Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое моделирование вакуумно-искровых разрядов
1.1 .Электрогидродинамическая модель вакуумно-искровых разрядов 20
1.2.Электровзрыв катодного микроострия (автомодельное приближение) 24
1.3. Примеры математического моделирования вакуумно-искровых разрядов с помощью самосогласованной ЭГД-модели 27
1.4. Электрический разряд при высокоскоростном ударе в вакууме 53
Выводы к главе 1 59
Глава 2. Математическое моделирование лазерно-индуцированных разрядов
2.1. Постановка задач, подходы и цели математического моделирования лазерно-индуцированных разрядов в вакууме 61
2.2. ЭГД-моделирование миниатюрного плазменного фокуса 64
2.3. Моделирование процессов генерации рентгеновского излучения при лазерно-индуцированных разрядах (при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях U= 12 В - 2.7 кВ) 76
2.4. Математическое моделирование МГД-процессов 105
2.5. Элекроразрядная имплозия, индуцированная фемтосекундным лазерным излучением 106
2.6. Электроразрядная имплозия при электровзрыве катодного острия 111 Выводы к главе 2 116
Глава 3. Физика и математическое моделирование мгд процессов при воздействии пикосекундных лазерных импульсов на мишень
3.1. Математическое моделирование физики взаимодействия пикосекундного лазерного излучения с металлической мишенью 119
3.2. Неустойчивость сильного МГД-разрыва в лазерной плазме 123
3.3. Исследование генерация коротковолнового излучения из плотной плазмы Та-181 при лазерно-индуцированных разрядах в вакууме 141
3.4. Генерация сверхсильных магнитных полей при лазерно-индуцированных разрядах в вакууме 153
Глава 4. Математическое моделирование мгд и эгд процессов при электровзрывах проводников
4.1. Краткое описание математической модели 15 9
4.2. Электровзрыв одиночных проводников под воздействием сильных токов 160
4.3.Электровзрыв массивов проволочек 179
4.4. Нелинейные процессы и экстремальные состояния в плазме, образованной при электровзрыве миниатюрного вольфрамового кольца 183
Глава 5. Плазмоэмиссионная динамика нейтронных звезд
5.1.Математическое моделирование электрических разрядов в окрестности нейтронных звезд без учета магнитных полей (случай "черных дыр") 193
5.2. Математическое моделирование электрических разрядов в окрестности нейтронных звезд с учетом магнитных полей 199
Глава 6. Математическое моделирование взаимодействия интенсивных ионных пучков с веществом
6.1 Математическое моделирование физики взаимодействия МИП с веществом 206
6.2. Импульсные разрушения металлических пластин и имитация высокоскоростного удара с помощью МИП 210
6.3. О возможности ионно-пучковой защиты космических аппаратов от метеоритов и космического мусора 217
6.4. Динамика перехода вещества в экстремальные состояния под воздействием пучков тяжелых ионных 220
6.5. Динамика ударных волн, генерируемых при комбинированном воздействии мощных ионных и лазерных пучков на мишень 224
6.6. Инициирование очагов повреждений в металлах при высокоэнергетичной импульсной имплантации ионов 229 Выводы к главе 6 234
Глава 7. Кумулятивный эффект при высокоскоростном ударе
7.1. Постановка задачи 235
7.2. Описание используемой математической модели 236
7.3. Обсуждение результатов расчетов 237
Выводы к главе 7 247
Заключение 248
Литература 252
- Примеры математического моделирования вакуумно-искровых разрядов с помощью самосогласованной ЭГД-модели
- Моделирование процессов генерации рентгеновского излучения при лазерно-индуцированных разрядах (при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях U= 12 В - 2.7 кВ)
- Исследование генерация коротковолнового излучения из плотной плазмы Та-181 при лазерно-индуцированных разрядах в вакууме
- Нелинейные процессы и экстремальные состояния в плазме, образованной при электровзрыве миниатюрного вольфрамового кольца
Введение к работе
