la formación de plasma. Los elementos representados en la figura incluyen terminales de tres tubérculos para igualar impedancia (Stub), un generador de impulsos (Pulse Gen), un generador de microondas (MW), un osciloscopio (Osc) y un fotodiodo (Diode).

Las emisiones de plasma se analizaron utilizando un espectrómetro de tipo echelle doble (λ/150.000, Super Damon, LTB, Alemania) y un espectrómetro de tipo echelle único (λ/50.000, EMU 120/65, Catalina Scientific, Arizona). El tiempo de exposición y el ancho de puerta utilizados en ambos espectrómetros fueron 1,0 ms. El espectrómetro de tipo doble echelle Super Demon, debido a su mayor resolución, se utilizó para mediciones de la relación señal-ruido (SNR) de series temporales. Sin embargo, este espectrómetro tiene un rango espectral estrecho, por lo que utilizamos el espectrómetro Catalina echelle para mediciones de temperatura. A pesar de su menor resolución, este espectrómetro tiene un rango espectral más amplio, lo que nos permite capturar otras emisiones además de las emisiones de Zr.

La Figura 1b muestra la formación de plasma en muestras de metal Zr con y sin irradiación de microondas. Se utilizó una cámara ultrarrápida (Fastcam SA-Z, Photron, Reino Unido) para visualizar la formación de plasma con la misma señal sincronizada que el disparo del láser. A 100.000 fps con un tiempo de exposición de 10 μs, se capturó un área de medición de 720 × 380 píxeles2. En todas las condiciones experimentales, un objetivo macro AF Tamron de 180 mm (Saitama, Japón) se fijó en un valor de apertura de F/3,5 (que representa el número f, que es la relación entre la distancia focal del objetivo y el diámetro de la pupila de entrada). ) y una relación de zoom de 1:10. Las imágenes mostradas fueron el plasma más grande observado a 0 μs sin microondas y 1000 μs con microondas.

Para determinar la circunferencia de la pluma, utilizamos el software de análisis de imagen J y protocolos estándar de detección de bordes y conteo de píxeles. Luego aproximamos el volumen del plasma como una columna hemisférica utilizando la circunferencia de la columna. La estimación del volumen de la columna de plasma como un hemisferio basado en la circunferencia de la columna, si bien es una simplificación, es un enfoque común en la física del plasma y creemos que es una aproximación válida de primer orden en nuestro caso. Por supuesto, esto depende de la suposición de que el plasma se expande simétricamente, lo que parece razonable dada nuestra configuración experimental y nuestras observaciones. Resulta en un volumen de ablación que aumenta significativamente de 6,8 ± 0,1 a 125 ± 8 mm3 con la aplicación de microondas. El aumento es de aproximadamente 18 veces, que es mayor que el aumento informado anteriormente de aproximadamente diez veces24. La expansión del plasma observada de hasta 18 veces, en comparación con las 10 veces informadas anteriormente, podría explicarse por dos factores principales: los parámetros de microondas y láser. Cuando los parámetros de microondas se mantienen constantes, el tamaño inicial del plasma afecta significativamente las mejoras, donde es probable que tamaños iniciales más grandes absorban más energía de microondas, lo que lleva a expansiones más sustanciales29. No obstante, planteamos la hipótesis de que existe un umbral de tamaño de plasma óptimo, más allá del cual la eficiencia de la expansión inducida por microondas podría disminuir. Esta hipótesis, sin embargo, requiere más investigación para su validación.

