激光誘導(dǎo)等離子體在巖石表面的分布

孟昭暉，詹洪磊，陳 儒，張善哲，陳夢(mèng)溪，趙 昆

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) a.石油和化工行業(yè)油氣太赫茲波譜與光電檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.新能源與材料學(xué)院,北京 102249)

激光脈沖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于固體的基本物理性質(zhì)的研究. 短激光與物質(zhì)之間的相互作用能夠使局域鍵發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致原子和離子脫離束縛從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)[1-2]. 可見光或紫外光頻率下的光子，在輻照到固體的表面和近表面區(qū)域時(shí)，能夠激發(fā)表面粒子使其發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象[3-10]. 受全球能源需求增加的影響，非常規(guī)油氣藏在石油工業(yè)中有著越來越重要的地位. 砂巖和頁(yè)巖作為儲(chǔ)層巖石的重要組成部分，由于其巨大的勘探潛力，在近10年來受到越來越多的關(guān)注[11-13],并且作為儲(chǔ)層巖石的主要組成部分，在儲(chǔ)能和地質(zhì)演化中起著重要作用. 因此激光脈沖技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于巖石的物性檢測(cè)等方面的研究. 利用激光感生電壓能夠評(píng)估巖石的分層結(jié)構(gòu)和含油量，以及由空穴與電子遷移率的差異導(dǎo)致的電位差所引起的介質(zhì)巖石的Dember效應(yīng)[14-19].

本文選取砂巖和頁(yè)巖作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究其與激光的相互作用. 當(dāng)砂巖試樣表面受到紫外激光束照射時(shí)，激光束的一部分能量會(huì)被表面吸收. 當(dāng)接收到的脈沖激光強(qiáng)度超過樣品閾值時(shí)，表面產(chǎn)生等離子體. 等離子體在各個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的概率是相等的，但在外加電場(chǎng)的作用下，等離子體中的正負(fù)電荷分離，產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生電壓效應(yīng). 本文對(duì)砂巖和頁(yè)巖2種巖石表面等離子體的分布進(jìn)行探測(cè). 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在光照點(diǎn)附近能夠得到更大的電信號(hào)，而隨著探測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離光照點(diǎn)，探測(cè)到的電壓峰值Vp逐漸減小，且Vp減小的速度先增大，后逐漸趨于平緩. 較大的Vp探測(cè)范圍在樣品表面的三維區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出半球的形狀，表明了等離子體在樣品表面呈半球狀分布.

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選取的樣品為四川吳莊的細(xì)粒砂巖，將其切割成表面為3 mm×10 mm、厚度為2 mm的長(zhǎng)方體，并對(duì)表面進(jìn)行打磨，使其光滑. 在樣品表面建立三維坐標(biāo)系，如圖1所示. 在距離樣品表面0.5 mm的位置，懸空放置兩相距1 cm的電極，通過連接2400數(shù)字源表，對(duì)樣品施加外加電場(chǎng). 將脈寬為20 ns、波長(zhǎng)為248 nm的紫外脈沖激光聚焦后照射在樣品表面，焦點(diǎn)位置為(2 mm，5 mm). 利用示波器探測(cè)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，示波器一端接地，另一端連接探針，在表面3 mm×10 mm×5 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，如圖1所示.

在確保激光不照射在探針的條件下，對(duì)激光照射點(diǎn)上產(chǎn)生的電壓進(jìn)行探測(cè). 改變外加電場(chǎng)的大小，得到如圖2所示的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)呈現(xiàn)出迅速上升，然后緩慢下降的趨勢(shì). 上升時(shí)間為0.001 ms，半高全寬為0.25 ms. 提取不同偏壓條件下產(chǎn)生的電壓峰值，如圖3所示，外加電壓從10 V增加到210 V，電壓峰值從0.002 V增加到0.33 V. 從圖3中能夠觀察到，外置偏壓越大，能夠探測(cè)到的電壓信號(hào)越大. 將外置偏壓設(shè)定為210 V，以(2 mm，5 mm)為中心，在樣品表面的三維范圍內(nèi)探測(cè)樣品表面的電信號(hào).

圖1 表面等離子體探測(cè)示意圖

圖2 同一位置不同偏壓條件下測(cè)得的電壓信號(hào)

圖3 電壓峰值隨偏壓的變化

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在距巖石表面1 mm的平面上，對(duì)“十”字區(qū)域樣品產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，均能夠得到明顯的電壓信號(hào). 提取不同測(cè)試點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的信號(hào)峰值，得到峰值隨位置的變化規(guī)律. 如圖4所示，在x=2 mm的直線上，測(cè)試點(diǎn)逐漸接近光照點(diǎn)，再逐漸遠(yuǎn)離，電壓峰值先增大后減小(從0.05 V增大到0.2 V，又逐漸減小到0.07 V，相對(duì)極差達(dá)到131%). 在y=5 mm的直線上，峰值從0.08 V增加到0.2 V，再減小到0.15 V，相對(duì)極差超過75%. 根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在光照點(diǎn)附近能夠獲得最大的電信號(hào)，且測(cè)試點(diǎn)與光照點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，測(cè)得的Vp越??；距光照點(diǎn)越遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)，其Vp減小的速度先增大，后趨于穩(wěn)定. 由Vp的測(cè)試結(jié)果可知，以(2 mm，5 mm)為中心，樣品表面產(chǎn)生的等離子體濃度在“十”字探測(cè)區(qū)域(2 mm，5 mm)內(nèi)呈發(fā)散狀逐漸衰減.

