Słowa kluczowe: promieniowanie laserowe, powłoki, materiały konstrukcyjne, rejestracja kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych

Transkrypt

1 Wojciech NAPADŁEK Krzysztof RUTYNA BADANIA LABORATORYJNE REJESTRACJI KINETYKI SZYBKOZMIENNYCH PROCESÓW FIZYCZNYCH ZACHODZĄCYCH W CZASIE ODDZIAŁYWANIA NANOSEKUNDOWYCH IMPULSÓW LASEROWYCH Z POWŁOKAMI I MATERIAŁAMI KONSTRUKCYJNYMI STRESZCZENIE Przedstawiono ideę rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych zachodzących przy oddziaływaniu krótkich impulsów laserowych z materiałami konstrukcyjnymi oraz powłokami technologicznymi. Opisano budowę stanowiska badawczego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania laserowego z materią. Wykorzystując impulsowy oświetlacz laserowy przeprowadzono szereg pomiarów i rejestracji efektów zachodzących w procesie ablacji laserowej. Rejestrację zjawisk prowadzono w przedziale czasowym od kilku do ok. 500 µs. w atmosferze powietrza. Nanosekundowy impuls laserowy oddziaływał bezpośrednio na powłoki: tlenkowe, lakierowe i organiczne wytworzone na podłożu ze stopów Fe-C i Al. Dla zwiększenia efektywności procesu oczyszczania laserowego w eksperymentach laboratoryjnych zastosowano również wariant z cienką warstwą inercyjną (powłoka wody). Słowa kluczowe: promieniowanie laserowe, powłoki, materiały konstrukcyjne, rejestracja kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych dr inż. Wojciech NAPADŁEK wnapadlek@wat.edu.pl Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny dr inż. Krzysztof RUTYNA krutyna1@op.pl PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 245, 2010

2 288 W. Napadłek, K. Rutyna 1. WPROWADZENIE DO FOTOGRAFOWANIA PROCESU FORMOWANIA OBŁOKU PLAZMY KAMERAMI CCD Rejestrację kształtów formowania i przemieszczania się obłoku plazmy w wyniku oddziaływania promieniowania laserowego z materią oraz oddziaływania łuku elektrycznego z materią prowadzi się z użyciem najnowocześniejszych technik pomiarowych takich jak; fotografia kadrowa (kamery elektronooptyczne), fotografia z wykorzystaniem matryc CCD z krótkim czasem ekspozycji, klasyczna fotografia z wykorzystaniem MCP pełniącego rolę szybkiej migawki, czy najbardziej aktualna od 2009 roku fotografia cyfrowa wykorzystująca impulsowe laserowe podświetlenie jako krótką migawkę [1-6]. Dotychczas w badaniach procesów przebiegających z prędkościami około 1 km/s stosowano technikę fotografii rentgenowskiej lub kadrowej, wykorzystującej lampowe przetworniki elektronooptyczne. Fotografie kadrowe wykonywane były metodą stykową na kliszy fotograficznej przy użyciu starej wysokonapięciowej techniki lampowej stosowanej w kamerach elektronowooptycznych. (wizualizację zarejestrowanej ekspozycji można było uzyskać dopiero po obróbce chemicznej filmu i wywołaniu zdjęć). Był to proces uciążliwy i czasochłonny, gdyż znacznie wydłużał czas między kolejnymi eksperymentami. Następnym krokiem w rozwoju szybkiej fotografii było zastąpienie kliszy fotograficznej kamerami CCD. Zamrożona faza ruchu wyświecana na ekranie lampowego przetwornika obrazu (spełniającego rolę bardzo szybkiej migawki t m. ~1μs) była rejestrowana przy użyciu kamery CCD pracującej w standardzie TV lub zsynchronizowanej do rejestrowanego przebiegu procesu. Od czasu upowszechnienia aparatów cyfrowych nastąpiła rewolucja w dziedzinie pomiarów dynamicznych. Pojawienie się czułych sensorów CCD i CMOS, o rozdzielczości powyżej 1000pix*1000pix, umożliwiło uzyskanie bardzo dobrej jakości fotografii adekwatnej do poziomu oświetlenia fotografowanego procesu bezpośrednio na matrycy CCD. Tego typu systemy mogą rejestrować zjawiska z prędkością do zdjęć na sekundę a z wykorzystaniem wzmacniacza obrazu MCP lub laserowych układów podświetlających z bardzo krótkim czasem impulsu, nawet do 100 mln zdjęć na sekundę. Systemy takie rejestrowały od kilku zdjęć na sekundę o rozdzielczości 4000x4000 pikseli, do kilkuset tysięcy zdjęć na sekundę o rozdzielczości 240x120 pikseli i mniejszej. Szybkość rejestrowanych zdjęć jest powiązana z rozdzielczością. Im szybsza rejestracja, tym mniejsza rozdzielczość zdjęcia [5-6].