La superposición de microondas y ablación inducida por láser funciona como un sistema de acoplamiento de campo cercano donde la región reactiva del campo cercano se centra alrededor del área objetivo muy cerca de la antena. En la Fig. 2a, los detalles de la posición de la antena de microondas se muestran con valores dx = dy = 0,1 mm y Ø = 30◦. Una densidad de potencia de microondas de aproximadamente 40 GW/m2, que corresponde al campo eléctrico máximo de la antena derivada de la simulación HFSS en referencia y la radiación por el vector de Poynting (E2/n, donde E representa el campo eléctrico y n representa el campo eléctrico intrínseco impedancia), se entrega a una distancia de 0,1 mm del objetivo. Esta alta densidad de potencia da como resultado una mejora significativa de la energía inducida por el láser, inicialmente de 1,6 GW/cm2. En las mediciones de potencia absorbida en la Fig. 2b, la potencia reflejada se resta de la potencia directa en tiempo real usando el osciloscopio (DSO-X-3024A, AgilentTechnologies, Colorado, EE. UU.). Observamos que el plasma de ablación por láser absorbe una cantidad significativa de potencia a 0,981 J. Durante los 100 μs iniciales, la potencia absorbida es mínima, debido a la alta densidad del plasma de ablación por láser, que impide la propagación de las microondas. Durante este período, sólo podemos aproximarnos y plantear la hipótesis de que la densidad del plasma es mayor que la densidad del plasma crítica de 7 × 1010 cm-3. Sin embargo, esta potencia absorbida aumenta gradualmente hasta alcanzar un máximo del 97,8% en aproximadamente 60 μs. Teniendo en cuenta tanto la potencia absorbida como nuestra estimación del volumen del plasma, hemos calculado que la densidad de absorción de potencia por el plasma sólo se aproxima a 7,9 kW/cm3. Se plantea la hipótesis de que esta concentración de energía de microondas también puede influir en el volumen de humos producidos durante el proceso de ablación.

(a) El diagrama detallado de la antena de microondas en dx = dy = 0,1 mm y Ø = 30◦. (b) La gráfica de potencia absorbida se utilizó para aproximar la densidad de potencia de microondas absorbida real por el plasma ampliado.

La Figura 3 ilustra el resultado de la ablación inducida por láser realizada en muestras cerámicas a base de óxido de Zr. El procedimiento de ablación empleó una energía láser de 1,0 mJ y una potencia de microondas de 1,0 kW. Se utilizó una cámara microscópica tridimensional (3D) (VHX-970FN, Keyence, Japón) con una resolución de 0,149 µm para capturar el proceso y examinar las características de ablación de la superficie. Las altas temperaturas de fusión de las muestras cerámicas a base de óxido de Zr, que alcanzaron 3813 K, dieron como resultado la formación de perfiles de cavidades en forma de cuenca con protuberancias laterales que eran fácilmente discernibles, como se muestra en la Fig. 3a. El punto de origen en la profundidad del cráter está representado por un color blanco liso en la marca de cero micrómetro, mientras que la superficie plana circundante exhibe una gama de colores rosa claro a oscuro, lo que indica la presencia de protuberancias laterales elevadas que rodean el cráter. Cuando se aplicaron microondas como se muestra en la Fig. 3b, el diámetro del cráter disminuyó, ya que la región cercana a la antena sufrió menos ablación. El volumen del bulto lateral disminuyó; sin embargo, la profundidad aumentó. Especulamos que las microondas contribuyen a la reducción del volumen de los cráteres de ablación, lo que a su vez podría minimizar la producción de humos y polvo. Esta suposición parece presentar una aparente contradicción con respecto a la relación entre la formación de cráteres y la expansión del plasma, donde se requeriría una descomposición del material más extensa para facilitar la expansión del plasma. Para abordar esta aparente discrepancia, proponemos la hipótesis de que la descomposición de las protuberancias laterales asistida por microondas facilita la expansión del plasma. Esta hipótesis se alinea con los fenómenos observados, ya que la expansión del plasma es principalmente hacia afuera y no se infiltra en el interior del cráter. Dada nuestra configuración experimental, el punto focal del láser está ubicado aproximadamente al nivel de la superficie y la profundidad focal es de ~ 5 mm. Por lo tanto, con cada disparo de láser sucesivo, la ablación de materiales aumenta lentamente a medida que la perforación con láser continúa con un mayor disparo de láser.

