ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ

В проекте ИТЭР (англ. - International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор) Россия отвечает за ряд диагностических методик, в частности, создает установку по исследованию плазмы методом активной спектроскопии. Один из ключевых элементов данной методики, так называемое первое зеркало, располагается внутри разрядной камеры. Поверхность этих зеркал подвержена сильным внешним воздействиям — интенсивному радиационному воздействию, бомбардировке атомами перезарядки и загрязнению за счет переосаждения распыленных эрозией материалов первой стенки, лимитеров, диверторных пластин и других элементов плазменной камеры. Для дистанционного удаления с поверхности первого зеркала образующихся тонких пленок разрабатывается система его лазерной очистки.

Другие методы очистки, например плазменное травление, приводят к необратимым негативным деформациям поверхности зеркала и к выбросу в зону реакции побочных продуктов очистки, что недопустимо для функционирования диагностики и работы реактора в целом. В зависимости от типа плёнки используются различные механизмы удаления пленок.

Взрывная абляция исключает негативные деформации поверхности зеркала. Отлет пленки осуществляется вследствие образования избыточного давления между пленкой подложкой. Испарение характерно для металлических пленок, удаление которых осуществляется постепенно.

Контроль механических свойств пленок:

  • Сканирующий нанотвердомер Nanoscan-3Di (измерение толщины плёнки, её твердости и адгезии пленка-подложка);
  • Специально созданная система измерения спектрального коэффициента отражения;
  • Элементный анализ для определения степени удаления материала пленки.

Проведенные исследования показывают, что возможно удаление пленок толщиной в несколько сот нанометров различного состава – углеводородные, металлические (Al, W, Be) и полное восстановление отражательной способности зеркал в широком спектральном диапазоне. Зачастую, за счет эффекта лазерной полировки, наблюдается увеличение коэффициента отражения.

Для транспортировки излучения в геометрии порт-плага ИТЭРа была рассчитана и собрана система объективов, позволяющих на расстоянии определяемой глубиной порт-плага обеспечить интенсивность, необходимую для удаления пленок.

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ

Исследования динамики электронной плотности плазмы в периферийной области микропинчевого разряда

Исследования проводились с помощью разработанного гомодинного квадратурного интерферометра, обладающего необходимым динамическим диапазоном измерений и быстродействием. Проведенные измерения показали наличие плазмы со значением концентрации электронов 1018 см-3 в периферийных областях межэлектродного разрядного промежутка. Распределение электронной плотности имеет выраженную трубчатую структуру. Относительно высокая электронная плотность на периферии указывает на возможность протекания шунтирующих токов и их влияния на процесс пинчевания.

Двухволновой квадратурный интерферометр на основе газовых He-Ne лазеров на длинах волн 0.63 и 3.39 мкм для диагностики импульсных процессов в плазме

Двухволновый интерферометр на основе газовых He-Ne лазеров на длинах волн 0.6328 мкм и 3.3922 мкм позволяет разделять вклады в фазовый сдвиг зондирующей электромагнитной волны, вносимые свободными электронами и нейтральной компонентой в частично ионизованной плазме в условиях возможных вибраций оптических элементов установки. С помощью квадратурного метода формирования информативных сигналов измерены фазовые сдвиги в широком диапазоне — от долей до единиц и более интерференционных полос с высокой однородной дифференциальной чувствительностью. Интерферометр был использован для измерения динамики линейной электронной плотности эрозионного капиллярного разряда атмосферного давления в воздухе и плазмы водородной мишени в экспериментах по торможению тяжелых ионов в ионизованном веществе.

