Математическое моделирование неравновесной кинетики ионизации вещества лазерным излучением

• Автор: Никифоров, Михаил Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 95 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Математическая модель неравновесной кинетики

ионизации вещества лазерным излучением.

1.1 Постановка задачи

1.2 Неравновесная кинетическая модель

1.2.1 Элементарные кинетические реаю щи

1.2.2 Квазиконтинуум

1.2.3 Система уравнений кинетики

1.2.4 Уравнения энергии

1.3 Метод решения

1.4 Уравнения Саха Больцмана
1.5 Заключение к главе 1
ГЛАВА 2 Структура и схема работы программы
2.1 Генератор базы данных
2.2 Блок Редактор
2.3 Вычислительный Блок
2.3.1 Задание управляющих параметров
2.3.2 Генератор системы уравнений
2.3.3 Менеджер
2.3.4 v
2.4 Заключение к главе 2
ГЛАВА 3 Моделирование неравновесных ионизационных
явлений в лазерной плазме
3. Моделирование порога оптического пробоя
3.1 Оптический пробой при неограниченном
воздействии лазерного импульса
3.1.1 Частотная зависимость пороговой интенсивности
3.1.2 ИК область воздействия
3.1.3 УФ область воздействия
3.1.4 Фотоионизация
3.1.5 Резонансное фотовозбуждение
3.1.6 Кинетика резонансного фотовозбуждения
3.1.7 Нерезонансное фотовозбуждение лазерным излучением
3.2 Оптический пробой в нано и микросекундном диапазоне воздействия
3.3 Сравнение с экспериментом
3.3.1 Наносекундный диапазон
3.3.2 Микросекунд ный диапазон
3.4 Заключение к главе 3
3.5 Моделирование линейчатого спектра излучения
плазмы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Так, при лазерной сварке или лазерном сверлении образующаяся в процессе испарения плазма, экранируя мишень от излучения, негативно влияет на процесс обработки. В связи с этим, представляется интересным определить такие параметры воздействия, частоты падающего излучения со,, интенсивности О, формы /(/) и количества п импульсов, чтобы при обработке поверхности оптический пробой не наступал. Другой важной прикладной и теоретической задачей является задача спектральной диагностики []-[]. Анализ линейчатого спектра позволяет определить такие важнейшие характеристики плазмы, как ее температура и зарядовый состав, который в неравновесном случае отличается от Саха-Больцмановского распределения. Учет неравновесных эффектов существенно усложняет анализ явлений в плазме и требует явного учета кинетики большого числа возбужденных состояний нейтрального атома и ионов [-], что можно решить только с помощью кинетической столкновительно-радиационной модели. Для написания системы уравнений нужно знать информацию о конфигурации уровней, разрешенных оптических переходах, силах осцилляторов, сечениях возбуждения, ионизации и рекомбинации, которая мало доступна по тяжелым элементам (Л >0-5-0). Поэтому, определение электронной конфигурации уровней и констант кинетических микропроцессов представляет собой отдельную задачу []. Другая проблема состоит в том, что изменение количества рассматриваемых кинетических состояний частицы приводит к изменению размерности имеющейся системы ОДУ, откуда возникает необходимость ее переформулировки. Это занимает много времени и требует от пользователя высокой квалификации. Более того, в случае интенсивного нагрева плазмы возникают моменты, когда из-за малой концентрации, одну из частиц, например, нейтральный атом, необходимо исключить из расчета, а другую, например, третий ион, добавить в расчет. Это означает, что в ходе расчета варианта, во-первых, требуется проводить оценку необходимости исключения одной частицы и ее замены на другую, а во вторых, если такая замена необходима, требуется переформулировать начальную систему уравнений. В связи с этим, возникает потребность реализации полной автоматизации процесса расчета спектроскопических констант, генерации системы кинетических уравнений, оценки и проведения регенерации системы уравнений в течение одного расчета. Менделеева. Первая глава посвящена разработке неравновесной кинетической модели ионизации вещества лазерным излучением. Сначала, определяется совокупность элементарных микропроцессов проистекающих в плазме, это радиационный распад, ударное возбуждение, ионизация и т. После этого, формулирует-ся система нелинейных дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает баланс частиц приходящих на уровень и уходящих с уровня за счет элементарных микропроцессов. Полученная система дополняется уравнениями энергии, характеризующими температуру электронной и “тяжелой” (атом и ион) подсистем. Во второй главе излагается реализация разработанной кинетической модели в виде программного комплекса “CoRNeK” (Collision Radiation Non-equilibrium Kinetics). Программный комплекс состоит из трех больших блоков: Генератор Базы Данных, Редактор и Вычислительный Блок. Генератор Базы Данных рассчитывает спектроскопическую информацию по выбранному пользователем элементу, константы и сечения элементарных микропроцессов. Редактор предназначен для просмотра и редактирования рассчитанной спектроскопической информацией. Вычислительный Блок проводит автоматическую генерацию системы кинетических уравнений, решает ее и строит линейчатые спектры излучения плазмы. Программа обладает' стандартным Windows интерфейсом. Третья глава посвящена анализу динамики неравновесных процессов в плазме в УФ диапазоне лазерного воздействия при оптическом пробое пара алюминия и расчету линейчатого спектра излучения плазмы. Определена теоретическая зависимость порога возникновения оптического пробоя в УФ диапазоне, которая качественно отличается от классической зависимости [] и согласуется с экспериментальными данными [2]-[7].