Ablación inducida por láser de muestras cerámicas a base de óxido de Zr: cambios en el diámetro del cráter y las características de las protuberancias laterales (a) sin y (b) con aplicación de microondas. Los errores estándar relativos se basaron en la incertidumbre de la superficie de referencia que se mide mediante (i) la desviación estándar de la rugosidad de la superficie para la distancia de profundidad, el volumen del relieve y el volumen del cráter y (ii) la desviación estándar del diámetro mínimo y máximo.

En ausencia de microondas, se produce un fenómeno conocido como confinamiento de plasma con un aumento en el número de disparos láser, lo que lleva a un aumento del volumen del cráter. Esta observación está respaldada por los hallazgos de Hernández II et al., (2022)59, quienes informaron un aumento exponencial en el tamaño y la profundidad de la cavidad con el aumento de los disparos láser, pero eventualmente se desacelera debido al efecto de protección del plasma. En presencia de microondas, la mejora se canaliza hacia arriba, inhibiendo la progresión del agrandamiento de la cavidad. Este mecanismo único permite que las microondas influyan en la profundidad y expansión del plasma. Sin embargo, tenga en cuenta que el dispositivo microláser utilizado está limitado a una energía láser de 1 mJ. Para energías láser más grandes, se observaron efectos casi insignificantes de las microondas en el cráter de ablación en la superficie de alúmina21.

Los resultados recientes muestran el potencial de las microondas para reducir el volumen del cráter de ablación. La razón detrás necesita más investigación, incluida la descomposición inducida por microondas y la fusión de las protuberancias laterales de la ablación con un mayor número de disparos de láser. Esta información es particularmente significativa en el contexto de tratar con muestras tóxicas como las encontradas en nuestra aplicación objetivo de desmantelamiento de desechos nucleares.

La Figura 4 ilustra las intensidades de emisión de plasma de las emisiones atómicas de Zr I (460 nm) y iónicas de Zr II (449 nm) con diferentes retardos de puerta. Los símbolos rojos representan los resultados del sistema LIBS estándar con microondas superpuestas y los símbolos azules representan los resultados sin microondas. Como estamos interesados en las aplicaciones de desechos nucleares, las líneas Zr I y Zr II pueden interferir con las emisiones de uranio, especialmente dentro del rango de 420 a 470 nm. La Figura 4a muestra la intensidad de la emisión de plasma, mientras que la Fig. 4b ilustra la relación señal-ruido (SNR) calculada como relación con la luz de fondo. Ambas figuras ilustran un efecto de mejora de aproximadamente dos a tres órdenes de magnitud en presencia de microondas.

Efectos de las microondas sobre (a) la intensidad de emisión y (b) la relación señal-ruido (SNR) del plasma de ablación de muestras de Zr.

Sin microondas, el plasma de ablación desaparece aproximadamente 10 μs después de la irradiación con láser. Sin embargo, cuando se superponen microondas, el plasma de ablación se mantiene en el espacio durante más tiempo. El plasma se mantiene durante el período de entrada de microondas, como lo indica el cambio temporal de la intensidad de emisión y el valor SNR del espectro característico. Las tendencias son consistentes para las emisiones neutras y de iones, y el efecto de mejora de las microondas es de aproximadamente dos a tres órdenes de magnitud.

Varios otros informes sugieren una SNR mejorada solo por un factor de uno o dos dígitos en lugar de dos o tres órdenes de magnitud, ya que otros factores afectan la SNR, incluido el aumento del ruido de fondo provocado por las microondas. Recientemente, descubrimos que la SNR máxima para condiciones sin microondas se produce dentro del primer microsegundo después del disparo del láser. Este es un detalle que hemos pasado por alto anteriormente, ya que nuestro enfoque se ha centrado principalmente en las emisiones de plasma junto con las microondas. Para ser claros, las mejoras de dos o tres órdenes de magnitud sólo se refieren a las mismas emisiones con un retardo de puerta de entre 1 y 10 μs. Sin embargo, al comparar la SNR óptima en condiciones con o sin microondas, el aumento de la SNR está simplemente en el rango de uno a dos dígitos.