Развитие новых высоких технологий с использованием концентрированных потоков энергии, экспериментальные исследования в области физики экстремальных состояний, современные разработки в области сильноточной электроники и микроэлектроники, создание компактных источников рентгеновского и гамма-излучения, исследования в области инерциального термоядерного синтеза, поиск альтернативных путей решения проблемы УТС, разработка новых способов защиты космических аппаратов и станций от метеоритов и космического мусора, исследование механизмов "работы" таких астрофизических объектов, как пульсары и «черные дыры», наконец, решение многих важных прикладных задач, - весь этот широкий круг проблем современной физики требует для своего успешного решения и применения разработки адекватных математических моделей и проведения многочисленных вычислительных экспериментов. Настоящая работа, выполненная на стыках вычислительной математики и различных областей физики (физики плазмы, теплофизики, физики твердого тела, физики лазерно- индуцированных, вакуумно-искровых и дуговых разрядов, физической электроники, физики пучков заряженных частиц и даже астрофизики), отчасти восполняет существующие пробелы в арсенале теоретических моделей и способствует созданию более полной физической картины изучаемых процессов при взаимодействии КПЭ с веществом. Большая часть расчетно-теоретических работ по физике плазмы и инерциальному термоядерному синтезу (примерно до конца семидесятых -середины восьмидесятых годов) проводилась без детального (совместного) учета физико-химических свойств реальных веществ и индуцированных электромагнитных полей. В математических моделях по физике плазмы все транспортные коэффициенты описывались (да, нередко, и сейчас описываются) с использованием широко известной работы СИ. Брагинского [1]. Это было обусловлено, отчасти отсутствием надежной базы данных по
теплофизическим, электрофизическим и оптическим свойствам реальных веществ с одной стороны, и стремлением большинства исследователей оперировать с ограниченным и универсальным набором параметров (плазменная частота, дебаевский радиус и т.п.). При этом создавались (и сейчас создаются) очень интересные математические модели, например, модель ленгмюровского коллапса В.Е. Захарова, а также многочисленные модели нелинейных волн (солитонов) в плазме, теория сильной и слабой турбулентности плазмы.
В данной работе предпринята попытка восполнить существующий пробел в области математического моделирования физики взаимодействия КПЭ с веществом, с упором на учет индивидуальных свойств вещества в широком диапазоне параметров (не забывая и про коллективные процессы в плазме). Например, в мире существует очень мало действующих надежных математических моделей, которые позволяли бы описывать переход вещества из нормального исходного состояния (будь то газ или твердое тело) в плазменное состояние, включая неидеальную и высокотемпературную плазму. Опыт создания таких математических моделей, апробированных на количественном описании перехода вещества в экстремальные состояния с использованием традиционных систем (ускорителей мощных ионных и электронных пучков, мощных лазеров, сильных взрывов), позволил автору создать математические модели и провести численные исследования динамики перехода вещества в экстремальные состояния и генерации рентгеновского излучения в таких компактных системах, которые ранее не использовались в указанных целях. Фактически автором было открыто новое направление в физике экстремальных состояний, основанное на использовании уникальных свойств вакуумных электрических разрядов, инициируемых даже при сравнительно малых прикладываемых напряжений (вплоть до 12 В). Это направление намного экономичнее по сравнению с другими направлениями, в которых используются
дорогостоящие ускорители, лазеры, метательные или взрывные устройства. Оно не требует создания больших экспериментальных комплексов или полигонов, все натурные эксперименты могут быть проведены на обычном лабораторном столе, а вычислительные эксперименты - на современном персональном компьютере.
Кроме того, на базе этих же математических моделей при их
модернизации в плане учета основных физических свойств вакуумных
систем сильноточной электроники была создана двумерная
самосогласованная математическая модель процессов взрывной электронной эмиссии. Теоретически предсказаны и численно исследованы ряд новых быстропротекающих физических процессов (эффектов) в системе ионный пучок- плазма - металлическая мишень, лазерный луч- плазма-металлическая мишень (когда при развитии неустойчивости сильного МГД-разрыва в микрообъеме плазме имеет место сверхвысокая кумуляция энергии), а также в плазме электрических разрядов (как в вакуумных мини-диодах, так и на полюсах нейтронных звезд). Дано новое объяснение механизмам "работы" пульсаров (включая, миллисекундные и "одиночные" рентгеновские пульсары). Все это свидетельствует об актуальности данной работы.