Лазерный Интерферометр Рефлектометр Активный (ЛИРА)

Интерферометр разработан в 2003 г. для измерения плотности плазмы и контроля за модификацией отражающей поверхности на крупномасштабных плазменных установках, в том числе с термоядерными параметрами, в условиях сильных вибраций. Принцип работы прибора основан на внутрилазерном (автодинном) приеме отраженного излучения. В качестве отражателя может быть использован элемент конструкции плазменной установки. Интерферометр реализован на базе двух двухчастотных зеемановских He-Ne лазеров с генерацией на длинах волн 632,8 нм и 3392,2 нм. Интерферометрические сигналы обрабатываются автоматизированной системой на базе персонального компьютера.

Визуализация плазмоиндуцированных процессов проекционной системой с усилителем яркости
на основе лазера на парах меди

Разработан метод наблюдения областей взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно в процессе воздействия. Экспериментально показана возможность динамической визуализации поверхности при наличии перед ней плазмы с линейной плотностью ~ 1016 см и толщиной ~3 см. Предложена и реализована внутрилазерная схема теневого фотографирования фазовых объектов с использованием проекционного лазерного микроскопа. Получены тенеграммы развития плазменного факела эрозионного капиллярного разряда в воздухе.

Лазерная диагностика плазменной линзы ИТЭФ

Исследование нестационарных физико-химических процессов и экстремальных состояний вещества при интенсивном импульсном воздействии является одной из наиболее актуальных фундаментальных задач физики высоких плотностей энергии. Проникновение в область высоких давлений и температур предоставляет уникальную возможность выявить особенности фазовых превращений вещества при экстремальных плотностях, промежуточных между твердым телом и газовой плазмой. В свою очередь свойства сильно-сжатой и разогретой плазмы определяют эволюцию астрофизических объектов, физические процессы в мишенях инерционного термоядерного синтеза; и т.д.

В настоящее время на базе Тераватного Накопителя – (ТВН ИТЭФ) создается экспериментальная установка для исследований в области физики высокой плотности энергии в веществе, при воздействии интенсивных пучков тяжелых ионов. При выходе на планируемые параметры появляется возможность ускорять тяжелые ионы до 0.7 ГэВ/нуклон и накапливать их в количестве ~ 1013 частиц с последующей компрессией ионного пучка во времени до 100 нс. При фокусировке накопленного пучка ионов в пятно диаметром ~ 1мм на экспериментальные мишени обеспечивается уровень удельного энерговклада в вещество 1÷100 КДж/г. Это соответствует результирующему нагреву вещества до температуры ∼105°К и давлений в несколько Мбар.

Для фокусировки пучка ионов разрабатывается новая фокусирующая система на основе плазменной линзы. В отличие от квадрупольных фокусирующих систем плазмооптические системы могут работать с большими ионными токами – вплоть до сотен и более ампер в широком диапазоне энергий. Эти системы имеют большую фокусирующую силу; они могут быть как собирающими, так и рассеивающими. Для обеспечения необходимой временной стабильности и пространственной однородности магнитного поля используется импульсный разряд в газе низкого давления с параметрами близкими к разряду Z – пинча.

Эффективность работы плазменный линзы во многом зависит от оптимального подбора основных параметров разряда: тока, состава и начального давления рабочего газа, пространственного распределения электронной плотности плазмы. В этой связи был разработан комплекс оптических диагностик позволяющих исследовать развитие процесса пинчевания разряда, временную динамику и пространственное распределение электронной плотности плазмы, измерить распределение магнитного поля в поперечном сечении линзы.

Были проведены исследования динамики пинчевания плазмы при использовании электронно-оптической камеры (ЭОП) в режиме щелевой развертки. Выходной экран камеры оптически связан с ПЗС матрицей, что обеспечивало оперативную передачу регистрируемой информации через цифровую плату в компьютер. Исследовано пространственное распределение электронной плотности плазмы с использованием интерферометра Маха-Цендера с визуализацией интерференционной картины в режиме «временной лупы».

