УСПЕХИ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

Научно-технический журнал
2013, том 1, № 4
УДК 53.08

Верификация методов определения импульса отдачи в микро- и наноньютоновом диапазоне
при лазерной абляции твердотельных мишеней

Е.Ю. Локтионов, Ю.С. Протасов, Ю.Ю. Протасов


       Выполнен сравнительный анализ методов экспериментальной регистрации оптико-механических характеристик, в т.ч. малых и сверхмалых импульсов отдачи (IM~10-12–10-3 Н·с) при взаимодействии мощного лазерного излучения (I0~105–1015 Вт/см2) с твердотельными мишенями. Обсуждаются области применения, чувствительность, пространственная и временная разрешающая способность, сложность инструментальной реализации этих диагностических методов, а также взаимное соответствие результатов, полученных с их использованием.

PACS: 07.05.Fb, 07.07.Df, 07.10.-h, 79.20.Eb
Ключевые слова: импульс отдачи, тяга, удельный импульс, удельный механический импульс отдачи, методы регистрации.

Локтионов Егор Юрьевич, зав. лабораторией.
Протасов Юрий Степанович, профессор.
Протасов Юрий Юрьевич, профессор.
Московский государственный технический
университет им. Н. Э. Баумана.
Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5.
Тел. +7 499 263 6299. E-mail: stcpe@bmstu.ru


