Untersuchungen zur laserinduzierten thermischen Desorption
Untersuchungen zur laserinduzierten thermischen Desorption
In der vorliegenden Arbeit wurden die physikalischen sowie meßtechnischen Grundlagen für Experimente zur laserinduzierten thermischen Desorption von Metalloberflächen angegeben. Die Aufheizung der Oberflächen wurde sowohl mit dem CO$_{2}$-Laser als auch mit dem Rubinlaser untersuch. Die Unterschiede...
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Personal Name(s): | Hartwig, H. |
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Mioduszewski, P. | |
Contributing Institute: |
Publikationen vor 2000; PRE-2000; Retrocat |
Imprint: |
Jülich
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag
1978
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Physical Description: |
43 p. |
Document Type: |
Report Book |
Research Program: |
ohne Topic |
Series Title: |
Berichte der Kernforschungsanlage Jülich
1530 |
Link: |
OpenAccess OpenAccess |
Publikationsportal JuSER |
In der vorliegenden Arbeit wurden die physikalischen sowie meßtechnischen Grundlagen für Experimente zur laserinduzierten thermischen Desorption von Metalloberflächen angegeben. Die Aufheizung der Oberflächen wurde sowohl mit dem CO$_{2}$-Laser als auch mit dem Rubinlaser untersuch. Die Unterschiede zwischen beiden Lasern bestehen hauptsächlich in der Wellenlänge der Strahlung und in der Pulsdauer. Die CO$_{2}$-Laserstrahlung ($\lambda$ = 10.6 $\mu$m) wird je nach Metall zu etwa 3-6% von der Metalloberfläche absorbiert ; das Absorptionsvermögen für Rubinlaserstrahlung ($\lambda$ = 0.69 $\mu$m) liegt dagegen für die meisten Metalle bei 50%. Daher ist - bei gleicher Aufheizung - für den Rubinlaser nur ein Zehntel der Energie für Aufheizung mit dem CO$_{2}$-Laser erforderlich. Die unterschiedliche Pulsdauer der Laser (Rubin: 20 ns, CO$_{2}$ : 4$\mu$s) führt bezüglich der Aufheizung zu Unterschieden in der thermischen Eindringtiefe sowie in der Halbwertsdauer der Oberflächentemperatur. Die Dauer des Wärmepulses wiederum beeinflußt die Temperatur, die für vollständigeDesorption erforderlich ist, da diese durch die Bindungsenergie des Desorptionssystems einerseits und durch die Dauer der Aufheizung andererseits bestimmt wird. Setzt man als maximale Temperatur die Schmelztemperatur des jeweiligen Metalls an, so ergibt sich z. B. für Edelstahl mit T$_{s}$ = 1400 $^\circ$C als maximalmögliche Desorptionsenergie für den Rubinlaser 2.0 eV = 46 kcal/mol und für den CO$_{2}$-Laser 2.7 eV = 62 kcal/mol. Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Aufheizung von Metalloberflächen durch Laserstrahlung sind die Intensitätsschwankungen über dem Querschnitt des Strahls und die damit verbundenenInhomogenitäten in der Ausleuchtung der Oberfläche. Hierdurch ergeben sich Temperaturschwankungen innerhalb der beleuchteten Fläche, die in den von uns untersuchten Fällen etwa dem Faktor 2 entsprechen. Zu diesen Intensitätsschwankungen kommen - besonders bei technischen Oberflächen - möglicherweisenoch Schwankungen in der Strahlungsabsorption hinzu, die ebenfalls zu Temperaturschwankung führen. Wenn die Energie des Lasers so ausgelegt ist, daß die heißesten Stellen gerade die erforderliche Temperatur haben, so kann wegen der Intensitätsschwankungen über dem Querschnitt und wegen der exponentiellen Abhängigkeit der Desorptionsraten von der Temperatur der Fall eintreten, daß nur von einem kleinen Bruchteil der beleuchteten Oberfläche desorbiert wird. In diesemFall kann man keine Aussage über die Oberflächenbelegung machen, da die Fläche nichtbekannt ist. Um von der gesamten Fläche zu desorbieren, muß man die Laserenergie so wählen, daß alle Oberflächen über die für totale Desorption während der Laserpulsdauer notwendige Temperatur aufgeheizt werden, wobei geprüftwerden muß, ob dabei an den heißesten Stellen die Schmelztemperatur überschritten wird. Die vorliegenden Untersuchungen haben gezeigt, daß der durchdesorbierte Gase hervorgerufene momentane Dichteanstieg vor der Probe nachgewiesen werden konnte. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten und die Laserdesorption als zuverlässiges diagnostisches Verfahren einsetzen zu können, muß vor allem die Aufheizung der Oberfläche so verbessert werden, daß reproduzierbare und möglichst homogene Temperaturverteilungen in der Oberfläche erzielt werden. Diese Aufgabe kann im Fall des Rubinlasers als gelöst angesehenwerden, so daß die Laserdesorption mit Rubinlasern zur Untersuchung der Belegung der 1. Wand eines Tokamaks "in situ" geeignet ist. |