The dynamics of expansion, thermodynamics, and chemical reactions in laser-produced plasmas is of general interest for all laser ablation applications. This study investigates the complex morphology and behavior of reactive species in nanosecond laser-produced uranium plasmas. Comparing plasma morphology in various inert and reactive ambient gases provides information about the role of gas-phase chemistry in plume hydrodynamics. Background gases including nitrogen and argon foster collisional interactions leading to more significant plume confinement and the increase in persistence of uranium species. On the other hand, environments containing reactive gases such as oxygen promote chemical reactions between the plasma and ambient species. By comparing the expansion dynamics of uranium plumes in nitrogen, air, and argon, we discover that chemical reactions modify the hydrodynamics of the plume at later times of its evolution in the air background. Furthermore, we observe that varying the concentration of oxygen in the fill gas promotes different reaction pathways that lead to the formation of uranium oxides. The reaction pathways from atoms to diatomic to polyatomic molecules strongly vary with ambient oxygen concentration. Lower oxygen concentrations enhance the formation of uranium monoxide from atomic uranium, whereas higher oxygen concentrations tend to depopulate both atomic uranium and uranium monoxide concentrations through the formation of more complex uranium oxides.

1.
M. S.
Finko
,
D.
Curreli
,
D. G.
Weisz
,
J. C.
Crowhurst
,
T. P.
Rose
,
B.
Koroglu
,
H. B.
Radousky
, and
M. R.
Armstrong
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
485201
(
2017
).
2.
S. V.
Shabanov
and
I. B.
Gornushkin
,
Appl. Phys. A
121
,
1087
(
2015
).
3.
I.
Adamovich
,
S. D.
Baalrud
,
A.
Bogaerts
,
P. J.
Bruggeman
,
M.
Cappelli
,
V.
Colombo
,
U.
Czarnetzki
,
U.
Ebert
,
J. G.
Eden
,
P.
Favia
,
D. B.
Graves
,
S.
Hamaguchi
,
G.
Hieftje
,
M.
Hori
,
I. D.
Kaganovich
,
U.
Kortshagen
,
M. J.
Kushner
,
N. J.
Mason
,
S.
Mazouffre
,
S. M.
Thagard
,
H.-R.
Metelmann
,
A.
Mizuno
,
E.
Moreau
,
A. B.
Murphy
,
B. A.
Niemira
,
G. S.
Oehrlein
,
Z. L.
Petrovic
,
L. C.
Pitchford
,
Y.-K.
Pu
,
S.
Rauf
,
O.
Sakai
,
S.
Samukawa
,
S.
Starikovskaia
,
J.
Tennyson
,
K.
Terashima
,
M. M.
Turner
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
A.
Vardelle
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
323001
(
2017
).
4.
Y.
Yu
,
X.
Li
,
S.
Zhao
,
X.
An
,
X.
Yu
,
D.
Chen
, and
R.
Sun
,
Combust. Sci. Technol.
189
,
1681
(
2017
).
5.
L.
Lavisse
,
M.
Girault
,
P.
Berger
,
J.-M.
Jouvard
,
J.-L.
Le Garrec
,
E.
Carvou
,
F.-X.
Ouf
,
F.
Calvo
,
J.
Yu
,
G.-D.
Förster
,
V.
Potin
,
S.
Bourgeois
,
M. C.
Marco de Lucas
, and
J. B. A.
Mitchell
,
Appl. Phys. A
123
,
692
(
2017
).
6.
K.
Orsel
,
R.
Groenen
,
B.
Bastiaens
,
G.
Koster
,
G.
Rijnders
, and
K.-J.
Boller
,
APL Mater.
3
,
106103
(
2015
).
7.
S.
Sreedhar
,
E. N.
Rao
,
G. M.
Kumar
,
S. P.
Tewari
, and
S. V.
Rao
,
Spectrochim. Acta Part B
87
,
121
(
2013
).
8.
J.
Serrano
,
J.
Moros
, and
J. J.
Laserna
,
Anal. Chem.
87
,
2794
(
2015
).
9.
D. G.
Weisz
,
J. C.
Crowhurst
,
M. S.
Finko
,
T. P.
Rose
,
B.
Koroglu
,
R.
Trappitsch
,
H. B.
Radousky
,
W. J.
Siekhaus
,
M. R.
Armstrong
,
B. H.
Isselhardt
,
M.
Azer
, and
D.
Curreli
,
J. Phys. Chem. A
122
,
1584
(
2018
).
10.
A.
De Giacomo
,
M.
Dell'Aglio
,
A.
Santagata
,
R.
Gaudiuso
,
O.
De Pascale
,
P.
Wagener
,
G. C.
Messina
,
G.
Compagnini
, and
S.
Barcikowski
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
3083
(
2013
).
11.
A.
De Giacomo
and
J.
Hermann
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
183002
(
2017
).
12.
M.
Oujja
,
J. G.
Izquierdo
,
L.
Bañares
,
R.
de Nalda
, and
M.
Castillejo
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
16956
(
2018
).