Статья поступила в редакцию 26 февраля 2013 г.
© Локтионов Е.Ю,, Протасов Ю.С., Протасов Ю.Ю., 2013
  Литература
1. Pakhomov A.V., Gregory D.A., Thompson M.S. // AIAA Journal. 2002. V. 40. No. 5. P. 947
2. Phipps C., Luke J., Funk D., et al. // Applied Surface Science. 2006. V. 252. No. 13. P. 4838
3. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., et al. // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 4. С. 140
4. Andreev S., Firsov K., Kazantsev S., et al. // Laser Physics. 2007. V. 17. No. 6. P. 834
5. Giao M.A.P., Rodrigues N.A.S., Riva R., et al. // Review of Scientific Instruments. 2004. V. 75. No. 12. P. 5213
6. Kanesue T., Tamura J., Okamura M. // Proc. AIP. 2008. V. 79. P. 02B311-3.
7. Аскарьян Г.А., Манзон Б.М. // Физика плазмы. 1981. Т. 7. № 2. С. 255
8. Phipps C., Birkan M., Bohn W., et al. // Journal of Propulsion and Power. 2010. V. 26. No. 4. P. 609
9. Luther-Davies B., An introduction to the physics of laser fusion / Laser Physics, J. Harvey and D. Walls, Editors.: Springer Berlin / Heidelberg, 1983.
10. Zhang N., Wang W., Zhu X., et al. // Opt. Express. 2011. V. 19. No. 9. P. 8870
11. D'Souza B.C. Development of impulse measurement techniques for the investigation of transient forces due to laser-induced ablation. ... Ph.D. University of Southern California, 2007.
12. Sinko J. Vaporization and shock wave dynamics for impulse generation in laser propulsion. ... Ph.D. Hunstsville: University of Alabama, 2008.
13. Scharring S., Sinko J., Sasoh A., et al. // International Journal of Aerospace Innovations. 2011. V. 3. No. 1. P. 33
14. Phipps C.R., Turner T.P., Harrison R.F., et al. // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. No. 3. P. 1083
15. Vorobyev A.Y., Guo C. // Journal of Physics: Conference Series. 2007. V. 59. No. P. 418
16. Mori K., Characteristics of laser ablation of pre-heated polymer materials, in 27th Plasma Processing Technical Committee (SPP-27). 2010: Yokohama.
17. Hosoya N., Kajiwara I., Hosokawa T. // Journal of Sound and Vibration. 2012. V. 331. No. 6. P. 1355
18. Rocca S., et al. // Measurement Science and Technology. 2006. V. 17. No. 4. P. 711.
19. Horisawa H., Sumida S., Funaki I. // AIP Conference Proceedings. 2010. V. 1278. No. 1. P. 184.
20. Jamison A.J., Ketsdever A.D., Muntz E.P., Accurate Measurement of Nano-Newton Thrust for Micropropulsion System Characterization, in 27th International Electric Propulsion Conference. 2001: Pasadena.
21. Pottinger S.J., Lamprou D., Knoll A.K., et al. // Review of Scientific Instruments. 2012. V. 83. No. 3. P. 033504.
22. Kremeyer K. // Proc. SPIE. 2008. V. 7005. P. 700506-17.
23. Cubbin E.A., Ziemer J.K., Choueiri E.Y., et al. // Review of Scientific Instruments. 1997. V. 68. No. 6. P. 2339
24. Polzin K.A., Markusic T.E., Stanojev B.J., et al. // Review of Scientific Instruments. 2006. V. 77. No. 10. P. 105108-9.
25. Choi S., Han T.-h., Gojani A., et al. // Applied Physics A. 2010. V. 98. No. 1. P. 147
26. Kremeyer K., Lapeyre J., Hamann S. // Proc. AIP. 2008. V. 997. P. 147
27. Eckel H.-A., Schall W., Walther S., Lightcraft Impulse Measurements under Vacuum. 2003.
28. Michaelis M.M., Moorgawa A., Forbes A., et al. // Proc. SPIE. 2002. V. 4760. P. 691
29. Watanabe K., Takahashi T., Sasoh A. // Proc. AIP. 2004. V. 702. P. 115
30. Myrabo L.N. // Proc. AIP. 2003. V. 664. P. 49
31. Watanabe K., Sasoh A. // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2005. V. 48. No. 159. P. 49
32. Shi L., Zhao S.-H., Chu X.-C., et al. // Europhysics Letters. 2009. V. 85. No. 5. P. 55001.
33. Gamero-Castano M., Hruby V., Martinez-Sanchez M., A Torsional Balance that Resolves Sub-micro-Newton Forces, in 27th International Electric Propulsion Conference. 2001: Pasadena.
34. Selden N.P., Ketsdever A.D. // Review of Scientific Instruments. 2003. V. 74. No. 12. P. 5249
35. Pancotti A.P., Gilpin M., Hilario M.S. // Review of Scientific Instruments. 2012. V. 83. No. 3. P. 035109.
36. Sumida S., Horisawa H., Funaki I. // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Space Technology Japan. 2009. V. 7. No.26. P. Pb_159
37. Phipps C.R., Luke J.R., Helgeson W.D., A 25nN Low-Noise Thrust Stand for Microthrusters, in International Electric Propulsion Conference. 2005: Princeton, NJ October 30-November 4, 2005.
38. D’Souza B.C., Ketsdever A.D., Muntz E.P., Investigation of Transient Forces Produced by Gases Expelled from Rapidly Heated Surfaces, in 24th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. 2004: Monopoli (Bari), Italy, 10-16 July 2004.
39. Gamero-Castano M. // Review of Scientific Instruments. 2003. V. 74. No. 10. P. 4509
40. Horisawa H., Kawakami M., Kimura I. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2005. V. 81. No. 2. P. 303
41. Ketsdever A.D., D’Souza B.C., Lee R.H. // Journal of Propulsion and Power. 2008. V. 24. No. 6. P. 1386
