Tesis:
Utilización de la línea Hα del hidrógeno en la caracterización de los plasmas generados por láser para aplicaciones industriales (técnicas LSP) y espectroscópicas
- Autor: ANDRÉS GARCÍA, María Isabel de
- Título: Utilización de la línea Hα del hidrógeno en la caracterización de los plasmas generados por láser para aplicaciones industriales (técnicas LSP) y espectroscópicas
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. DISEÑO INDUSTRIAL
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/47301/
- Director/a 1º: COLÓN HERNÁNDEZ, Cristóbal
- Resumen: En la presente tesis se ha diseñado un procedimiento experimental que permite caracterizar de manera más precisa el plasma generado en el tratamiento industrial mediante ondas de choque generadas por láser, Laser Shock Processing (LSP). El tratamiento de LSP consiste en aplicar pulsos láser de alta intensidad (superior a 1 GW/cm2) sobre una pieza metálica. Esto provoca la ablación de su superficie y la generación de un plasma. Este plasma, de alta densidad y temperatura, está formado por las distintas especies iónicas de los elementos presentes tanto en la pieza como en el ambiente. El tratamiento se realiza en presencia de agua lo que limita la expansión del plasma y hace que su presión aumente hasta alcanzar varios GPa. La alta presión del plasma genera una onda de choque que, combinada con la ablación, produce un cráter microscópico. Esta deformación plástica generada produce un campo de tensiones residuales de compresión que modifican las propiedades superficiales del material. Para estudiar las propiedades de este plasma se ha empleado la técnica espectroscópica de ruptura inducida por láser, Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), basada en el análisis de los fotones emitidos por el plasma. Se ha aplicado un pulso láser de 10 ns de duración y 1064 nm de longitud de onda sobre una muestra de aleación de aluminio Al2024. El espectro del plasma generado se ha recogido mediante un monocromador equipado con una cámara CCD. Este módulo espectroscópico fue calibrado previamente mediante una lámpara de Ne y un láser de He Ne. El rango de longitud de onda de trabajo fue de 6520 a 6590 Å. En dicho rango sólo se ha observado la emisión de la línea Hα de la serie de Balmer (6562,88 Å). Se verificó que esta línea no se encontraba autoabsorbida y se tomaron valores de ensanchamiento y desplazamiento para diferentes parámetros de adquisición, obteniéndose una importante colección de valores. Se variaron los tiempos de retardo, respecto al pulso láser, desde 2 hasta 5 μs, con un paso de 0,5 μs. Además para cada retardo se fueron aumentando los anchos de ventana, de medida, tomando 100, 200, 300, 500 y 1000 ns. Se estimó la densidad de electrones A^de todos los casos, empleando la expresión de Ashkenazy et al. (1991) y haciendo uso de los valores tabulados del coeficiente de anchura Stark reducida ai/2 para la serie de Balmer, publicados por Kepple y Griem (1968). Como este coeficiente depende a su vez de la densidad de electrones y de la temperatura T hubo que determinarlo para los rangos comprendidos entre 1,5x1017 3,4x1017 cm3 y 10000 30000 K. Se compararon los valores de la densidad de electrones determinada por el parámetro a ^ c o n los calculados según la citada expresión y se aceptaron aquellas condiciones cuyos resultados numéricos fueron coherentes entre sí. De esta manera el propio procedimiento determinó también el mejor valor para la temperatura electrónica. Los datos experimentales proporcionaron valores comprendidos entre 1,2x1017 cm 3 y 3,5x1017 cm 3 para la densidad de electrones y de 10000 a 30000 K para la temperatura. Estos resultados completan los escasos datos experimentales existentes acerca de la caracterización del plasma en procesos LSP debido a que el confinamiento con agua apantalla la emisión de la mayoría de las especies iónicas presentes en el mismo, apareciendo sólo la emisión de la línea Hα. La contribución de estos valores experimentales es de gran ayuda a la hora de realizar un modelo de caracterización predictiva de los efectos que el tratamiento produce sobre diferentes materiales, ya que se podrían obtener grandes mejoras a nivel industrial. Con este trabajo se demuestra que en un solo experimento se pueden proporcionar las condiciones óptimas para la estimación de la densidad de electrones y la temperatura a nivel industrial y estas se producen para un retardo de 4 μs y una ventana de medida de 500 ns. Estos resultados suponen una importante aportación al modelo desarrollado en el Centro Láser de la UPM (CLUPM), (Correa 2014), basado en los efectos físico mecánicos del tratamiento LSP mediante códigos numéricos, que ha permitido predecir satisfactoriamente la intensidad de la onda de presión generada en el material, pero no de proporcionar datos precisos para la predicción de la temperatura electrónica y la densidad de electrones del plasma. El método llevado a cabo supone una alternativa al procedimiento habitual para la diagnosis de la temperatura, basada en la medida de la intensidad de diferentes líneas espectrales en varias ventanas (experimentos diferentes y dependientes de la calibración global del equipo). Por otro lado, si se analiza el plasma producido en un tratamiento de LSP en ausencia de agua, aparecen las emisiones iónicas de los diferentes elementos que componen la muestra objeto del análisis. El estudio de los parámetros atómicos de dichas especies es de gran interés en astrofísica, debido a que permiten determinar la presencia de dichos de dichos elementos en unas condiciones físicas como las que se dan, por ejemplo, en las atmósferas