К числу основных вопросов, рассматриваемых в диссертации, относятся вопросы по теоретическому описанию: физики процессов генерации и взаимодействия пучков ускоренных частиц с веществом, взаимодействия интенсивного пикосекундного лазерного излучения с веществом, плазмоэмиссионной и ударно-волновой динамики нейтронных звезд, а также физики быстропротекающих процессов высокоскоростного соударения. При этом электро- и магнитогидродинамические процессы в токонесущей плазме различных физических систем (от катодных пятен до нейтронных звезд) являются главенствующими, что и определило выбор основной специализации работы. Главной целью всей работы было нисколько
разработка физико-математических моделей (которая проводилась совместно с квалифицированными математиками), сколько проведение вычислительных экспериментов для прогнозирования, выявления и количественного описания новых физических эффектов в различных системах: концентрированные потоки энергии (КПЭ)- вещество, а также экспериментальная проверка некоторых основных результатов вычислительных экспериментов. Поэтому автор принял участие и в ряде натурных физических экспериментов по исследованию нелинейных процессов в плазме лазерно-индуцированных разрядов в вакууме и газах, в частности, по исследованию генерации рентгеновского и гамма-излучения из танталовой плазмы, генерации и диагностике сверхсильных полей в лазерной плазме, а также "стреляющих вихрей" (подобных миниатюрным черным дырам).
Для количественного описания динамики перехода вещества в экстремальные состояния (включая состояния сильно неидеальной и высокотемпературной плазмы) под воздействием разного вида КПЭ, необходимо было использовать современные достижения вычислительной математики и знания из разных областей физики: физики твердого тела, электрофизики, физики пучков заряженных частиц и лазерного излучения, электродинамики, астрофизики и т.д. В настоящей диссертации отражены результаты работ, выполненных автором (в период: 1986-2001 гг.) в Институте высоких температур АН СССР (впоследствии ОИВТ РАН) индивидуально и совместно с сотрудниками этого института под общим руководством В.Е. Фортова. Тогда были выполнены работы по физике взаимодействия мощных ионных пучков и электровзрыву катодного микроострия (лишь некоторые из них вошли в гл. 1 , 6 и 7 настоящей диссертации). Тогда же, при поддержке и сотрудничестве с Г.А. Месяцем, были выполнены работы по динамике эктонов и взрывной электронной эмиссии ВЭЭ. Заметим, что большая часть этих работ лишь названа в
диссертации, т.к. включение всех выполненных расчетов и работ по указанной тематике сильно бы увеличило объем диссертации.
Затем (в период: 1994 - 2006 гг.) в Техническом университете г. Кемнитц (Германия), сотрудничая с Н.И. Фогель в рамках международных проектов, и в МФТИ ГУ (2001-2006 гг.)- были выполнены работы по главам 2-5. С середины 1994 года работы выполнялись в основном по следующим направлениям:
Математическое моделирование наносекундных электрических разрядов в вакууме (в том числе и лазерно- индуцированных).
Плазмоэмиссионная динамика нейтронных звезд.
Физика микро-плазмофокусных систем.
Математическое моделирование РМГД-процессов при электрических взрывах микропроводников, а также при лазерно-индуцированных разрядах в вакууме и лазерно-искровых разрядах в газах.
5.Натурные физические эксперименты и математическое моделирование по физике генерации рентгеновского (и гамма-) излучения и сверхсильных магнитных полей в лазерной плазме.
Все эти направления объединяет одно направление, которое до сих пор является одним из важных направлений ряда академических и отраслевых институтов России, и которое взято в качестве названия данной диссертационной работы: "Физическая механика и математическое моделирование взаимодействия КПЭ веществом". Обилие и широкое разнообразие работ по этой тематике, связано в основном с различными технологическими применениями, прикладными и фундаментальными исследованиями в области физики экстремальных состояний вещества.
До этого, автор принимал участие в теоретических исследованиях по кинетике и газодинамике неравновесной пучковой плазмы (в период с 1978 по 1986 гг.). Тогда работать надо было, фактически "с нуля", т.к. такая наука как "кинетика неравновесной пучковой плазмы" в то время еще не
существовала. Даже после, когда были написаны первые статьи и книги близкие по этой тематике (см., например, [2-6]), еще много было вопросов, требующих скрупулезного сбора информации о сечениях, вероятностях и коэффициентах скоростей многочисленных элементарных процессов, играющих важную роль в кинетике неравновесной пучковой плазмы. Такие интересные и полезные книги близкие по указанной тематике (как, например, [7,8]) начинали выходить в свет позднее. Со временем в печати появились и другие работы по созданию аналогичных моделей (см., например, [9-Ю]). Наряду с кинетикой неравновесной пучковой плазмы автору пришлось иметь дело, тоже впервые, и с неравновесной газодинамикой тепловых взрывов, которые образуются с некоторой временной задержкой после прохождения релятивистских электронных пучков или лазерного излучения через молекулярный газ. Эта часть работы тоже опущена в диссертации, как и последующие работы по моделированию взаимодействия РЭП с диэлектриками и ряд других.
