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



Podobne dokumenty
Słowa kluczowe: plazma iskry elektrycznej, powłoki, materiały konstrukcyjne, rejestracja kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych

Rejestracja zjawisk fizycznych podczas ablacyjnego teksturowania laserowego stali 100CrMnSi6-4 w różnych środowiskach

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

Spektrometry Ramana JASCO serii NRS-5000/7000

Pirometr LaserSight Pirometr umożliwia bezkontaktowy pomiar temperatury obiektów o wymiarach większych niż 1mm w zakresie: C.

Research & Development Ultrasonic Technology / Fingerprint recognition

Laboratorium LAB3. Moduł pomp ciepła, kolektorów słonecznych i hybrydowych układów grzewczych

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

MOŻLIWOŚCI DIAGNOSTYKI WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH POPRZEZ POMIAR ICH PROMIENIOWANIA ULTRAFIOLETOWEGO

This copy is for personal use only - distribution prohibited.

Szczegółowa charakterystyka przedmiotu zamówienia

ANALIZA WPŁYWU ABLACYJNEJ MIKROOBRÓBKI LASEROWEJ NA EFEKTYWNOŚĆ USUWANIA LAKIEROWEGO SYSTEMU POWŁOKOWEGO

Kamera termowizyjna MobIR M8. Dane Techniczne

Załącznik nr 8. do sprawozdania merytorycznego z realizacji projektu badawczego

PL B1. WOJSKOWY INSTYTUT MEDYCYNY LOTNICZEJ, Warszawa, PL BUP 23/13

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Szybkie skanowanie liniowe. Skanery Liniowe - - technologia inspekcji przemysłowej

MG-02L SYSTEM LASEROWEGO POMIARU GRUBOŚCI POLON-IZOT

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

Aparatura do osadzania warstw metodami:

Pomiar prędkości światła

1. Zasilacz mocy AC/ DC programowany 1 sztuka. 2. Oscyloskop cyfrowy z pomiarem - 2 sztuki 3. Oscyloskop cyfrowy profesjonalny 1 sztuka

Zastosowanie deflektometrii do pomiarów kształtu 3D. Katarzyna Goplańska

Kątowa rozdzielczość matrycy fotodetektorów

2011 InfraTec. Aktywna termografia w badaniach nieniszczących przy użyciu oprogramowania IRBIS 3 active

Temat ćwiczenia: Przekaźniki półprzewodnikowe

Szczegółowy opis techniczny i wymagania w zakresie przedmiotu zamówienia

Międzynarodowe Targi Spawalnicze ExpoWELDING października 2012 NOWOŚCI TARGOWE

Ćwicz. 4 Elementy wykonawcze EWA/PP

Projekt rejestratora obiektów trójwymiarowych na bazie frezarki CNC. The project of the scanner for three-dimensional objects based on the CNC

MOBOTIX M15D-AllroundDual Camera Dualna. Modułowa. Unikalna. Broszura informacyjna z dnia

Polska-Lublin: Aparatura kontrolna i badawcza 2013/S

Laboratorium Komputerowe Systemy Pomiarowe

Wymagane parametry dla platformy do mikroskopii korelacyjnej

NOWE METODY KSZTAŁTOWANIA CHARAKTERYSTYK CZUŁOŚCI WIDMOWEJ FOTOODBIORNIKÓW KRZEMOWYCH

Postępowanie WB RM ZAŁĄCZNIK NR Mikroskop odwrócony z fluorescencją

W połączeniu z wydajnością

2. STRUKTURA RADIOFONICZNYCH SYGNAŁÓW CYFROWYCH

Instrukcja obsługi do kamery interwencyjnej TV-8400

Wartość netto (zł) (kolumna 3x5)

Mobilny system pomiaru luminancji LMK - CCD

Badania elementów i zespołów maszyn laboratorium (MMM4035L)

PL B1. Aberracyjny czujnik optyczny odległości w procesach technologicznych oraz sposób pomiaru odległości w procesach technologicznych

SPECYFIKACJA TECHNICZNA SYSTEMU TELEWIZJI PRZEMYSŁOWEJ Łódź 2015

Dane teledetekcyjne. Sławomir Królewicz

Część 6. Mieszane analogowo-cyfrowe układy sterowania. Łukasz Starzak, Sterowanie przekształtników elektronicznych, zima 2011/12

FOTO PUŁAPKA, kamera leśna, FOTOPUŁAPKA, kamera do lasu, zdjęcia 12 Mpx, filmy 1280x720, IR 940 nm, MMS, E MAIL, SGN-5310M / 5310MG

Podstawy Automatyki. Wykład 9 - Dobór regulatorów. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

DOTYCZY: Sygn. akt SZ /12/6/6/2012

RAPORT z badań tłumienia pola elektrycznego 50 Hz powłok ekranujących NoEM Electro Protektor (zastępuje raport z dnia

PL B1. System kontroli wychyleń od pionu lub poziomu inżynierskich obiektów budowlanych lub konstrukcyjnych

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Ksenonowe źródło światła zimnego z wbudowaną kamerą endoskopową Videosmart XV-3001

KOREKCJA BŁĘDÓW W REFLEKTOMETRYCZNYCH POMIARACH DŁUGOŚCI ODCINKÓW SPAWANYCH TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH

WPŁYW OBRÓBKI TERMICZNEJ ZIEMNIAKÓW NA PRĘDKOŚĆ PROPAGACJI FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Defektoskop ultradźwiękowy

