Utilización de la línea Ha del hidrógeno en la caracterización de los plasmas generados por láser para aplicaciones industriales (técnicas lsp) y espectroscópicas

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, Láser 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 Ne 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 α1/2 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 1,5x10.17 - 3,4x10.17 cm-3 y 10000 - 30000 K. Se compararon los valores de la densidad de electrones determinada por el parámetro α1/2 con 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 1,2x10.17 cm-3 y 3,5x10.17 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.