13.
S. S.
Harilal
,
B. E.
Brumfield
,
N. L.
LaHaye
,
K. C.
Hartig
, and
M. C.
Phillips
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
021301
(
2018
).
14.
K. C.
Hartig
,
S. S.
Harilal
,
M. C.
Phillips
,
B. E.
Brumfield
, and
I.
Jovanovic
,
Opt. Express
25
,
11477
(
2017
).
15.
X.
Mao
,
G. C.-Y.
Chan
,
I.
Choi
,
V.
Zorba
, and
R. E.
Russo
,
J. Radioanal. Nucl. Chem.
312
,
121
(
2017
).
16.
D. G.
Weisz
,
J. C.
Crowhurst
,
W. J.
Siekhaus
,
T. P.
Rose
,
B.
Koroglu
,
H. B.
Radousky
,
J. M.
Zaug
,
M. R.
Armstrong
,
B. H.
Isselhardt
,
M. R.
Savina
,
M.
Azer
,
M. S.
Finko
, and
D.
Curreli
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
034101
(
2017
).
17.
D.
LaGraffe
, “
Nuclear security science
,” in
Handbook of Security Science
, edited by
A. J.
Masys
(
Springer International Publishing
,
Cham
,
2018
), pp.
1
34
.
18.
D. A.
Cremers
,
A.
Beddingfield
,
R.
Smithwick
,
R. C.
Chinni
,
C. R.
Jones
,
B.
Beardsley
, and
L.
Karch
,
Appl. Spectrosc.
66
,
250
(
2012
).
19.
G. C.-Y.
Chan
,
I.
Choi
,
X.
Mao
,
V.
Zorba
,
O. P.
Lam
,
D. K.
Shuh
, and
R. E.
Russo
,
Spectrochim. Acta Part B
122
,
31
(
2016
).
20.
C.
Kimblin
,
R.
Trainham
,
G. A.
Capelle
,
X.
Mao
, and
R. E.
Russo
,
AIP Adv.
7
,
095208
(
2017
).
21.
S. S.
Harilal
,
B. E.
Brumfield
,
B. D.
Cannon
, and
M. C.
Phillips
,
Anal. Chem.
88
,
2296
(
2016
).
22.
J.
Serrano
,
J.
Moros
, and
J.
Laserna
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
2398
(
2016
).
23.
D. W.
Hahn
and
N.
Omenetto
,
Appl. Spectrosc.
66
,
347
(
2012
).
24.
D. A.
Cremers
and
L. J.
Radziemski
,
Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy
(
John Wiley & Sons
,
United Kingdom
,
2013
).
25.
M.
Kim
,
S.
Osone
,
T.
Kim
,
H.
Higashi
, and
T.
Seto
,
KONA Powder Part. J.
34
,
80
(
2017
).
26.
B. A.
Palmer
,
R. A.
Keller
, and
R.
Engleman
, “
An atlas of uranium emission intensities in a hollow cathode discharge
,”
Technical Report No. LA-8241-MS
(
1980
).
27.
G.
Herzberg
,
Spectra of Diatomic Molecules
(
Van Nostrand Reinhold Company
,
New York
,
1950
), Vol.
1
.
28.
L.
Kaledin
,
J.
Mccord
, and
M.
Heaven
,
J. Mol. Spectrosc.
164
,
27
(
1994
).
29.
L. A.
Kaledin
and
M. C.
Heaven
,
J. Mol. Spectrosc.
185
,
1
(
1997
).
30.
S. S.
Harilal
,
B. E.
Brumfield
,
N.
Glumac
, and
M. C.
Phillips
,
Opt. Express
16
,
20319
(
2018
).
31.
P. J.
Skrodzki
,
M.
Burger
,
I.
Jovanovic
,
M. C.
Phillips
,
B. E.
Brumfield
, and
S. S.
Harilal
,
Opt. Lett.
43
,
5118
(
2018
).
32.
J.
Aguilera
,
C.
Aragón
,
V.
Madurga
, and
J.
Manrique
,
Spectrochim. Acta Part B
64
,
993
(
2009
).
33.
M. R.
Gavrilović
,
M.
Cvejić
,
V.
Lazic
, and
S.
Jovićević
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
14629
(
2016
).
34.
P. J.
Skrodzki
,
N. P.
Shah
,
N.
Taylor
,
K. C.
Hartig
,
N. L.
LaHaye
,
B. E.
Brumfield
,
I.
Jovanovic
,
M. C.
Phillips
, and
S. S.
Harilal
,
Spectrochim. Acta Part B
125
,
112
(
2016
).
35.
S. S.
Harilal
,
C. V.
Bindhu
,
M. S.
Tillack
,
F.
Najmabadi
, and
A. C.
Gaeris
,
J. Appl. Phys.
93
,
2380
(
2003
).
36.
D. U. B.
Aussems
,
D.
Nishijima
,
C.
Brandt
,
R. P.
Doerner
, and
N. J. L.
Cardozo
,
J. Appl. Phys.
116
,
063301
(
2014
).