Rzeczywistość rozszerzona: czujniki do akwizycji obrazów RGB-D. Autor: Olga Głogowska AiR II

Krótki kurs podstaw fotografii Marcin Pazio, 201 4

SYSTEMY WIDEODOMOFONOWE

LASEROWA OBRÓBKA MATERIAŁÓW

Światłowodowy iterbowy wzmacniacz impulsów promieniowania o nanosekundowym czasie trwania

Charakterystyka danych teledetekcyjnych jako źródeł danych przestrzennych. Sławomir Królewicz

ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH

WYBRANE TECHNIKI SPEKTROSKOPII LASEROWEJ ROZDZIELCZEJ W CZASIE prof. Halina Abramczyk Laboratory of Laser Molecular Spectroscopy

PARAMETRY TECHNICZNO UŻYTKOWE Zadanie nr 7 Ploter laserowy 1 szt.

UWAGA. Wszystkie wyniki zapisywać na dysku Dane E: Program i przebieg ćwiczenia:

U 2 B 1 C 1 =10nF. C 2 =10nF

Instytut Systematyki i Ewolucji Zwierząt Polskiej Akademii Nauk

Specyfikacja oferowanego sprzętu

LABORATORIUM SPEKTRALNEJ ANALIZY CHEMICZNEJ (L-6)

LASEROWA OBRÓBKA MATERIAŁÓW

OBRAZOWANIE PLAZMY ABLACYJNEJ GENEROWANEJ NANOSEKUNDOWYMI IMPULSAMI LASEROWYMI ZA POMOCĄ KAMERY ICCD Z SZYBKĄ MIGAWKĄ OPTOELEKTRONICZNĄ

BEZDOTYKOWY CZUJNIK ULTRADŹWIĘKOWY POŁOŻENIA LINIOWEGO

Wyznaczanie temperatur charakterystycznych przy użyciu mikroskopu wysokotemperaturowego

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

- WALKER Czteronożny robot kroczący

Symulacja sygnału czujnika z wyjściem częstotliwościowym w stanach dynamicznych

PL B1. Układ do lokalizacji elektroakustycznych przetworników pomiarowych w przestrzeni pomieszczenia, zwłaszcza mikrofonów

Interfejsy komunikacyjne pomiary sygnałów losowych i pseudolosowych. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - Jakość układu regulacji. Dobór nastaw regulatorów PID. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

1. MIKROSKOP BADAWCZY (1 SZT.) Z SYSTEMEM KONTRASTU NOMARSKIEGO DIC ORAZ CYFROWĄ DOKUMENTACJĄ I ANALIZĄ OBRAZU WRAZ Z OPROGRAMOWANIEM

Badania przepływów dynamicznych w tunelu aerodynamicznym przy użyciu cyfrowej anemometrii obrazowej

Szczegółowy opis przedmiotu zamówienia

WIZUALIZACJA DANYCH SENSORYCZNYCH MINISTACJA METEOROLOGICZNA

Próby ruchowe dźwigu osobowego

FOTOELEKTRYCZNA REJESTRACJA ENERGII PROMIENIOWANIA KRZEPNĄCEGO STOPU

a) dolno przepustowa; b) górno przepustowa; c) pasmowo przepustowa; d) pasmowo - zaporowa.

Analiza wpływu domieszkowania na właściwości cieplne wybranych monokryształów wykorzystywanych w optyce

Wstępne propozycje tematów prac dyplomowych:

MDH System Strona 1. Produkt z kategorii: Kamery UKRYTE z nagrywaniem

TEST KONKURSOWY CZAS TESTU 40 MIN ILOŚĆ MAKSYMALNA PUNKTÓW 20 INSTRUKCJA:

Rejestracja obrazu. Budowa kamery

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Laserowe technologie wielowiązkowe oraz dynamiczne formowanie wiązki 25 październik 2017 Grzegorz Chrobak

Sterowanie i monitorowanie urządzeń i procesów produkcyjnych Control and monitoring of manufacturing processes and systems

GONIOMETR DSA25 SPECYFIKACJA

1. Nadajnik światłowodowy

Transkrypt:

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 e-mail: wnapadlek@wat.edu.pl Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny dr inż. Krzysztof RUTYNA e-mail: krutyna1@op.pl PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 245, 2010

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 1.000.000 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].

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 100.000 fps i 56.000 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-

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

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

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 (100 350 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.

Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 293 7. 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 100.000 fps i 56.000 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.

294 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 4. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG 1.064 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

Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 295 a) ) b) c) a d) b e) f) Rys. 5. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG 1.064 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

296 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) b c) d) Rys. 6. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG 1.064 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

Badania laboratoryjne rejestracji kinetyki szybkozmiennych procesów fizycznych 297 a) b) c) d) e) f) Rys. 7. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG 1.064 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

298 W. Napadłek, K. Rutyna a) b) c) d) e) f) Rys. 8. Efekty oddziaływania promieniowana lasera Nd: YAG 1.064 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

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, 20 24 czerwca, 2005. 2. Baranowski L., Rutyna K., Surma Z., Szudrowicz M.: Wykorzystanie kamery zdjęć szybkich do badania powylotowego działania gazów prochowych, VI Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Waplewo 2006 3. 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, http://www.cavitar.com/liitetiedostot/editori_materiaali/44.pdf 6. Kamera V12 - system zobrazowania szybkich procesów, http://www.visionresearch.com/index.cfm?sector=htm/files&page=phantom_v12 Rękopis dostarczono, dnia 04.05.2010 r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Maciej Rafałowski

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.