При выполнении исследований автор старался учесть возможные практические применения концентрированных потоков энергии. Например, для обработки конструкционных материалов; для защиты космических аппаратов от микрометеоритов и космического мусора; для создания устройств импульсной сильноточной электроники; для разработки новых источников рентгеновского (и гамма) излучения, работающих при пониженных внешних прикладываемых напряжениях (в отличие от хорошо известных высоковольтных рентгеновских аппаратов); а также для разработки компактных ускорителей настольного типа и т. д. Отсюда в основном и происходил выбор научных задач, разумеется, новых нерешенных еще никем, на момент их постановки и решения автором.
Научная новизна. Работа выполнена на новом научном направлении: создание математических моделей и проведение численного исследования сложных физических систем "КПЭ-вещество" с детальным учетом
совокупности физико-химических свойств реальных веществ. Именно детальный учет индивидуальных свойств веществ в математических моделях и позволил автору предсказать ряд новых физических эффектов и объяснить физические механизмы экспериментально наблюдаемых эффектов, которые не имели полного и корректного количественного описания. Обнаружены новые физические эффекты (и численно исследованы их механизмы):
-самофокусировка электрического тока в плазме катодного факела и генерация "стреляющих солитонов" на его поверхности, сопровождающаяся генерацией микропучков заряженных частиц с высокой плотностью тока (1-104 МА/см2), развитием перегревной неустойчивости и образованием возвратных тепловых волн;
электроразрядная имплозия (инициирование направленного во внутрь вещества потока электромагнитной энергии);
резонансный эффект по генерации нелинейной волны разогрева при взаимодействии интенсивных ионных пучков с веществом;
генерация "стреляющих вихрей";
термомагнитная неустойчивость сильного МГД-разрыва в лазерной плазме и др.
Выдвинута новая гипотеза по механизму образования интенсивных пучков и плазменных струй, а также рентгеновского излучения из ряда астрофизических объектов (пульсаров и квазаров).
В ходе работ по указанному выше общему направлению автором было дополнительно формулировано и обосновано такое неожиданное и интересное новое направление как физика экстремальных состояний вещества в электроразрядных устройствах, работающих при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях (сотни и десятки вольт, вплоть до 12 В). На этом направлении тоже получены интересные результаты. Получен патент РФ на изобретение, которое впервые было внедрено в ТПУ (г. Томск).
На защиту выносятся:
Двумерные нестационарные термо-электрогидродинамическая и магнито-гидродинамическая модели электроразрядных процессов, нашедших свое широкое применение: для количественного описания плазмоэмиссионых процессов в системах - от катодных пятен до нейтронных звезд.
Расчетно-теоретическая модель ВЭЭ с учетом всех значимых (на субнаносекундных и наносекундных временах) физических процессов.
Новые способы электроразрядной и ионно-пучковой защиты космических аппаратов и станций от микрометеоритов и космического мусора.
4. Теоретическое предсказание и объяснение новых физических механизмов
и эффектов:
а) Самофокусировка и дефокусировка электрического тока в плотной
плазме катодного факела (на фоне перехода металл-диэлектрик и
струйного гидродинамического течения в плазме вначале появляются
каналы повышенной проводимости, а затем исчезают под влиянием
разогрева и теплопереноса, так может повторяться несколько раз:
самофокусировку сменяет дефокусировка, т.е. имеет место своеобразная
"пульсирующая" или апериодическая самофокусировка).
б) Эффект генерации "стреляющих солитонов", который сопровождаются
генерацией пучков заряженных частиц с высокой плотностью тока (1-
10 МА/см), развитием перегревной неустойчивости и
образованием возвратных тепловых волн.
в) Эффект генерации "стреляющих вихрей", обнаруженный в
вычислительных и натурных физических экспериментах.
г) Эффект образования микроплазменного фокуса во время "контактного
коллапса" вблизи анодной поверхности, сопровождающийся переходом
вещества в экстремальные состояния (с максимальным давлением 100-200
Мбар, удельной внутренней энергией до нескольких десятков МДж/г), и
генерацией жёсткого рентгеновского излучения. Это излучение может генерироваться в результате плазменного прерывания в анодной области, где в микрообъёмах электрический потенциал достигает высоких значений (несколько десятков кВ и выше, до нескольких MB).
