Введение к работе
Работа посвящена исследованию теплофизических свойств плазмы с сильным ясжчастичным взаимодействием, образующейся за фронтом мощных ударных волн, 'енерируемых при детонации конденсированных взрывчатых веществ (КВВ), и іроблемам преобразования химической энергии КВВ в энергию электромагнитного «лучения.
Актуальность темы. Поведение вещества при высоких давлениях и температурах в условиях с сильным межчастичным взаимодействием и проблемы іреобразования одних видов энергии в другие, являясь одними из фундаментальных іадач современной науки, всегда привлекали исследователей большим разнообразием \ необычностью физических процессов. В последнее время, кроме того, обострился фактический интерес к решению такого рода физических проблем в связи с шработкой ряда перспективных энергетических устройств. Необходимость в іетальной информации о свойствах плотной плазмы и принципах преобразования іидов энергии возникает также при анализе взаимодействия мощных импульсов шектромагнитного и корпускулярного излучения с веществом, при исследовании іроцессов, сопровождающих столкновение космических объектов с атмосферой яжелых планет, и в других задачах физики высоких плотностей энергии.
Теплофизические свойства в неупорядоченных средах достаточно хорошо ізученьї в предельных случаях малых плотностей для хаотического распределения лабовзаимодействующих частиц, где применимы модели газовой плазмы, и в случае гонденсированных сред, где большое количество экспериментов удовлетворительно шисывается псевдопотенциальными моделями. Построение строгой теории при іромежуточньїх плотностях наталкивается на значительные трудности, так как :ильное межчастичное взаимодействие нарушает условия применимости оответствующих кинетических уравнений, а использование методов машинного эксперимента и теории линейного отклика ограничено рамками модельных подходов. Тоэтому в этой области основное внимание уделяется экспериментальным гсследованиям, на основе которых осуществляется проверка и развитие еоретических моделей среды.
При рассмотрении методов преобразования химической энергии КВВ в энергию электромагнитного излучения возникает ряд нетривиальных физических проблем, связанных с несоответствием масштаба характерных кинетических энергий. Дело в том, что типичный уровень удельных энерговыделений при детонации КВВ соответствует энергии валентных электронов и составляет величину порядка электрон-вольта, в то время как эффективное преобразование кинетической энергии электронов в электромагнитное излучение осуществляется в релятивистском диапазоне є = тес2 ~ 0,5МэВ. Поэтому при решении такого рода задач основное внимание уделяется разработке физических принципов работы устройств, позволяющих эффективно преобразовывать энергию КВВ в другие виды энергии.
Цель работы. Разработка взрывных методов генерации плазмы с сильным межчастичным взаимодействием и регистрация ее электрофизических, термодинамических и оптических свойств. Проверка существующих и построение новых физических моделей плотной плазмы. Разработка физических методов преобразования энергии взрыва в электромагнитное излучение в СВЧ-диапазоне длин волн и их экспериментальная демонстрация. Построение физических моделей работы использующихся в экспериментах устройств.
Научная новизна. В диссертации впервые:
Измерена электропроводность ударно-сжатых воздуха, неона, аргона и ксенона в широком диапазоне параметров. Проведено сравнение с существующими теоретическими моделями и показано качественное согласие кулоновской составляющей электропроводности ксенона с моделью, учитывающей наличие ионного остова.
Выполнены измерения коэффициента отражения лазерного излучения от ударно-сжатых плотной плазмы ксенона и кремния в области перехода полупроводник-металл. Проведены сравнения с расчетами и показана возможность оценки частоты электронных столкновений в условиях эксперимента.
Измерены спектры излучения плотной плазмы аргона и ксенона с высоким временным разрешением. Обнаруженные особенности в спектре излучения плазмь при длине волны ~1 мкм объясняются образованием под действием мощногс
«лучения эксимеров инертных газов в покоящемся газе. Впервые получены данные 10 коэффициентам поглощения ксеноновой плазмы до значений электронной сонцентрации пе~21020 см'3. Приводятся данные об уширении, сдвиге и ісчезновении спектральных линий ксенона и примесных линий алюминия в іависимости от плотности плазмы.
- Реализована методика измерений электронной концентрации плотной плазмы
;а фронтом прямой и отраженной ударных волн по ее взаимодействию с сильным
магнитным полем. Получены экспериментальные данные измерений в
лабонеидеальной плазме гелия.
Предложена и реализована оригинальная "бестрансформаторная" схема преобразования химической энергии конденсированных взрывчатых веществ в інергию высоковольтного электрического импульса, электронного пучка и лектромагнитного излучения, которая позволяет проводить эксперименты на низком 'ровне электрической энергий в несколько килоджоулей в лабораторных условиях іри небольшой массе взрывчатых веществ (до 1 кг) и допускает моделирование ізрьівного процесса с использованием емкостного накопителя.
Для предложенной схемы разработаны и отлажены различные типы орывомагнитных генераторов (ВМГ) с перехватом магнитного потока: шлиндрические с осевым инициированием, цилиндрические и конические со кользящей точкой контакта, двухкаскадные генераторы. Эти генераторы позволяют юлучать импульсы энергии до 6 кДж в высокоимпедансных нагрузках за время ~ 10 -5 мкс. Развиты теоретические модели работы ВМГ с перехватом потока.
Экспериментально продемонстрирована возможность генерации мощных імпульсов СВЧ-излучения с помощью химической энергии конденсированных зрывчатых веществ в системах, построенных на основе триода с виртуальным атодом.
Научная и практическая ценность работы. Получение данные о физических войствах вещества в широкой и ранее не исследованной области фазовой иаграммы, где реализуется сильное межчастичное взаимодействие, и разработанные іетодьі преобразования химической энергии КВВ в электромагнитное излучение ущественно расширяют экспериментальную базу физики высоких плотностей
энергии и служат основой для разработки перспективных энергетических устройств и технологических процессов.
Личный вклад автора. Материал, изложенный в диссертации, получен пр* непосредственном участии автора как при формировании направления, обще? постановке задач, так и при проведении экспериментальных исследований, анализе интерпретации и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы" (Москва 1976 - 1996), Всесоюзных конференциях по уравнениям состояния веществ: (Нальчик 1982 - 1997), Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературно? плазмы (Киев 1975 и 1979, Ленинград 1980, Петрозаводск 1995), 6-й Всесоюзно} конференции по теплофизическим свойствам веществ (Минск 1978), Всесоюзны) симпозиумах по горению и взрыву (Черноголовка 1974 и 1996, Ташкент 1986) Международных конференциях "Мегагаусс" (Новосибирск 1983 и 1989, Альбукеркі 1992, Сэров 1996), Международных конференциях по явлениям в ионизованны; газах (Минск 1980, Тулуза 1997), Международных конференциях по неидеальноі плазме (Германия 1982 - 1995), Международном симпозиуме по ударным волнам і ударным трубам (Бетлехем 1989), Международной конференции п< электромагнетике (Бордо 1994), Международных конференциях по плазме с сильныл межчастичным взаимодействием ( Бинц 1995, Бостон 1997), Международно! конференции по ударным волнам в конденсированных средах (Амхерст 1997) и т.д.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатные работь (монография, статьи, тезисы докладов, авторские свидетельства на изобретения).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух частей включающих 11 глав, и заключения; содержит 299 страниц, в том числе 18 таблиц і 122 рисунков. Список цитируемой литературы включает 320 наименований.