La emisión de plasma mejorada y sostenida en presencia de microondas puede atribuirse a varios factores. La absorción de energía de microondas por el plasma conduce al mantenimiento y expansión del volumen del plasma, lo que también mejora la emisión del plasma debido al aumento de los procesos de recombinación y excitación. Además, el suministro continuo de energía proporcionado por las microondas puede mantener el plasma en un estado de desequilibrio durante períodos de tiempo más prolongados. El plasma sostenido puede brindar más oportunidades para interacciones atómicas y moleculares, lo que lleva a intensidades de emisión mejoradas.

La temperatura del plasma se determina comúnmente mediante análisis de espectro, y informes anteriores indican que la temperatura de vibración de 12 000 K se reduce a aproximadamente 2200 K utilizando la medición estequiométrica del espectro de plasma a través de un segundo sistema positivo de nitrógeno (N2PS)21, 30. La vibración, rotación, y las temperaturas de los electrones indican características físicas del plasma que cambian temporalmente a medida que el plasma pasa del equilibrio al no equilibrio, lo que hace que su evaluación sea difícil. Las microondas facilitan la captura de emisiones atómicas, iónicas y moleculares del plasma sostenido, lo que permite una evaluación exitosa de la temperatura de los electrones utilizando la ecuación de Saha-Boltzmann, que se basa en el plasma en equilibrio térmico. Si bien el plasma acoplado a microondas puede no existir en un estado de equilibrio térmico, la ecuación de Saha-Boltzmann todavía ofrece una heurística útil para estimar la temperatura de los electrones, como lo respaldan múltiples fuentes, incluida la Referencia 38. Por lo tanto, proponemos utilizar las emisiones del interacción del aire y del plasma de ablación, que aumentan con las microondas, para aproximarse fácil y rápidamente a las temperaturas del plasma. Esta interacción conduce a la emisión de N2PS, OH y OI moleculares.

En este estudio, comparamos las características de la temperatura del plasma utilizando la temperatura de los electrones del OI y discutimos el cambio de temperatura de la expansión del plasma en el espacio debido a la energía de microondas. Examinamos el efecto de las microondas sobre la temperatura de los electrones y su mantenimiento del plasma en el aire. Realizamos mediciones con espectrómetro de alta resolución (λ/50.000) en dos espectros de OI, 777,19 nm y 777,49 nm. La Figura 5 ilustra los resultados experimentales obtenidos mediante mediciones LIBS utilizando un microláser con y sin microondas. Estos dos espectros OI tienen diferentes valores máximos dependiendo de la presencia o ausencia de microondas; sin embargo, las microondas también aumentan la luz de fondo continua. Utilizamos la comparación de espectros con los espectros simulados para calcular la temperatura de los electrones.

Comparación de la emisión atómica triplete OI en espectroscopia de descomposición inducida por láser mejorada por microondas (LIBS) con microláser.

La Figura 6a ilustra el espectro simulado de la banda O utilizando espectros sintéticos (SPECAIR 3.0, Spectral Fit, Francia)18, 60 a medida que la temperatura del electrón aumenta de 2000 a 8000 K. SPECAIR calcula las intensidades de emisión basándose en las transiciones de niveles de energía, expresadas por Ec. 1:

Cambios de temperatura del espectro OI y efecto de los anchos de pulso de las microondas en espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) mejorada por microondas con microláser mediante (a) simulaciones en comparación con (b) mediciones reales.