д) Резонансный эффект возбуждения нелинейной волны разогрева в
твердотельной мишени под воздействием интенсивных ионных пучков.
е) Физический механизм электроразрядной имплозии.
ж) Механизм генерации сверхсильных магнитных полей за счет развития
термомагнитной неустойчивости сильного МГД-разрыва в
высокотемпературной лазерной плазме.
5. Результаты натурных экспериментов по:
-измерению спектра рентгеновского излучения плазмы Та-181 лазерно-индуцированных разрядов в вакууме;
-исследованию механизмов генерации остро направленного (и изотропного) гамма-излучения из плазмы Та-181 (на длине волны Х=02 нм, предположительно лазерного гамма излучения, полученного в режиме усиления спонтанного излучения - УСИ) и по диагностике такого излучения; -измерению сверхсильных магнитных полей (в гигагаусном диапазоне) по зеемановскому расщеплению Ni-подобных ионов Та-181.
Результаты РМГД- расчетов воздействия пикосекундных лазерных импульсов на металлические мишени.
Новый механизм работы пульсаров, основанный на плазмоэмиссионной динамике нейтронных звезд при электрических разрядах (грозах) в окрестностях их полюсов. Исследование этого механизма показало: наряду с "традиционными пульсарами", в которых основную роль играют процессы в электрон-позитронной плазме", могут существовать еще и пульсары, главную роль в работе которых играют процессы в "обычной" (электрон-ионной) плазме. Важно, что новый вид пульсаров может "работать" и при
гораздо более слабых электрических полях, т.к. для них вовсе не требуется рождения позитронов.
8. Новый механизм, объясняющий генерацию сверхмощных электронных
пучков и плазменных струй (например, из квазара ЗС273 , это объяснение
контрастирует с опубликованным ранее, основанным на предположении о
сверхтяжелых черных дырах ). В новом механизме главную роль играют
электромагнитные силы и плазмоэмиссионные процессы.
9. Новое объяснение спородическим (случайным) импульсам
электромагнитного излучения пульсаров, поскольку электрические
разряды в окрестности нейтронных звезд могут происходить так же не
строго периодически.
10. Новое объяснение механизма работы миллисекундных пульсаров - не за
счет их сверхбыстрого вращения, а за счет миллисекундных разрядов.
И. Новый механизм сверхмощной термоядерной детонации и взрыва, за счет штормов вблизи поверхности нейтронных звёзд.
12. Новое направление: применение электроразрядных устройств,
работающих при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях
(вплоть до 12 В) для осуществления перехода вещества в экстремальные
состояния (когда в микрообъемах вещества реализуются давления вплоть до
сотен Мбар, а удельные энерговклады достигают десятки МДж/г) и
генерации как мягкого, так и жесткого рентгеновского излучения.
Математическое моделирование кумулятивного эффекта при высокоскоростном ударе.
Математическое моделирование физики взаимодействия МИЛ (а также МИЛ совместно с мощным лазерным излучением) с конструкционными материалами.
Примеры математического моделирования вакуумно-искровых разрядов с помощью самосогласованной ЭГД-модели
Рассмотрим задачу об электровзрыве катодного микроострия (в самосогласованном приближении). Разделим моделируемую систему на две части: вещество и вакуум, в которых и будем рассчитывать самосогласованным образом электрические поля и токи. При этом примем во внимание эволюцию: -пространственного распределения электрических полей в вакууме; -пространственного распределения электрических полей и плотностей тока внутри вещества (в катоде и плазменном факеле). На каждом шаге по времени в двухмерных электрогидродинамических расчетах в вакуумной области необходимо решать уравнение Лапласа: где ф - электрический потенциал. Для решения (1.2) использовались разные методы, [146,152], но самые трудные случаи (например, для начальной геометрии в виде цилиндра) лучше решать с помощью метода [146]. Затем необходимо рассчитывать значения плотностей эмиссионных токов на границе металл-вакуум (используя формулы [153]), а на границе плазма-вакуум по формуле [154]: где Vf =(T/2e)m(mj/27ime) - положительный плавающий потенциал (для меди величина Vf = 4.5 Т в соответствии с эмпирическими данными [139]). Здесь me, е, ve и пе - соответственно масса, заряд, усредненная тепловая скорость и концентрация электронов; rrij- масса ионов. Значения рассчитанных таким образом плотностей эмиссионных токов js использовались в дальнейшем в качестве граничных условий для уравнения: с помощью которого и рассчитывалось пространственное распределение плотности тока и электрического потенциала ф в веществе на каждый момент времени t. Нетрудно показать, что формула (1.4) получается в квазистационарном приближении из уравнений Максвелла, если пренебречь токами смещения, что можно было сделать ввиду их малости.