estelares. Los resultados obtenidos suponen también una contribución importante para ampliar las bases de datos de utilidad astrofísica. Para ello se han calculado las probabilidades de transición de las especies iónicas Sn IV y Mg IV presentes en muestras industriales, utilizando el código de Cowan (Cowan 1981) modificado y considerando los parámetros Stark y la formulación de Griem (1974). Estos cálculos podrán ser empleados como herramienta para la medida de densidades electrónicas, de manera que puedan ser contrastadas experimentalmente mediante la técnica anteriormente mencionada. Esta última tarea no ha podido ser llevada a cabo aún y será objeto de un futuro trabajo de investigación. ABSTRACT On the present thesis, an experimental procedure to characterize more precisely the plasma generated by the Laser Shock Processing (LSP) treatment has been designed. The LSP treatment consists on shooting high intensity laser pulses (over 1 GW/cm2) over a metallic sample, which causes a surface ablation and a plasma generation. This plasma, with high energy and temperature, is made up by the different ionic species of the elements present on the sample and on the environment. This generated plasma is confined by a water layer in a way that limits its expansion and makes its pressure increase up to several GPa. The high pressure generated plasma creates a shockwave that, in combination with the ablation caused, generates a microscopic crater. This plastic deformation generates a compressive residual stresses field that modifies the superficial properties of the material. To study this plasma properties, Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique has been used, based on the analysis of the plasma emitted photons. A 10 ns length and 1064nm wavelength laser pulse has been applied on an Al2024 aluminum sample. The generated plasma spectrum has been collected by a spectrometer equipped with a CCD camera. This spectroscopy module was previously calibrated using a Ne lamp and a He-Ne laser. The working wavelength range was from 6520 to 6590 Å. On this range, only the Balmer series Ha line emission is observed (6562,88 Å). It was verified that this line was not autoabsorbed and a very important collection of data was collected taking widening and shifting values. Delay times in relation to the laser pulse were modified from 2 to 5 μs in 0,5 μs steps. For every delay, the measurement window gaps were increased taking 100, 200, 300, 500 and 1000 ns. The electron density N e has been estimated for all cases, using the expression from Ashkenazy et al. (1991) and with the tabulated values of the a1/2 reduced Stark width coefficient for the Balmer series published by Kepple and Griem (1968). As this coefficient depends itself on the electron density and the temperature T , it had to be determined for ranges between 1,5x1017 - 3,4x1017 cm"3 and 10000 - 30000 K. Electron density values determined by the a1/2 parameter were compared to the ones calculated by the previous expression and the conditions with numerical results coherent between them were accepted. That way, the procedure itself determined the best value for electron temperature as well. The experimental data provided values between 1,2x1017 cm"3 and 3,5x1017 cm"3 for the electron density and between 10000 and 30000 K for the temperature. These results complete the lack of experimental data that exists about the characterization of plasmas on LSP processes due to the shielding of the emission of many of the ionic species by the water confinement with only the line Ha appearing. These experimental values are from great help when developing a predictive characterization model of the effects that this treatment causes on different materials, because great industrial improvements could be made. This work demonstrates that the optimal conditions for the electronic density and temperature estimation can be provided in one single experiment, and these are obtained with a 4 μs delay and a 500 ns measurement window. These results mean a significant contribution to the model developed by Centro Laser de la UPM (CLUPM), (Correa 2014), based on the physical mechanical studies of the treatment using numerical codes that allowed to satisfactorily predict the intensity of the pressure wave generated on the material, but on the other side it has not been able yet to provide accurate data for the prediction of the plasma electronic temperature and density. The performed method means an alternative to the usual procedure for temperature diagnosis, based on the measurement of different spectral lines on various windows (different experiments dependent on the global calibration of the equipment). Additionally, if in a LSP waterless treatment the generated plasma is analyzed, ionic emissions from the different elements on the sample will appear. Studying the atomic parameters of these species is of particular interest in astrophysics because they afford to determinate the presence of those elements on the same physical conditions as in, for example, the stellar atmospheres. The obtained results mean as well an important contribution to widen astrophysical related databases. To that effect, transition probabilities of the ionic species Sn IV and Mg IV present on industrial samples have been studied using the Cowan method and the Stark parameters using the Griem formulation. It is also pretended that this data can be used as a tool to measure electronic densities, so they can be confirmed experimentally using the previously mentioned technique. This final task has not been accomplished yet and will be the object of further research.