3 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 289 Podczas badań prowadzonych w WAT wykorzystywano kamerę Phantom V12 [6] z podświetleniem Cavilux HF, które umożliwiało uzyskanie maksymalnej rozdzielczości rzędu 128*128 pix z częstotliwością repetycji fps i fps. Tak duże prędkości repetycji uzyskano dzięki zastosowaniu laserowego podświetlenia. Kamera wyposażona była we własną bardzo szybką pamięć o pojemności 8 GB. Rejestrowała obrazy pracując w cyklu zamkniętym nadpisując kolejne komórki pamięci (8 GB) z czasem repetycji równym 10 µs (lub 18 µs) i czasem ekspozycji równym 200 ns, 350 ns. Wybrane parametry zapewniały możliwie najszybszą akwizycję obrazu przy możliwie najlepszej rozdzielczości. Kamera była synchronizowana (zatrzymanie procesu akwizycji obrazu) ręcznie bezpośrednio po oddanym impulsie laserowym. W pamięci kamery pozostawało 8 GB (około 2000 ms) zapisanego wcześniej obrazu, w którym badany proces zajmował kilkaset µs całego zarejestrowanego czasu. Cavilux HF jest urządzeniem laserowym o wysokiej częstotliwości pracy służącym do podświetlania bardzo szybkich procesów w trakcie rejestracji obrazu kamerami CCD. Z podświetleniem Cavilux autorzy artykułu mieli możliwość osiągnięcia nowych funkcjonalności szybkiego zobrazowania. Umożliwia ono zobrazowanie szybszych procesów niż możliwości rejestracyjne szybkich kamer, pozwalając zarejestrować obraz również na większych odległościach od układu rejestrującego. Wykorzystując jego parametry (krótki czas impulsu) możemy zaobserwować przebieg procesu otoczonego wysoką temperaturą czy dużą energią oślepiającego światła pochodzącą od samego procesu. Przede wszystkim jest on wykorzystany podczas badań wysokotemperaturowych procesów, czy oddziaływania promieniowania laserowego z materią, takich jak: ablacja laserowa, topnienie materiału, czy spawanie. Cavilux HF może być wykorzystany również do badań bardzo szybkich procesów o małych gabarytach i szybkich obiektach w takich aplikacjach jak: badania materiałowe, balistyka czy PIV. Jednym z głównych korzyści użycia jest jego zdolność do generacji impulsów lub paczek impulsów laserowych z dużą lub ultra dużą szybkością. Pojedyncze impulsy mogą być generowane z częstotliwością do 200 khz. Paczki impulsów mogą być generowane z częstotliwością 40 khz, podczas gdy impulsy wewnątrz paczki mogą osiągać prędkość 5 MHz. Monochromatyczne światło Cavilux HF na długości fali 810 nm umożliwiało zarejestrowanie możliwie najlepszych jakościowo obrazów. Podczas prowadzonych eksperymentów światło lasera Cavilux HF było prowadzone elastycznym światłowodem i poprzez optykę o zmiennej ogniskowej umożliwiło podświetlenie badanego procesu na stanowisku badawczym oddalonym na dystansie 2 m. Urządzenie podświetlające tego typu jest możliwe do użycia z większością dostępnych na rynku szybkich kamer. Podczas eks-