Кроме того, как и в [155], мы пренебрегали эмиссией электронов на границе металл-плазма, полагая, что имеет место непрерывный (плавный) переход концентрации электронов от твердотельных значений до плазменных. Расчеты проводились, как правило, дважды, для двух предельных случаев: без учета ограничения плотности эмиссионного тока в вакууме пространственным зарядом, а также с его учетом. В последнем случае, в соответствии с экспериментальными данными (см., например, [156]), учитывалось, что плотность тока эмитируемых электронов в течение короткого времени может быть в 3-5 раз выше, чем предельная плотность тока Чайлда-Ленгмюра (т.е. рассчитанного по формулам закона 3/2). Строго говоря, если бы мы решали уравнение Пуассона (тогда вместо (1.4) следовало бы взять нестационарное уравнение, описывающее сохранение электрического заряда, добавить уравнения движения электронов и ионов в вакууме и т.д.), то указанное ограничение на допустимую плотность тока мы получали бы автоматически, однако это сильно бы усложнило и без того довольно сложную математическую модель, а поскольку нас, прежде всего, интересовали нелинейные физические эффекты (и качественное согласие с экспериментом), то мы сочли допустимым такой подход на данном этапе исследований.
Расчет величины теплового потока по нормали п к границе вещество-вакуум проводился по формулам: Здесь Ur = (TSB Т4 - плотность мощности теплового излучения; CTSB -постоянная Стефана-Больцмана; а функция - для границы металл-вакуум; либо - для границы плазма-вакуум. Функция UN определяет тепловыделение (охлаждение) при термоавтоэлектронной эмиссии, обусловленное эффектом Ноттингама. Здесь js (ES,TS) - плотность тока на поверхности катода; a Ts, Es -соответственно температура и электрическое поле на поверхности; Т - температура инверсии эффекта Ноттингама (который в некоторых случаях, вообще говоря, был несущественен, т.к. при малых полях UN - 0). Uem - описывает эмиссионное охлаждение за счет уноса энергии электронами, покидающими плазму. Следует иметь в виду, что вычисления электрических полей и плотностей тока выполнялись на каждом шаге гидродинамических расчетов, дабы учесть быстрые изменения геометрии рассматриваемых областей и электрической проводимости. При этом, как и при решении уравнения теплопроводности, использовался метод локальных итераций с применением неявной конечно-разностной схемы [146].
Моделирование процессов генерации рентгеновского излучения при лазерно-индуцированных разрядах (при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях U= 12 В - 2.7 кВ)
В этой части работы рассмотрим механизм генерации микропучков электронов высокой плотности, что происходит при этом в катодном факеле, как эволюционируют его основные электрофизические и теплофизические параметры. Поскольку мы использовали в известном смысле "идеализированную" модель, то мы не стремились априори к какому-то "сверхъестественному" численному согласию расчетных и экспериментальных данных, нас, прежде всего, интересовали качественные согласия. К тому же в рассматриваемых экспериментах все основные физические процессы развиваются за очень малые времена (от единиц и десятков пикосекунд до нескольких наносекунд). Ясно, что за такие малые времена (если учесть еще, что и размеры системы невелики), трудно померить все интересующие физические параметры системы, поэтому роль, которая отводилась численному эксперименту, заключалась , прежде всего, в том, чтобы дополнить физическую картину происходящих процессов, фиксируемую в натурных экспериментах только фрагментарно. И в этом плане, помимо описанной выше математической модели, мы использовали дополнительный комплекс программных средств для визуализации расчетной информации, без чего быстрый анализ расчетных данных и понимание сути происходящего (как в натурных, так и в вычислительных экспериментах) были бы затруднены.