Динамика линейной электронной плотности плазмы проводилась при использовании двухлучевого интерферометра в режиме фотоэлектрического смешения. Высокая однородная дифференциальная чувствительность интерферометра достигнута использованием квадратурного принципа формирования измерительных каналов. Одновременно с линейной электронной плотностью проводились измерения вращения плоскости поляризации зондирующего излучения, проходящего сквозь исследуемую область плазмы. Компьютерная обработка результатов интерференционных и поляризационных измерений позволила рассчитать величину магнитного поля и оценить фокусирующую способность линзы.

НАНОМЕТРОЛОГИЯ

Трехкоординатный лазерный гетеродинный интерферометр для измерения перемещений в нанометровом диапазоне
Первое поколение

Лазерный гетеродинный интерферометр был разработан как компактная встраиваемая система для проведения измерений в реальном времени в СЗМ «НаноСкан-3Di» и состоит из двух модулей: оптического блока, размещенного на раме микроскопа, и электронного блока, вынесенного за пределы термостатирующего бокса.

Гетеродинный интерферометр позволяет проводить измерения истинных геометрических размеров исследуемой поверхности и ее шероховатости с гарантированной точностью при каждом измерении обеспечивает прослеживаемость получаемых данных к первичному эталону длины.

Оптическая схема соответствует гетеродинной модификации интерферометра Маха-Цендера с введением в интерференционный сигнал дополнительной фазовой модуляции. Частотный сдвиг f между интерферирующими лучами создается акустооптическим модулятором, формирующим плечи интерферометра. Излучение одночастотного стабилизированного He-Ne–лазера (мощность 1 мВт, длина волны 632,9909 нм) разделяется на шесть лучей, образуя три независимых канала интерферометра. Данная схема позволяет проводить измерение положения объекта одновременно в трёх ортогональных координатах. Ортогональность измеряемых координат обеспечивается жёстко закреплёнными на пьезо-столике триппель призмами, служащими ретрорефлекторами в каждом из измерительных плеч интерферометра. Регистрируется интерференционный сигнал в электронном блоке, куда излучение направляется по оптоволоконным кабелям. Специально разработанная комбинация систем аналоговой и цифровой обработки сигнала обеспечивает точность порядка 1 Å. Высокая гетеродинная частота (36 МГц) позволяет реализовать режим усреднения и при выбранном временном разрешении в 1 мс значительно повысить отношение сигнал/шум. В таком режиме максимальная скорость сканирования составляет 300 мкм/сек, что на порядок выше реально используемой.

Изучение метрологических характеристик прибора «НаноСкан-3Di» осуществлено с помощью решеток TGZ1, TGZ2, TGZ3 (Государственный Реестр Средств Измерений (ГРСИ), № 41678-09). Допустимый диапазон высот ступеней известен из описания типа средства измерений, конкретное значение высоты приведено в свидетельстве о поверке (паспорте производителя) и составляет около 20 нм для TGZ1, 100 нм для TGZ2 и 500 нм для TGZ3.

Сканирование профиля производилось в центральной области тестовой структуры перпендикулярно штрихам исследуемой решетки, длина каждой строки составляла порядка 30 периодов (90 мкм). В процессе сканирования регистрировались данные, получаемые при помощи интерферометра, а также данные с емкостных датчиков, используемых в стандартной модификации «НаноСкан-3D» для измерения перемещений сканера. Результатом измерений являются профили мер в координатах Z(X), где Z и X – значения, получаемые с 2-х каналов интерферометра.

Результаты измерений линейных мер серии TGZ, полученные на отечественном измерительном зондовом микроскопе «НаноСкан-3Di» и на метрологическом СЗМ в PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Germany) приведены в таблице.

В настоящий момент СЗМ «НаноСкан-3Di» является "Государственным первичным специальным эталоном единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax, Rz и Ra" ГЭТ 113-2014.