En esta ecuación, hc representa la constante de Planck multiplicada por la velocidad de la luz, mientras que 'st' es un término pequeño que representa la duplicación lambda y la división del espín, como se describe en la Referencia 59. Observamos un cambio en el valor máximo a 777,41 nm como La temperatura del electrón aumenta, con el gráfico normalizado al valor máximo de 777,19 nm. La Figura 6b ilustra los resultados de la medición del espectro OI en diferentes condiciones de microondas. También demostramos el cambio en el valor máximo de 777,41 nm, que se normaliza al valor máximo de 777,19 nm, a medida que aumenta la temperatura del electrón. Las condiciones de microondas se miden cambiando el pulso de 0, 60, 70, 80 y 500 µs. Informes anteriores21 revelaron que las mediciones de la potencia absorbida por microondas indicaron un aumento exponencial similar a la expansión del volumen del plasma de ablación dentro de los primeros 100 µs. Más allá de este período, tanto la potencia absorbida como la expansión del volumen tienden a estabilizarse o alcanzar niveles de saturación; como tal, nuestras mediciones detalladas se realizaron dentro del período de 100 µs. Observamos que el espectro medido con un espectroscopio λ/50.000 parece ser menos suave que el espectro sintético simulado. Con respecto al valor máximo normalizado a 777,41 nm, hemos observado una tendencia a aumentar los valores a medida que aumenta el tiempo de entrada de microondas. Esta tendencia se alinea con la disminución de las temperaturas de los electrones observadas en los espectros simulados.

Los efectos del ancho del pulso de microondas sobre la temperatura de los electrones con un microondas de 1,0 kW se muestran en la Fig. 7. La temperatura del electrón es de aproximadamente 10.000 K en condiciones sin entrada de microondas y cae a 6.000 K con un ancho de pulso de microondas de 60 µs. Desde un ancho de pulso de 60 a 80 µs, la temperatura fluctúa de 4000 a 6000 K. Posteriormente, con un ancho de pulso de microondas de 500 µs, la temperatura desciende lentamente hasta 3000 K. Las incertidumbres de las mediciones son de alrededor de 1000 K, y todas las mediciones fueron redondeado al millar más cercano.

Comparación de la temperatura de los electrones con el período de entrada de microondas en espectroscopia de ruptura inducida por láser mejorada por microondas (LIBS) con microláser.

Anteriormente observamos una sorprendente similitud en el patrón de absorción de energía de las microondas con el patrón de variaciones temporales de la temperatura de los electrones en el aire24. Esta observación sugiere que existe una correlación entre el ensanchamiento del pulso de microondas y las alteraciones variables en el tiempo en la temperatura de los electrones.

El aumento en el volumen de plasma debido a la inyección de microondas es 18 veces mayor, lo que va acompañado de caídas de temperatura de los electrones, después de lo cual la inyección de microondas mantuvo el estado de no equilibrio del plasma. Sin microondas, la expansión del volumen del plasma y el aumento de las emisiones fueron impulsados por los efectos de relajación y recombinación del plasma, que resultan en una disminución de la temperatura de los electrones y un aumento del volumen. Esto es claramente diferente en presencia de microondas, donde la disminución de la temperatura de los electrones no detiene la expansión del plasma. En cambio, las microondas provocan un nivel sostenido de excitación y actividad de electrones, lo que facilita una mayor expansión del plasma.

La Figura 8 ilustra la potencia de microondas absorbida temporalmente para varios anchos de pulso de microondas que varían de 100 a 1000 μs. Como se muestra en la Fig. 8a, la potencia de microondas absorbida por el plasma de ablación con láser alcanzó constantemente un máximo de más del 98% para cada pulso utilizado. La Figura 8b proporciona una vista más detallada de la potencia absorbida durante los 100 μs iniciales. Inicialmente, la potencia absorbida es mínima debido a la alta densidad del plasma de ablación láser, que actúa como barrera a la propagación de las microondas. Sin embargo, esta situación cambia a medida que avanza el tiempo; la potencia absorbida aumenta gradualmente, alcanzando un máximo de > 98 % alrededor de la marca de 60 μs. Esta tendencia (de absorción inicial mínima seguida de un aumento gradual) es consistente en todos los anchos de pulso de microondas variados. Esta consistencia sugiere una relación general entre el ancho del pulso de microondas y las variaciones temporales en la absorción de potencia de microondas en plasma de ablación con láser.

