Expansão de plasma por ablação a laser usando microondas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13901 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este estudo explora o potencial da utilização de microondas para sustentar a expansão do plasma de ablação a laser transitório do alvo Zr. Pela aplicação de microondas no plasma, observamos um aumento significativo com um aumento de duas a três ordens de grandeza na intensidade de emissão do plasma e um aumento de 18 vezes no volume espacial do plasma. Investigamos a mudança de temperatura do plasma e observamos que ela diminui de 10.000 K para aproximadamente 3.000 K. A temperatura do elétron diminuiu com a expansão do volume devido ao aumento da interação do ar circundante, enquanto o plasma pode ser sustentado no ar usando microondas. O aumento na temperatura dos elétrons durante a queda de temperatura é indicativo de plasma em desequilíbrio. Nossos resultados enfatizam a contribuição das microondas na promoção de maior emissão e formação de plasma a baixa temperatura controlada, demonstrando assim o potencial das microondas para melhorar a precisão e o desempenho da espectroscopia de decomposição induzida por laser. É importante ressaltar que nosso estudo sugere que as microondas também podem mitigar a geração de vapores tóxicos e poeira durante a ablação, um benefício crítico no manuseio de materiais perigosos. O sistema que desenvolvemos é altamente valioso para uma série de aplicações, incluindo nomeadamente o potencial para reduzir a possível emergência de fumos tóxicos durante o desmantelamento de detritos nucleares.

O plasma de ablação a laser gera um plasma de decomposição que se expande rapidamente no espaço e se dissipa em nanossegundos a microssegundos, encontrando aplicações generalizadas em instrumentação, medicina e indústria1, 2. Envolve a exposição de uma amostra alvo a um laser pulsado, resultando em plasma com características que podem variam significativamente devido a vários fatores, incluindo autoabsorção, reflexão e resfriamento. O controle sobre as características do plasma pode ser demonstrado pelas emissões de plasma.

Aplicações analíticas usando espectroscopia de ruptura induzida por laser (LIBS)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 provaram ser uma ferramenta poderosa na ciência e na indústria. A quantidade de emissão de plasma pode variar muito dependendo das condições ambientais sob as quais o plasma é gerado, e suas propriedades podem ser controladas para uma variedade de aplicações, como equipamentos de fabricação de semicondutores de baixa pressão14, 15, aplicações espaciais no vácuo, análise elementar16 ,17,18, motores de combustão interna de alta pressão19 e aplicações em alto mar20. No entanto, os plasmas de ablação são normalmente limitados na sua expansão devido a restrições do sistema, tais como a alteração do tamanho do volume e a vida útil do plasma21, limitações que estão a ser abordadas pelo LIBS melhorado por microondas, combinando microondas e lasers pulsados, resultando num desempenho significativamente melhorado do sistema21, 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. A intensidade de emissão do plasma é significativamente aumentada pela superposição de micro-ondas porque a energia de micro-ondas pode sustentar o plasma por um período muito mais longo, permitindo a ocorrência de mais eventos de emissão . ,40,41,42,43,44,45,46. Além disso, o volume espacial do plasma é expandido em duas ordens de grandeza, o que aumenta ainda mais a quantidade de luz emitida e detectada pelo sistema. Isto é fundamental para aplicações que exigem alta sensibilidade porque mesmo alterações insignificantes na quantidade de luz emitida podem afetar significativamente a precisão da medição.

O plasma induzido por laser no LIBS pode existir em estados de equilíbrio ou não-equilíbrio . É crucial compreender as diferenças entre plasmas em equilíbrio e fora de equilíbrio no LIBS para desenvolver um método analítico mais confiável e preciso, pois o plasma fora de equilíbrio pode resultar em intensidades de emissão aumentadas ou suprimidas de certas linhas atômicas ou moleculares50, 51. No contexto de microondas LIBS aprimorado, observamos características distintas de desequilíbrio, particularmente nas temperaturas rotacional e vibracional. As temperaturas rotacional e vibracional21 foram medidas para elucidar a rápida mudança nas características do plasma de ablação, indicando que a expansão do volume plasmático leva a uma diminuição na temperatura vibracional de 12.000 K para aproximadamente 2.200 K em 1 ms21. Embora muitos outros processos sejam responsáveis ​​pela expansão do plasma e nem sempre sejam acompanhados por uma queda de temperatura, teorizamos que a expansão do plasma e a queda de temperatura durante a expansão por microondas e o período de sustentação (alguns microssegundos após a ablação) são causadas pelo aumento da interação entre o plasma e a atmosfera circundante. A contribuição das ondas de choque no processo de ablação a laser na ablação por pares de microondas é considerada insignificante devido ao atraso de tempo entre o disparo do laser e a penetração das microondas no plasma induzido pelo laser. Este atraso ocorre porque as microondas têm que esperar que a densidade do plasma induzida pelo laser diminua abaixo da densidade crítica (~1010 a 1011 cm-3) necessária para a penetração das microondas. Para uma frequência de radiação de microondas de 2,45 GHz, esta densidade crítica é normalmente da ordem de 7 × 1010 cm-352. Durante a sustentação do plasma no ar, os elétrons podem ser acelerados e mantidos em um determinado nível durante o período de injeção de microondas. A física do plasma aprimorado por micro-ondas pode ser demonstrada comparando as temperaturas do plasma e sua sustentação no ar.