42. Ketsdever A.D., Lee R.H., Lilly T.C. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2005. V. 15. No. P. 2254.
43. Rinaldi C., Boggio N.G., Rodriguez D., et al. // Applied Surface Science. 2011. V. 257. No. 6. P. 2019
44. Canuto E., Rolino A. // ISA Transactions. 2004. V. 43. No. 2. P. 169
45. Koizumi H., Komurasaki K., Arakawa Y. // Review of Scientific Instruments. 2004. V. 75. No. 10. P. 3185
46. Phipps C.R. 2008. Patent US 2008/0062433.
47. Merkowitz S.M., Maghami P.G., Sharma A., et al. // Classical and Quantum Gravity. 2002. V. 19. No. 7. P. 1745.
48. Grubisic A.N., Gabriel S.B. // Measurement Science and Technology. 2010. V. 21. No. 10. P. 105101.
49. West M.D., Charles C., Boswell R.W. // Review of Scientific Instruments. 2009. V. 80. No. 5. P. 053509-9.
50. Phipps C.R., Micro Laser Plasma Thrusters for Small Satellites. 2002, Photonic Associates: Santa Fe.
51. D'Souza B.C., Ketsdever A.D. // Review of Scientific Instruments. 2005. V. 76. No. 1. P. 015105.
52. Moeller T., Polzin K.A. // Review of Scientific Instruments. 2010. V. 81. No. 11. P. 115108-7.
53. Nagao N., Yokota S., Komurasaki K., et al. // Review of Scientific Instruments. 2007. V. 78. No. 11. P. 115108-4.
54. Sinko J., Mukundarajan V., Porter S., et al. // Proc. SPIE. 2006. V. 6261. P. 626131-12.
55. Sinko J. Time resolved force and imaging study on the laser ablation of liquids. M. Sc. Huntsville: University of Alabama in Huntsville, 2005. 88 P.
56. Борисенок В.А., Симаков В.Г., Куропаткин В.Г., et al. // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 4. С. 113
57. Любченко Ф.Н., Феденев А.В., Босак Н.А., et al. // Космонавтика и ракетостроение. 2009. № 3. С. 62
58. Holmes B. // Experimental Mechanics. 1985. V. 25. No. 1. P. 32
59. Sterling E., Lin J., Sinko J., et al. // Proc. AIP. 2006. V. 830. P. 247
60. Lopez D., Decca R.S., Fischbach E., et al. // Bell Labs Technical Journal. 2005. V. 10. No. 3. P. 61
61. Sterling E., Lin J., Sinko J., et al. // Proc. AIP. 2005. V. 830. P. 247
62. Pozar T., Petkovsek R., Mozina J. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2008. V. 92. No. 4. P. 891
63. Pozar T., Mozina J. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2008. V. 91. No. 2. P. 315
64. Furutani H., Fukumura H., Masuhara H., et al. // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. No. 18. P. 3395
65. Lin J., Thompson M.S., Pakhomov A.V. // Proc. SPIE. 2004. V. 5448. P. 465
66. Fujiwara T., Miyasaka T. // Proc. AIP. 2004. V. 702. P. 80
67. Ushio M., Komurasaki K., Kawamura K., et al. // Shock Waves. 2008. V. 18. No. 1. P. 35
68. Sinko J.E., Pakhomov A.V. // Proc. AIP. 2008. V. 997. P. 121
69. Lin J. Time-resolved imaging for the dynamic study of ablative laser propulsion. Ph. D. Huntsville: Univesity of Alabama in Hunstsville, 2004.
70. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., et al. // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 3. С. 104
71. Mori K., Anju K., Sasoh A., et al. // Proc. SPIE. 2006. V. 6261. P. 626125-8.
72. Sasoh A., Mori K., Anju K., et al. // Proc. AIP. 2008. V. 997. P. 232
73. Taylor G. // Proc. R. Soc. Lond. A. 1950. V. 201. No. 1065. P. 159
74. Semerok A.F., Chaleard C., Detalle V., et al. // Proc. SPIE. 1998. V. 3343. P. 1049
75. Liu H.C., Mao X.L., Yoo J.H., et al. // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 1999. V. 54. No. 11. P. 1607
76. Fishburn J.M., Withford M.J., Coutts D.W., et al. // Applied Surface Science. 2006. V. 252. No. 14. P. 5182
77. Dumont T., Bischofberger R., Lippert T., et al. // Applied Surface Science. 2005. V. 247. No. 1-4. P. 115
78. Jacquot P. // Strain. 2008. V. 44. No. 1. P. 57
79. Vorobyev A.Y., Guo C. // Applied Physics Letters. 2005. V. 86. No. 1. P. 011916-3.
80. Martan J., Herve O., Lang V. // Journal of Applied Physics. 2007. V. 102. No. 6. P. 064903-6.
81. Bayle F., Doubenskaia M. // Proc. SPIE. 2008. V. 6985. P. 698505-8.
82. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., et al. // Письма в Журнал технической физики. 2010. Т. 36. № 13. С. 8
83. Протасов Ю.Ю. // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 2. С. 60.
84. Schall W.O., Eckel H.-A., Tegel J., et al., Properties of Laser Ablation Products of Delrin with CO2 Laser (CD-ROM). 2004.
85. Phipps C.R., Luke J.R., Funk D.J., et al. // Proc. SPIE. 2004. V. 5448. P. 1201
86. Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.Ю., Телех В.Д., et al. // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 1. С. 53-62.
87. Zheng Z.Y., Zhang J., Lu X., et al. // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2006. V. 83. No. 2. P. 329
88. Sinko J.E., Scharring S., Eckel H.-A., et al. // Proc. AIP. 2010. V. 1230. P. 125
Скачать полный текст статьи в PDF-формате


 Содержание выпуска № 4