Mediciones de la potencia de microondas absorbida temporal en dos condiciones diferentes: (a) variando el ancho del pulso de microondas y (b) dentro de los primeros 80 μs.

A través de esta investigación, hemos demostrado el potencial de utilizar microondas para mejorar la expansión del plasma de ablación transitorio inducido por láser generado por un objetivo de Zr. Nuestro diseño experimental incluía una antena helicoidal de microondas, que servía como sistema de acoplamiento de campo cercano. La antena entregó una densidad de potencia aproximada de 1,2 GW/m2 dentro de un rango de 0,1 mm del objetivo, lo que condujo a una notable mejora del plasma de ablación inducido por láser. La absorción de energía inicialmente permaneció mínima, alcanzando un máximo del 97,8% alrededor de 60 μs, lo que corresponde a una densidad de potencia absorbida de 7,9 GW/cm3. Esta entrada de energía subyace a la mejora observada en la intensidad de la emisión de plasma y el volumen espacial en dos o tres órdenes de magnitud. La energía adicional proporcionada por las microondas no sólo impulsa los procesos de excitación e ionización dentro del plasma, sino que también impulsa su expansión.

Nuestras observaciones experimentales también revelaron algunos desafíos. Observamos que la ubicación de la antena en relación con el objetivo influye en la aplicación exitosa de la expansión de plasma inducida por microondas. La distancia antena-objetivo y el factor de mejora no parecieron exhibir una correlación directa (consulte las figuras complementarias 1 y 2), lo que sugiere que hay otros factores en juego. Sin embargo, ajustar el ángulo de la antena en relación con la propagación del láser mostró resultados más consistentes. Los valores angulares más pequeños dieron como resultado mayores mejoras en las emisiones. Por lo tanto, mantener una distancia constante entre la antena y el objetivo de 0,1 mm y un ángulo de antena de 30 grados desde la propagación del láser fue clave para lograr una expansión exitosa del plasma inducida por microondas.

En términos de formación de ablación en muestras cerámicas a base de óxido de Zr, observamos la formación de cavidades en forma de cuenca. La aplicación de microondas provocó una reducción del diámetro del cráter y un aumento de su profundidad, lo que indica una posible influencia de la energía de las microondas en el volumen de humos producidos durante el proceso de ablación. Esta observación marca un alejamiento de estudios previos que informaron efectos insignificantes de las microondas en los cráteres de ablación21. Ambas observaciones tienen implicaciones en campos como el análisis de muestras tóxicas y el desmantelamiento de desechos nucleares.

Además, hemos investigado el cambio de temperatura del plasma con y sin las microondas aplicadas utilizando las emisiones de OI. Estas emisiones surgen potencialmente de la ablación de la capa de óxido de zinc o de la interacción con el aire atmosférico. Sin aplicación de microondas, la temperatura de los electrones del plasma era de aproximadamente 10.000 K. Por otro lado, con la aplicación de microondas, la temperatura de los electrones del plasma cayó inicialmente a 6.000 K con un ancho de pulso de microondas de 100 μs y luego a 3.000 K usando microondas más altas. ancho de pulso. Esta disminución de temperatura se atribuye a la expansión del plasma, que posteriormente aumenta la interacción con los ambientes atmosféricos. Ampliando este tema, una disminución de la temperatura no debe asociarse vagamente con una reducción del volumen, ya que la temperatura, la densidad y el volumen de los electrones están determinados por una variedad de factores. Esto incluye la influencia de fuerzas externas, como las microondas, sobre el plasma. En nuestro estudio, las microondas no sólo mantuvieron el movimiento de los electrones sino que también indujeron la expansión del plasma, lo que llevó a la disminución de temperatura observada. Una razón probable de esta disminución de temperatura en un plasma en expansión es la naturaleza de desequilibrio del plasma.