4 290 W. Napadłek, K. Rutyna perymentów podświetlenie to synchronizowano do częstotliwości ramki kamery Phantom V12 a rezultaty tych akwizycji przedstawiono poniżej. 2. FOTOGRAFOWANIE PROCESU ODDZIAŁYWANIA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO Z MATERIĄ POKRYTĄ ABSORBEREM LUB BEZ ABSORBERA W ATMOSFERZE POWIETRZU Stanowisko laboratoryjne do fotografowania procesu oddziaływania promieniowania laserowego z materią składało się z kamery V12 z optyką, lasera półprzewodnikowego 810 nm z układem zasilania i synchronizacji podświetlenia, lasera YAG Nd 3+ 1,06 μm oddziałującego energią 400 mj przez 4 ns w badaną materię oraz przenośnego komputera PC nadzorującego proces rejestracji obrazu. Światło lasera półprzewodnikowego zostało doprowadzone do tarczy poprzez światłowód z optyką kształtującą powierzchnię pola obserwacji o średnicy około 5 cm. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii wraz z elementami synchronizacji eksperymentu oraz jego fotografię. ZASILACZ LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO 810 nm ŚWIATŁOWÓD LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY EKRAN PODŚWIETLENIE LASER IMPULSOWY YAG Nd 3+ TARCZA AL d UKŁAD OGNISKOWANIA UKŁAD STERUJĄCY KAMERA V 12 ZASILACZ LASERA YAG Nd 3+ SYNCHRONIZACJA REJESTRACJI OBRAZU SYNCHRONIZACJA UKŁAD WYZWALANIA Rys. 1. Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania promieniowania laserowego z tarczą pokrytą absorberem i bez absorbera Zautomatyzowany system pomiarowy jest przeznaczony do fotografowania wybranej fazy w czasie trwania eksperymentu, gdy mamy do czynienia

5 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 291 z pojedynczym zdarzeniem przebiegającym w bardzo krótkim czasie. Obraz kształtu formowanego i przemieszczającego się obłoku plazmy w wyniku oddziaływania promieniowania laserowego z materią był rejestrowany na matrycy CCD kamery Phantom V12, i przekazywany następnie przez zespół sterowania do pokładowego systemu akwizycji danych. System pomiarowy pracował w synchronicznym reżimie z dedykowanym podświetleniem. Synchronizację fotografowania kolejnych faz procesu zapewniał układ sterujący lasera półprzewodnikowego. Wyniki rejestracji zostały zarchiwizowane w formie elektronicznej z możliwością ich dalszej obróbki wykorzystując specjalizowane oprogramowanie. Na rysunku 3 przedstawiono synchronizację czasową systemu rejestracji obrazu a próbki poddane badaniom laboratoryjnym w zakresie oddziaływania impulsowego promieniowania laserowego przedstawiono na rysunku 2. Laser YAG Nd 3+ Światłowód prowadzący wiązkę oświetlającą Zasilacz lasera Badana próbka Laser podświetlający 810 nm Kamera do szybkiej rejestracji obrazu Phantom V12 Rys. 2. Fotografia stanowiska pomiarowego do wykonywania szybkiej fotografii oddziaływania promieniowania laserowego z materią pokrytą absorberem i bez absorbera Parametry układu akwizycji obrazu: 1. Kamera Phantom V12 pracowała w rozdzielczości 128*128 pix. i 256x168 pix., uzależnionej od prędkości rejestracji. 2. Proces ablacji laserowej rejestrowano kamerą V12 z wykorzystaniem podświetlenia laserem półprzewodnikowym CAVILUX HF 810 nm (pełniącym

6 292 W. Napadłek, K. Rutyna funkcję elektronicznej migawki Shutter time), laser był synchronizowany do ramki kadru rejestrowanego obrazu. 3. Czas ekspozycji warunkowany był czasem podświetlenia ( ns). 4. Kamera wyposażona została w filtr pasmowy dla długości fali 810 nm (dla promieniowanie lasera podświetlającego). 5. Proces rejestracji obrazu był synchronizowany (zatrzymywany zapis obrazu w pamięci kamery) do impulsu lasera YAG Nd 3+ oddziaływującego z materią. 6. Zjawisko obserwowano i rejestrowano z odległości 0,7 m. Synchronizacja czasowa systemu rejestracji obrazu Periodyka impulsów oświetlacza laserowego 810 nm (impulsy realizujące migawkę kamery) Rys. 3. Synchronizacja czasowa systemu rejestracji obrazu Parametry lasera podświetlającego proces rejestracji: 1. Moc wyjściowa 500 W. 2. Długość fali generowanego promieniowania 810 nm. 3. Długość impulsu 100 ns 10 μs. 4. Czas cyklu pracy max 10 s. 5. Generuje impulsy laserowe z częstotliwością kilkuset khz (pojedyncze lub w paczkach maksymalnie do 5 impulsów). 6. Posiada własne zasilanie i układ sterowania.