Трехкоординатный лазерный гетеродинный интерферометр для измерения перемещений в нанометровом диапазоне
Второе поколение

Недостатком систем первого поколения были значительные габариты, требующие использования СЗМ специальных конструкций, а также наличие источника лазерного излучения в рабочей зоне микроскопа, что приводит к возникновению ошибок при измерении. По заказу ВНИИФТРИ был разработан прибор, предназначенный для аттестации зондов серийно выпускаемых нанотвердомеров. Метод определения параметров исследуемого материала с помощью твердомеров основан на механическом воздействии зонда (определенной формы) с заданным усилием (индентирование) на поверхность образца, после этого измеряется площадь отпечатка зонда на поверхности. В результате взаимодействия зондов нанотвердомеров с разными материалами происходит изменение его формы (стачивание, закругление), следовательно, параметры материала будут определены не верно. Периодическая поверка формы зонда позволила бы повысить точность проводимых исследований. Разработанный для калибровки зондов интерферометр имеет ряд конструкционных особенностей, позволяющих размещать его во многих серийно выпускаемых микроскопах и нанотвердомерах. Разработанная сейчас система может быть встроена в нанотвердомеры США Agilent Nano Indenter G200 и Hysitron TI 750 Ubi. Габариты были уменьшены с 470х350х60 мм до 260х260х60 мм. Источник лазерного излучения вынесен за пределы оптического блока интерферометра, для транспортировки излучения используются оптическое волокно, это позволило уменьшить величину ошибки, связанной с температурным влиянием. Особая конструкция крепления триппель призм позволила уменьшить ошибку Аббе на два порядка. В настоящее время интерферометр входит в состав Государственного первичного специального эталона единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax, Rz, Ra (ГЭТ 113-2014) и Государственного первичного эталона твердости по шкалам Мартенса и шкалам индентирования (ГЭТ 211-2014).

Лазерный интерферометр для измерения скорости ударников в динамических твердомерах

Один из наиболее распространенных сейчас динамических методов это метод Либа. Метод определения твердости по Либу основан на изменении отношения скоростей ударника до удара о поверхность образца из исследуемого материала и после отскока. Для проведения калибровок систем, работающих по данной методике, используются лазерные интерферометры. С их помощью измеряется скорость индентора в момент удара об исследуемую поверхность, при этом точность должна составлять ~0,001 м/с. Однако, существующие в настоящее время установки для калибровки представляют собой крупногабаритные лабораторные комплексы, работающие на открытом луче и сложные в настройке.

Для калибровки твердомеров разработан компактный волоконный лазерный интерферометр, который позволяет проводить измерения скорости ударника на всем пути его движения с высокой точностью от начала движения и до второго отскока от поверхности, это дает возможность произвести полноценный расчет твердости материала. Если же в конструкцию твердомера встроена система для регистрации скорости (например, индукционный датчик), то интерферометр можно использовать для калибровки. Разработанная система реализована по методике PDV (Photonic Doppler Velocimetry), основанной на прямом оптическом гетеродинировании с прямым преобразованием доплеровских сигналов. Преимуществами данной методики является помехозащищенность, высокая точность и простота в реализации.

ФИЗИКА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

Автоматизированный диагностический комплекс для исследований процессов ударно-волнового нагружения в физике высоких плотностей энергий.

Получение экспериментальной информации о процессах, проходящих при интенсивных внешних воздействиях на вещество, является сложной фундаментальной задачей. Это связано как с малой длительностью этих процессов, так и с физико-химическими особенностями объектов исследования. Уникальность проводимых экспериментов и сложность исследования вещества в экстремальном состоянии задают высокие требования к методам исследования и их аппаратной реализации. В физике экстремального состояния вещества наиболее информативным и удобным для наблюдения параметром является массовая скорость. Измеряют её обычно лазерными интерферометрами различных конструкций.

