Введение к работе
Актуальность темы. Для расчетов ряда оптических свойств вещества в газоплазменной области (форма и интенсивность спектральных линий и порогов фотоэффекта, заселенность энергетических уровней, спектральные коэффициенты поглощения света) и диагностики плазмы по спектроскопическим экспериментам требуется знание функции распределения плазменного микрополя в точке, где расположен излучающий атом или ион (заряды таких ионов для сложных смесей могут изменяться в широких пределах). Кроме того, как показали исследования последних лет, микрополя существенно влияют на термодинамические свойства плазмы (уравнение состояния вещества, ударные адиабаты конденсированных веществ) и коэффициенты переноса (теплопроводность, электропроводность, диффузия).
Средние тепловые скорости электронов намного больше средних скоростей ионов. Это приводит к тому, что во многих задачах приходится учитывать нестационарность электронной компоненты микрополя, в то время как для ионной компоненты микрополя применимо квазистационарное приближение. Поэтому в задачах физики плазмы обычно рассматривают раздельно ионную и электронную компоненты плазменного микрополя. В диссертации рассматриваются ионные микрополя.
Модели, используемые для расчетов различных физических свойств плазмы, содержат дополнительные предположения о влиянии электронов на функцию распределения ионного микрополя. Широко распространены модели типа однородного нейтрализующего фона электронов (так называемая однокомпонентная плазма - ОКП), модель ионов, окруженных поляризационным облаком электронов (так называемая низкочастотная компонента плазменного микрополя -НЧКМ) и модель собственно ионной компоненты микрополя — ИКМ.
Для этих трех моделей плазмы предлагались различные аппроксимации для расчета функции распределения микрополя р(), то есть вероятности появления мгновенного микрополя напряженности в точке, где расположен нейтральный атом или ион. Однако, лишь немногие из этих аппроксимаций являются широкодиапазонными, то есть применимыми для вещества в существенно различ-
ных состояниях: от газообразного до жидкостного. Отметим, что в настоящее время необходимы именно такие, широкодиапазонные модели, так как в современных экспериментальных установках и различных технологических процессах возникает плазма с совершенно различными характеристиками.
Сравнения известных моделей микрополя с тестовыми расчетами методом Монте-Карло показало, что в сильнонеидеальной плазме для приближения ИКМ не было получено удовлетворительных моделей микрополя, а для приближения ОКП в случае нейтральной тестовой частицы существующие модели дают значительные ошибки. Поэтому актуален вопрос о построении моделей микрополя для ИКМ в невырожденной сильнонеидеальной плазме и о распределении микрополя в окрестности нейтрального атома для сверхплотной плазмы.
Кроме того, трудоемкость существующих моделей микрополя очень велика и их использование в прикладных программах расчета оптических и термодинамических свойств вещества не удобно. Поэтому также важен вопрос о построении простых и точных широкодиапазонных аппроксимаций для приближений ОКП, НЧКМ и ИКМ.
Цель работы. 1. Построение теоретической модели для ИКМ в невырожденной сильнонеидеальной плазме.
-
Разработка теоретической модели микрополя в окрестности нейтрального атома в сверхплотной плазме.
-
Построение простых и точных аппроксимаций для используемых моделей плазменного микрополя: ОКП, НЧКМ и ИКМ.
-
Разработка эффективных численных алгоритмов для расчета распределения микрополя в плазме.
-
Создание программных комплексов для расчетов распределения плазменного микрополя, пригодных для использования в прикладных программах технического назначения.
Научная новизна работы. Построена новая модель поляризационного заряда (РСМ) для ИКМ в плазме сложного состава. Для сильнонеидеальной плазмы РСМ дает лучшие результаты, чем все известные ранее модели. Ее ошибки не превосходят 10%, в то время как ошибки других моделей (APEX, модель поля средней силы -MFF) достигают 25 и более процентов для неидеальной плазмы.
Подчеркнем, что в РСМ высокая точность достигается не за счет усложнения модели по сравнению с известными методами, а путем специального выбора эффективного поля ионов плазмы.
Для распределения микрополя в сверхплотной плазме в окрестности нейтрального атома в работе получена модель MSHO. В этой модели впервые правильно учитываются как близкие, парные столкновения ионов с тестовой частицей, так и коллективные гармонические колебания удаленных ионов плазмы. Ошибки MSHO не превосходят 10% для сверхплотной плазмы, в то время как точность других моделей падает с ростом неидеальности.
Для ускорения расчетов функции распределения микрополя по моделям РСМ для ИКМ, ОКП и APEX для НЧКМ в работе получены аналитические аппроксимации для фурье-образа функции распределения. Данные аппроксимации уменьшают время расчета в десятки тысяч раз по сравнению с известными моделями микрополя.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе моделей микрополя подтверждена сравнением функций распределения микрополя, получаемых по этим моделям, с тестовыми расчетами функции распределения методом Монте-Карло, а также сравнением расчетного числа спектральных линий в плотной плазме с наблюдаемым в экспериментах.
В работе исследовалась математическая точность полученных результатов. Сходимость численных методов непосредственно устанавливается в расчетах на сгущающихся сетках.
Практическая ценность результатов работы. Благодаря применимости в широком диапазоне температур и плотностей и хорошей точности, полученные модели микрополя полезны для расчетов термодинамики и оптических свойств плазмы.
Поскольку полученные в работе аппроксимации просты и экономичны, то это модели для массовых расчетов.
Созданная на основе полученных результатов программа для ЭВМ была использована для расчетов УРС и оптических свойств ряда веществ (алюминий, воздух с примесями щелочных металов, вода). Так как функция распределения микрополя является одной из фундаментальных характеристик плазмы, то данную программу
также можно использовать для широкого круга задач физики плазмы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 6-й Международной конференции "Физика нендеальной плазмы" (ноябрь 1991, Берлин), 3-х Забабахинских научных чтениях (Кыш-тым, январь 1992), 3-ой Международной конференции по ударным волнам (май 1992, Минск), 5-м Всесоюзном совещании по физико-химическим свойствам вещества (май 1992, Москва), 23-й Всесоюзной школе по теоретической ядерной физике им. В.М.Галицкого (июнь 1992, Тверь), Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы" (ноябрь 1992, Москва), 21-ой Всероссийской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (февраль-март 1994, Москва), 9-ой Международной конференции "Уравнение состояния вещества" (март 1994, Нальчик), 5-ой Международной конференции по ударным волнам (июль 1994, С.Петербург).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений, списка литературы и списка основных обозначений и имеет объем 196 страниц. Каждая глава состоит из параграфов; некоторые параграфы подразделяются на пункты. В работе приведено 67 иллюстраций. Библиография содержит 80 наименований.
Публикации. Основные результаты по теме опубликованы в десяти работах, указанных в конце автореферата.