37.
M. S.
Finko
and
D.
Curreli
,
Phys. Plasmas
25
,
083112
(
2018
).
38.
N. L.
LaHaye
,
S. S.
Harilal
,
P. K.
Diwakar
, and
A.
Hassanein
,
J. Appl. Phys.
115
,
163301
(
2014
).
39.
J.
Han
,
V.
Goncharov
,
L. A.
Kaledin
,
A. V.
Komissarov
, and
M. C.
Heaven
,
J. Chem. Phys.
120
,
5155
(
2004
).
40.
L.
Gagliardi
,
M. C.
Heaven
,
J. W.
Krogh
, and
B. O.
Roos
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
86
(
2005
).
41.
C. J.
Lue
,
Jin
,
M. J.
Ortiz
,
J. C.
Rienstra-Kiracofe
, and
M. C.
Heaven
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
1812
(
2004
).
42.
P. R.
Willmott
and
J. R.
Huber
,
Rev. Mod. Phys.
72
,
315
(
2000
).
43.
G.
Callies
,
H.
Schittenhelm
,
P.
Berger
, and
H.
Hügel
,
Appl. Surf. Sci.
127–129
,
134
(
1998
).
44.
K. Y.
Kim
,
V.
Kumarappan
, and
H. M.
Milchberg
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3210
(
2003
).
45.
P. K.
Diwakar
,
S. S.
Harilal
,
A.
Hassanein
, and
M. C.
Phillips
,
J. Appl. Phys.
116
,
133301
(
2014
).
46.
P.
Hough
,
T. J.
Kelly
,
C.
Fallon
,
C.
McLoughlin
,
P.
Hayden
,
E. T.
Kennedy
,
J. P.
Mosnier
,
S. S.
Harilal
, and
J. T.
Costello
,
Meas. Sci. Technol.
23
,
125204
(
2012
).
47.
X.-L.
Zeng
,
S.-Q.
Huang
, and
X.-H.
Ju
,
J. Radioanal. Nucl. Chem.
298
,
481
(
2013
).
48.
W. L.
Fite
,
H. H.
Lo
, and
P.
Irving
,
J. Chem. Phys.
60
,
1236
(
1974
).
49.
S. G.
Buckley
,
Environ. Eng. Sci.
22
,
195
(
2005
).
50.
R.
Gleason
and
D.
Hahn
,
Spectrochim. Acta Part B
56
,
419
(
2001
).
51.
T. E.
Itina
,
J.
Hermann
,
P.
Delaporte
, and
M.
Sentis
,
Phys. Rev. E
66
,
066406
(
2002
).
52.
N.
Farid
,
S. S.
Harilal
,
H.
Ding
, and
A.
Hassanein
,
J. Appl. Phys.
115
,
033107
(
2014
).
53.
S.
Shabanov
and
I.
Gornushkin
,
Spectrochim. Acta Part B
100
,
147
(
2014
).
54.
J. R.
Lakowicz
,
Principles of Fluorescence Spectroscopy
, 3rd ed. (
Springer
,
United Kingdom
,
2006
).
55.
56.
J.
Hermann
,
D.
Grojo
,
E.
Axente
,
C.
Gerhard
,
M.
Burger
, and
V.
Craciun
,
Phys. Rev. E
96
,
053210
(
2017
).
57.
D. J.
Matthew
and
M. D.
Morse
,
J. Chem. Phys.
138
,
184303
(
2013
).
58.
S.
Amoruso
,
R.
Bruzzese
,
N.
Spinelli
,
R.
Velotta
,
M.
Vitiello
,
X.
Wang
,
G.
Ausanio
,
V.
Iannotti
, and
L.
Lanotte
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4502
(
2004
).
59.
S.
Palanco
,
S.
Marino
,
M.
Gabás
,
S.
Bijani
,
L.
Ayala
, and
J. R.
Ramos-Barrado
,
Opt. Express
22
,
3991
(
2014
).
60.
P. M.
Ossi
, “
Cluster synthesis and cluster-assembled deposition in nanosecond pulsed laser ablation
,” in
Laser-Surface Interactions for New Materials Production
, edited by
P. M.
Ossi
and
A.
Miotello
(
Springer International Publishing
,
2010
).
61.
M.
Girault
,
J.-L. L.
Garrec
,
J.
Mitchell
,
J.-M.
Jouvard
,
E.
Carvou
,
J.
Menneveux
,
J.
Yu
,
F.-X.
Ouf
,
S.
Carles
,
V.
Potin
,
G.
Pillon
,
S.
Bourgeois
,
J.
Perez
,
M. M.
de Lucas
, and
L.
Lavisse
,
Appl. Surf. Sci.
374
,
132
(
2016
).
62.
S. S.
Harilal
,
E. J.
Kautz
,
B. E.
Bernacki
,
M.
Phillips
,
P.
Skrodzki
,
M.
Burger
, and
I.
Jovanovic
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
16161
16169
(
2019
).
You do not currently have access to this content.