(a)x=2 mm

(b)y=5 mm圖4 “十”字區(qū)域內(nèi)峰值Vp隨位置點(diǎn)的變化

圖5 砂巖表面三維區(qū)域內(nèi)Vp的分布

基于對(duì)“十”字區(qū)域內(nèi)的電信號(hào)的測(cè)試結(jié)果，擴(kuò)大在樣品表面上電信號(hào)的探測(cè)范圍，在樣品表面3 mm×10 mm×5 mm的三維區(qū)域內(nèi)進(jìn)行電壓測(cè)試，探測(cè)結(jié)果如圖5所示.圖5中紅色區(qū)域表示較大的Vp值，綠色區(qū)域表示較小的Vp值. 從圖5中能夠觀察到，隨著測(cè)試點(diǎn)與光照點(diǎn)的距離逐漸增大，所得到的電壓信號(hào)逐漸減小. 在三維空間中，產(chǎn)生較大Vp值的區(qū)域(紅色區(qū)域)呈現(xiàn)出半球的形狀，半球的中心為樣品的光照點(diǎn). 從圖5中觀察到，Vp最大值為0.33 V，邊緣處的最小值為0.03 V，相對(duì)極差接近170%，證明該方法能夠敏感地檢測(cè)到激光照射產(chǎn)生的等離子體.

為驗(yàn)證檢測(cè)到的表面等離子體的分布，使用相同方法制備頁(yè)巖樣品. 將頁(yè)巖制備為3 mm×10 mm×2 mm的樣品，將兩表面打磨平行，將紫外脈沖激光聚焦后照射在頁(yè)巖的平行層理表面，測(cè)試結(jié)果如圖6所示. 能夠觀察到，相同條件下，頁(yè)巖的最大Vp值為0.5 V，相較于砂巖能夠得到更大的激光感生電壓. 同一平面內(nèi)，Vp的分布規(guī)律與砂巖的測(cè)試結(jié)果大致相同，在光照點(diǎn)附近能夠探測(cè)到最大的Vp，并且隨著探測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離光照點(diǎn)，Vp逐漸減小，并且減小的速度先逐漸加快，之后逐漸趨于穩(wěn)定.

圖6 頁(yè)巖表面不同平面內(nèi)Vp的分布

由于聚焦后的激光強(qiáng)度較大，超過樣品表面閾值，照射在樣品表面后，表面粒子受到激發(fā)會(huì)產(chǎn)生等離子體. 在外加電場(chǎng)的作用下，等離子體受到電場(chǎng)的作用正負(fù)電荷發(fā)生分離，且產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng). 探測(cè)點(diǎn)上的電勢(shì)發(fā)生改變，與接地端產(chǎn)生電壓降，因此示波器能夠探測(cè)到明顯的電壓信號(hào). 由于外加電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)不是平行電場(chǎng)，表面產(chǎn)生的等離子體受到不平行的電場(chǎng)作用，在不同平面內(nèi)受到不同的作用力，因此測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在不同平面內(nèi)，Vp最大值產(chǎn)生的位置點(diǎn)具有一定偏差.

巖石在受到較強(qiáng)激光照射后，由于樣品與激光的相互作用而產(chǎn)生等離子體，但由于樣品之間存在成分和結(jié)構(gòu)的差異，所產(chǎn)生的等離子體的數(shù)量及組成成分存在差異，這些差異導(dǎo)致檢測(cè)到的電壓信號(hào)峰值、上升時(shí)間以及半高全寬等數(shù)據(jù)不同. 但激光輻照產(chǎn)生的等離子體在樣品表面的分布都基本一致，呈現(xiàn)出以光照點(diǎn)為中心的半球狀分布，等離子體的密度由中心向四周逐漸減小.

3 結(jié) 論

探測(cè)了在砂巖和頁(yè)巖表面由激光照射感生的電壓，分析了表面等離子體的分布規(guī)律. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在接近光照點(diǎn)的位置，能夠探測(cè)得到較大的Vp，表明在該范圍內(nèi)等離子體的密度較大，隨著探測(cè)點(diǎn)與光照點(diǎn)間距逐漸增大，Vp值也逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定. 在表面的空間范圍內(nèi)，較大Vp的分布形狀表現(xiàn)為半球狀，由此可知等離子體在表面呈現(xiàn)半球狀的分布. 相同條件頁(yè)巖的測(cè)試結(jié)果與砂巖相類似. 利用基礎(chǔ)的電學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面等離子體分布的探測(cè)，因此該實(shí)驗(yàn)可做為本科生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).