激光驱动颗粒靶成坑过程中颗粒溅射动力学实验研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ccc_tw
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碰撞(或冲击)成坑过程广泛存在于各种自然现象中,其中,月球以及行星表面陨石坑的形成是最为典型的例子。实验室研究低能碰撞(或冲击)引起的颗粒成坑动力学过程,有助于揭示极端条件下陨石坑的形成机理,并能够推动涉及到碰撞(或冲击)动力学的许多基础和应用研究的进程。在这其中,低能脉冲激光驱动的颗粒成坑事件是人们近期初步建立的一种实验室研究成坑过程的新手段。截止到现在,由于涉及到激光驱动颗粒成坑的工作仅有一篇文章公开报道,人们对该手段对应的成坑机理,以及不同激光参数和颗粒靶参数下的颗粒溅射动力学特征仍了解甚少。本硕士论文在此研究背景下,系统开展了不同脉冲能量的纳秒激光(1064 nm,7 ns,10-100 m J)辐照中值粒径为84μm、109μm、184μm、234μm的石英砂颗粒床实验。通过采用30万帧的高速相机对激光驱动颗粒溅射动力学的全过程拍摄,系统研究了粒径和能量参数对激光驱动颗粒溅射动力学特征的影响,并得到了以下几个主要的实验结果:1.首次发现了激光驱动的颗粒溅射过程在时间尺度上可以清晰的区分为持续百微秒的早期快速颗粒溅射过程和持续几十毫秒的后期慢速颗粒溅射过程;2.在给定颗粒粒径的情况下,发现了早期的快速颗粒溅射过程中的最快颗粒的动能随激光能量的增加以幂指数的形式增长;后期慢速颗粒溅射过程产生的颗粒帘底直径随时间的演化也遵循了幂指数规律,并且幂指数值独立于激光能量;3.在给定激光能量的情况下,发现了早期的快速颗粒溅射过程中的最快颗粒的动能随着粒径的增大而增加;后期慢速颗粒溅射过程产生的颗粒帘底直径随时间的演化的幂指数规律中的幂指数值随着粒径的增大而增大;对于以上实验结果,在点源模型的框架下,通过细致考虑激光脉冲能量和粒径依赖的颗粒在气流中的冲量耦合效率、激光与颗粒靶相互作用产生的等离子体特征,给予了合理的解释。本研究丰富了人们对激光驱动颗粒溅射动力学特征的认识,同时加深了对激光驱动成坑机理的理解。
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