Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy (прим. - Пресс-служба РНФ).
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова предложили инновационную методику и оборудование для бесконтактного исследования горячей плазмы — факела из ионизированного газа, который возникает при экстремально высоких температурах.
По словам разработчиков, такой «термометр» дает возможность заглянуть внутрь стремительно меняющегося раскаленного «облака» и в реальном времени построить карту распределения температур внутри него. Это, в свою очередь, позволяет сделать выводы о составе и структуре материала.
— Плазма — это газ из заряженных частиц. Ее используют во многих технических задачах. Например, изучая свойства материала, исследователи «ударяют» по нему лазерным импульсом. В результате часть вещества на его поверхности ионизируется и испаряется, образуя плазменную вспышку. Этот сгусток энергии живет микросекунды, но внутри нее происходят сложные процессы. Предложенный метод позволяет получить термический «портрет» этой области, — объяснил «Известиям» участник проекта, доцент кафедры лазерной химии МГУ Тимур Лабутин.
Среди прочего, пояснил он, разработка открывает возможности для улучшения технологических процессов в космической промышленности, авиастроении, микроэлектронике и других сферах, где используют плазму со строго определенными параметрами.
Лучи перестраиваемого лазера. Источник: Тимур Лабутин
По словам специалиста, в основе нового подхода — эффект флюоресценции. Ученые одним лазером создают вспышку, а другим — особым образом воздействуют на частицы внутри ионизированной области. В результате электроны в атомах перескакивают на более высокие энергетические уровни, что заставляет их флуоресцировать, а экспериментаторы фиксируют это свечение оптическими приборами.
Одно из достоинств исследования заключается в том, что разработчикам удалось вывести и подтвердить формулу, которая связывает свечение и температуру.
Как объяснил Тимур Лабутин, сам по себе прием использовать лазерные лучи и флуоресценцию для исследования плазмы в целом известен. Но прежде его применяли для относительно холодных источников — например, пламени. В случае лазерной плазмы, которая намного горячее, такая схема не работает по физическим причинам. Поэтому ученым пришлось доработать метод, чтобы преодолеть ограничение.
— Хотя разработка ориентирована на фундаментальные исследования, она имеет много практических приложений. Например, в микроэлектронике при изготовлении микрочипов или солнечных батарей применяют лазерное напыление тонкой пленки на подложку. Наша разработка поможет точнее определить параметры плазмы и добиться равномерного распределения материала. Это даст возможность избежать дефектов и повысит качество изделий, — поделился специалист.
Вместе с тем, добавил он, новый метод позволяет изучать процессы, аналогичные тем, которые происходят при гиперзвуковом входе различных объектов в плотные слои атмосферы. В частности, метеоров или искусственных космических аппаратов. Из-за интенсивного нагрева их поверхность раскаляется, образуя слой плазмы из ионизированных частиц воздуха.
Температурный градиент в центральном поперечном сечении лазерно-индуцированной плазмы. Источник: Beglaryan et al. / Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2025
Понимание того, как распределяются температуры внутри этого огненного кокона, поможет создать эффективные устойчивые к воздействию плазмы элементы конструкции и теплозащитные экраны, которые позволят многоразовым космическим аппаратам без разрушений возвращаться на Землю. В настоящее время специалисты приступили к экспериментам с образцами подобных покрытий.
На следующем этапе исследователи планируют автоматизировать измерения, чтобы повысить разрешение и скорость сканирования плазмы. Также среди перспективных задач — применение метода для изучения других источников плазмы: от электрических дуг до искровых разрядов.
— Диагностика плазмы нужна во множестве применений, начиная от спектрального анализа образцов до изучения термоядерного синтеза. Однако в некоторых случаях существуют ограничения, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН Алексей Ильин. — Например, для изучения плазмы фемтосекундным лазером (с частотой импульсов в масштабе фемтосекунд — одной квадриллионной доли секунды. — «Известия») разработка, вероятно, тоже неприменима, так как требует узкополосного фильтра. При изучении термоядерных реакций метод тоже не подойдет, поскольку при концентрации электронов, близкой к критической, лазерный луч будет отражаться, а не поглощаться. В остальных случаях новый подход будет востребован.
При этом, добавил он, для развития предложенной методики потребуется лазер с перестраиваемой длиной волны и узкой спектральной линией, чтобы избирательно возбуждать линии флуоресценции.
— Результаты исследования, прежде всего, могут быть использованы для развития методов диагностики. Вместе с тем они открывают путь к разработке технологий лазерно-плазменного наноструктурирования, которые позволяют создавать материалы с уникальными электрофизическими, оптическими и другими свойствами, — поделился мыслями доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» Пензенского государственного университета Андрей Карманов.
При этом получение термической «карты» плазменного сгустка с высоким пространственным разрешением — только одна из задач, которые нужно решить в данной области. Еще одна — и, возможно, более важная, — это высокоточный контроль температуры плазмы, подчеркнул специалист. Как в центральной зоне, так и на периферии. Объединение этих подходов позволит на новом уровне изучать процессы, которые происходят при облучении вещества лазером, а также управлять наноструктурированием материалов.