Представленная разработка относится к типу VISAR - Velocity Interferometer System for Any Reflector. Квадратурно-дифференциальный неравноплечный интерферометр (КДНИ) предназначен для бесконтактного и дистанционного измерения зависимости массовой скорости вещества от времени при воздействии на него интенсивных динамических нагрузок в условиях ударно-волнового воздействия. Конструктивно лазерная система состоит из отдельных блоков, оптически связанных между собой оптоволоконными кабелями: источника лазерного излучения, оптической системы транспортировки и сбора отраженного от поверхности объекта излучения, оптического блока интерферометра и модуля фотодетектирования (блок управления). Основные операции по управлению работой интерферометра осуществляются дистанционно с персонального компьютера с применением специализированной программы и выносного блока управления.

Оптическая схема представляет собой модифицированный интерферометр Майкельсона. Принцип работы прибора основан на анализе доплеровского сдвига в отражённом от движущегося объекта излучении. Многоканальная система регистрации, основанная на поляризационном кодировании оптических сигналов и многоступенчатом алгоритме обработки экспериментальных данных, обеспечивает высокую точность и помехоустойчивость системы.

Между элементами системы излучение передаётся по многомодовому оптоволокну, предусмотрена удалённая юстировка и автоматический контроль настройки системы, специально созданный программный пакет позволяет быстро и удобно работать с экспериментальными данными — всё это делает данную систему удобным инструментом для исследования быстропротекающих процессов в экспериментах по физике высокой плотности энергии в веществе.

Использование одного оптического блока интерферометра для одновременного анализа нескольких оптических сигналов открывает возможность измерения скорости сразу нескольких точек поверхности объекта исследования (или нескольких объектов). Реализацией этого принципа стала многоканальная система, в которой семь параллельно идущих оптических лучей обрабатываются независимо по принципам, аналогичным одноканальному варианту системы.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Автоматизированная система аттестации качества оптических элементов

Стенд для обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах: пузырей, включений и свилей, а также для их характеризации по количеству и размеру.

В создающейся в настоящее время лазерной установке мегаджоульного уровня предполагается использовать в общей сложности 5000 широкоапертурных оптических усилителей размером 800х400 мм. К качеству усилительных элементов (слэбов) предъявляются крайне высокие требования, так как даже небольшая пространственная неоднородность показателя преломления активной среды может привести к существенным искажениям волнового фронта лазерного пучка. В связи с этим существует потребность в контроле оптического качества изготавливаемых элементов. К локальным оптическим неоднородностям стекла относятся свили и воздушные микропузыри.
Свили - неоднородности оптической плотности стекла. Разность показателей преломления стекла и свилей невооруженным глазом как правило они не видны.
Наличие свилей в усилительных элементах не допускается.
Пузыри - замкнутые полости в стекле, заполненные газом различной степени разряжения.
Система обеспечивает измерение размеров таких дефектов размером от 30 мкм и более с погрешностью измерений не более 10%
Представленный стенд рассчитан на максимальный размер оптической детали до 810х460х60 мм.

Принцип работы:
Система обеспечивает автоматизированное обнаружение оптических неоднородностей в объеме оптического элемента методом «темного поля» с последующим измерением их размеров цифровым оптическим микроскопом.

Параметры системы:

  • Обнаружение и измерение дефектов размером от 30 мкм.
  • Погрешность определения координат дефектов не более 50 мкм;
  • Паспортизация дефектов осуществляется по полученным данным цифровым микроскопом с переменным полем зрения от 0,46 мм до 3,2 мм.

АЭРОКОСМОС

Разработка плазменных ракетных двигателей для микроспутников. Исследования связанные с плазменными реактивными двигателями высокой тяги.

Исследования проводились с помощью разработанного гомодинного квадратурного интерферометра, обладающего необходимым динамическим диапазоном измерений и быстродействием. Проведенные измерения показали наличие плазмы со значением концентрации электронов 1018 см-3 в периферийных областях межэлектродного разрядного промежутка. Распределение электронной плотности имеет выраженную трубчатую структуру. Относительно высокая электронная плотность на периферии указывает на возможность протекания шунтирующих токов и их влияния на процесс пинчевания.