7 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych Promieniowanie laserowe dostarczane jest poprzez światłowód do miejsca rejestrowanego procesu. 8. Kierowanie podświetlenia poprzez moduł soczewek. Parametry lasera do formowania obłoku plazmy 1. Laser YAG Nd 3+ typu NL 302 HT firmy EKSPLA. 2. Energia impulsu 400 mj, t i = 4 ns. 3. REJESTRACJA KADROWA ODDZIAŁYWANIA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO Z BADANYMI PRÓBKAMI (TARCZAMI) W ATMOSFERZE POWIETRZA W FUNKCJI CZASU Na rysunkach 4-8, przedstawiono wyniki oddziaływania promieniowania laserowego (propagacja plazmy) z badanymi próbkami w atmosferze powietrza w funkcji czasu, licząc od momentu generacji impulsu laserowego. Wykonano fotografie efektów oddziaływani impulsu laserowego z różnymi materiałami (tarczami) z wykorzystaniem podświetlenia eksperymentu. Każdy impuls laserowy wykonywano w nowe miejsce na badanej tarczy. 4. PODSUMOWANIE W pracy zaprezentowano wyniki eksperymentalnej diagnostyki kształtu formowania i przemieszczania się obłoku plazmy w wyniku oddziaływania promieniowania laserowego z materią. Do rejestracji obrazu tych procesów zastosowano najnowocześniejszą technikę fotografii cyfrowej wykorzystującą matryce CCD z krótkim czasem ekspozycji oraz po raz pierwszy w Polsce impulsowe laserowe podświetlenie dodatkowo skracające czas ekspozycji do 100 ns. Podczas badań wykorzystywano kamerę Phantom V12 z podświetleniem Cavilux HF pracującą z rozdzielczością 128*128 pix i 240*120 pix oraz częstotliwością repetycji fps i fps. Kamera wyposażona była we własną bardzo szybką pamięć o objętości 8 GB rejestrowała obrazy pracując w cyklu zamkniętym nadpisując kolejne komórki pamięci z czasem repetycji równym 10 µs (18 µs ) i czasem ekspozycji równym 200 ns, 350 ns. Wybrane parametry zapewniały możliwie najszybszą akwizycję obrazu przy możliwie najlepszej rozdzielczości.

8 294 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 4. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG µm, 400mJ, 4 ns, czas ekspozycji 350 ns, na próbkę wykonaną ze stali niskowęglowej pokrytej korozją atmosfera powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji impulsu laserowego: a) po 18 µs, b) 36 µs, c) 54 µs, d) 72 µs, e) 126 µs, f) 342 µs

9 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 295 a) ) b) c) a d) b e) f) Rys. 5. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG µm, 400mJ, 4 ns, czas ekspozycji 200 ns, na warstwę powierzchniową próbki wykonanej ze stopu Al (PA6) pokrytej czarną powłoką lakierową atmosfera powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji impulsu laserowego: a) po 10 µs, b) 20 µs, c) 80 µs, d) 150 µs, e) 240 µs, f) 300 µs

10 296 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) b c) d) Rys. 6. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG µm, 400 mj, 4 ns, czas ekspozycji 350 ns, na warstwę powierzchniową próbki wykonanej ze stopu Al (PA6), pokrytej czarną powłoką lakierową atmosfera powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji impulsu laserowego: a) po 18 µs, b) 36 µs, c) 54 µs, d) 144 µs

11 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 297 a) b) c) d) e) f) Rys. 7. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG µm, 400mJ, 4 ns, czas ekspozycji 200 ns, na warstwę powierzchniową próbki wykonanej ze stopu Al (PA6), pokrytej czarną powłoką lakierową z cienką warstwą wody (ok. 0,1 mm) atmosfera powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji impulsu laserowego: a) po 10 µs, b) 80 µs, c) 150 µs, d) 200 µs, e) 280 µs, f) 430 µs