En un estudio anterior, observamos una disminución en la temperatura vibratoria de las moléculas de nitrógeno en el aire a medida que las microondas expandían el plasma, aumentando así las interacciones plasma-aire. De este modo podemos confirmar la formación de plasma en desequilibrio por las microondas tanto en plasmas de aire como en plasmas de ablación. Estos hallazgos demuestran que el uso de microondas en la ablación inducida por láser tiene implicaciones importantes para diversas aplicaciones, como el análisis de muestras tóxicas y el desmantelamiento de desechos nucleares. El plasma de ablación mejorado por microondas presentado en este estudio también podría usarse para otras aplicaciones, como el procesamiento de materiales y la micro/nanofabricación, donde controlar la expansión del plasma y la deposición de energía es crucial. En general, nuestro estudio abre nuevas vías para el desarrollo de técnicas basadas en láser más eficientes y efectivas para diversas aplicaciones.

Desarrollamos un sistema novedoso que utiliza microondas para mejorar la ablación inducida por láser con microláser. Al superponer microondas al plasma de ablación con láser, indujimos la descomposición mediante irradiación láser, y las microondas expandieron y mantuvieron el plasma sometido a ablación en el espacio. Este plasma expandido fue determinado por la energía de microondas y su tiempo de inyección, independientemente de las condiciones iniciales del láser. Nuestros resultados demuestran que después de la descomposición, el plasma se expande hasta 18 veces su tamaño inicial al absorber microondas.

También investigamos los cambios de temperatura en el plasma en presencia de microondas. Queríamos enfatizar que la temperatura de los electrones mantenida en el aire difería significativamente de la ablación inducida por láser, ya que estaba en un estado de no equilibrio. En este estado, la temperatura del electrón era inicialmente de 10.000 K y cayó a aproximadamente 4.000 K en aproximadamente 100 µs. Posteriormente, incluso con la aplicación de microondas, la temperatura de los electrones descendió a aproximadamente 3000 K, y este estado se mantuvo en el espacio.

Nuestro estudio proporciona nuevos conocimientos sobre la dinámica de la expansión del plasma y los cambios de temperatura en LIBS mejorados con microondas con un microláser. El microondas puede contribuir a sostener y expandir el plasma en el aire mientras disminuye la temperatura de los electrones. Nuestros hallazgos tienen implicaciones importantes para diversas aplicaciones, incluido el análisis de muestras tóxicas y el desmantelamiento de desechos nucleares. El sistema desarrollado puede tener un potencial significativo para mejorar la sensibilidad y selectividad de LIBS en varios campos.

Los datos subyacentes a los resultados presentados en este artículo no están disponibles públicamente en este momento, pero pueden obtenerse de los autores previa solicitud razonable comunicándose con Yuji Ikeda en [email protected].

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Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de Desarrollo de Recursos Humanos y Ciencia y Tecnología de Energía Nuclear de la JAEA a través de la subvención de sabiduría concentrada número JPJA20P20337946.

i-Lab., Inc., #213 KIBC Bldg., 5-5-2 Minatojima-Minami, Chuo, Kobe, 650-0047, Japón

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Ikuo Wakaida

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JS fue responsable de la recopilación de datos y la preparación de cifras. YI supervisó la experimentación en i-Lab, Inc. IW y HO supervisaron la recopilación de datos espectroscópicos en JAEA. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yuji Ikeda.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ikeda, Y., Soriano, JK, Ohba, H. et al. Expansión de plasma por ablación láser mediante microondas. Informe científico 13, 13901 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41208-z

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Recibido: 22 de marzo de 2023

Aceptado: 23 de agosto de 2023

Publicado: 25 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41208-z

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