12 298 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 8. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG µm, 400mJ, 4 ns, czas ekspozycji 200 ns, na warstwę powierzchniową próbki wykonanej ze stopu Al (PA6), pokrytej czarną powłoką lakierową z grubszą warstwy wody (ok 0,3 mm) atmosfera powietrza, rejestracja po różnych czasach od momentu generacji impulsu laserowego: a) po 0 µs; b) 10 µs; c) 120 µs; d) 180 µs; e) 430 µs; f) 530 µs Z podświetleniem Cavilux istnieje możliwość osiągnięcia nowych funkcjonalności szybkiego zobrazowania. Umożliwia ono zobrazowanie szybszych procesów niż możliwości rejestracyjne szybkich kamer pozwalając zarejestrować, obraz również na większych odległościach od układu rejestrującego. Ponadto wykorzystując jego parametry (krótki czas impulsu, 810 nm) można

13 Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 299 zaobserwować przebieg procesu otoczonego wysoką temperaturą czy dużą energią oślepiającego światła pochodzącą od samego procesu. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów zaobserwowano pewną prawidłowość w zobrazowaniu długości czasu trwania procesu. Dla próbek o wysokiej czystości czas trwania ekspozycji plazmy jest trzykrotnie krótszy w stosunku do procesu obserwowanego przy próbkach zanieczyszczonych, np. korozją, pokrytych powłoką lakierową. Prawdopodobnie jest to wynikiem dłuższego podtrzymywania plazmy przez produkty zanieczyszczenia, odrywające się od obciążanej termicznie powierzchni próbek. Produkty te prawdopodobnie podlegają procesowi dynamicznego nagrzewania, topnienia, parowania (sublimacji), co korzystnie wpływa na podtrzymanie i wydłużenie procesu jonizacji, tym samym ma to wpływ na wydłużenie zjawiska generacji plazmy laserowej. Dodatkowo przy próbkach pokrytych wodą proces oddziaływania promieniowania laserowego z materią wydłuża się do kilkuset µs i przebiega bardzo intensywnie. LITERATURA 1. Jach K., Rutyna K., Świerczyński R., Ludwikowski K., Paszula J., Panowicz, Szudrowicz M., Jamroziak K.: Laboratoryjne stanowisko do fotografowania bardzo szybkich procesów kamerami CCD,V Krajowa Konferencja PES-5, Kościelisko, czerwca, Baranowski L., Rutyna K., Surma Z., Szudrowicz M.: Wykorzystanie kamery zdjęć szybkich do badania powylotowego działania gazów prochowych, VI Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Waplewo Janiszewski J., Rutyna K.: Impact Behaviour of Cu-Sn Frangible Bullets, 8 th Symposium on Weapon Systems, Brno 2007, 1-5 maja 2007, 4. Jackowski A., Płatek P., Rutyna K.: Badania balistyki końcowej pocisków kal. 5,56 45 mm z rdzeniami niezawierającymi ołowiu, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, Warszawa 2/2007, 5. Światło laserowe do zobrazowania szybkich procesów, 6. Kamera V12 - system zobrazowania szybkich procesów, Rękopis dostarczono, dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Maciej Rafałowski

14 300 W. Napadłek, K. Rutyna LABORATORY INVESTIGATIONS OF RECORDING FAST CHANGING PHYSICAL PROCESSES KINETICS, DECLINING WHILE NANOSECOND LASER IMPULSES INFLUENCE WITH COATS AND STRUCTURAL MATERIALS Wojciech NAPADŁEK, Krzysztof RUTYNA ABSTRACT The idea of recording fast changing physical processes kinetics declining by the influence of short laser impulses with structural materials and technological coatings is presented. The construction of the lab stand for quick photos of laser radiation interaction with the material performance is described. Some measurements and registrations of effects occurring in the laser ablation process were carried out. The registration of the effects was led in the time intervals from several to approx. 500 µs. in the environment of atmospheric air. Nanosecond laser impulse affect directly the coatings: oxide, varnishy and organic ones manufactured onto the Fe-C, Al alloys. To improve the efficiency of the laser cleaning process in laboratory experiments, the thin inert layer (the coat of water) was applied.