В качестве первого примера рассмотрим конкретный случай разряда, индуцированного пикосекундным лазерным пучком при прикладываемом напряжении Uo= 2.7 кВ (заметим сразу, что аналогичные эффекты имеют место и при более низких напряжениях, вплоть до Uo= 12 В, см. ниже). Компьютерное моделирование было выполнено для следующих условий : прикладываемое напряжение U0=2.7 кВ, в межэлектродном зазоре с длиной D=50 мкм, начальная температура горячего пятна на катоде Т0= 20 эВ (во всех остальных частях медных электродов температура равна комнатной температуре), индуктивность L» 0, для двух случаев активного сопротивления внешней цепи: а) 1 =0.03 Ом и Ь) 1 =50 Ом. Эволюция основных параметров вещества для обоих случаев показана на Рис.40-50. В случае низкого сопротивления (в режиме короткого замыкания) энерговклад на начальном этапе вдвое больше, чем в случае сопротивления 1 =50 Ом (см. Рис.40,41). Это связано с более высокими плотностями тока, которые реализуются в первом случае. Электрические потенциалы в плазменных факелах для обоих случаев при этом примерно те же самые и достигают нескольких вольт. Токовые распределения показаны на Рис.42-44. Мы можем видеть, что в плазменных факелах происходит генерация «стреляющих» солитонов (термин заимствован из работы [177], в которой рассматривались «стреляющие» солитоны или «гейзероны»), сопровождаемая увеличением температур в различных микрообъемах (Рис.45-47). Электрический потенциал в случае Ь) при t 1.96 увеличивается до величин 60-300 В, на этих временах происходит образование и многозарядных ионов и возникают высокие давления (см. Рис.48). На более поздних временах в этом же случае мы имеем пики в пространственных распределениях электрического потенциала и температуры (Рис.49). В случае а) мы также имеем ультрабыстрые нелинейные процессы, сопровождаемые переходом вещества в экстремальные состояния и генерацией горячих пятен , а также увеличением электрического потенциала (Рис.50,а), ростом кратности ионизации и генерацией микропучков многозарядных ионов из плазменных областей с чрезвычайно большими Z (средний заряд ионов) на фронте ударной волны (Рис.50,Ь). Такая генерация ионных микропучков сопровождается генерацией также микропучков электронов. Их длительность импульсов так же, как и время излучения рентгеновского излучения может быть выше времени жизни т отдельного горячего пятна. Несколько горячих пятен может создавать один импульс рентгеновского излучения или корпускулярного пучка. В случае а) время т очень короткое (т 10 пс). В случае Ь) величина х может быть выше (при рассматриваемых условиях).
Исследование генерация коротковолнового излучения из плотной плазмы Та-181 при лазерно-индуцированных разрядах в вакууме
В данном параграфе рассмотрим результаты экспериментального исследования генерации и усиления гамма-излучения из плотной плазмы, образованной при воздействии интенсивного пикосекундного лазерного излучения (от Nd YAG-лазера, на длине волны Х,=1064 нм, с длительностью импульса по полувысоте 100 пс ) на танталовую мишень (181Та) в вакууме при наличии внешнего электрического поля (когда лазером индуцировался электрический разряд) и без него. Следуя терминологии [213], будем говорить о гамма-излучении и гамма-лазере, поскольку в интересующей нас системе работают ядерные переходы, хотя излучение и происходит в области длин волн рентгеновского излучения, конкретно на длине волны А,« 0.2 нм. Для диагностики такого излучения использовались фильтры из Сг и Fe (соответственно с толщиной 9.83 мкм и 15.83 мкм). Был зарегистрирован поток квантов предположительно с энергией Еу « 6.2 кэВ. Но только в случае танталовой мишени, причем регистрировались очень слабые сигналы (при нулевом внешнем напряжении на танталовых электродах) от излучения, проходящего железный фильтр (см. Рис.96, д). Когда ставили фильтр из Сг, сигнал из танталовой плазмы пропадал (в условиях отсутствия внешнего напряжения). Контрольные эксперименты с вольфрамом показали отсутствие такового излучения. Это означает, что в наших первых экспериментах [93] уже было зарегистрировано, именно указанное выше гамма-излучение (возможно, даже лазерное!). Действительно, если бы это было просто рентгеновское излучение многозарядных ионов Та, то почему не было соответствующего излучения от многозарядных ионов вольфрама? Ведь физические свойства плазмы (в том числе и спектры излучения многозарядных ионов) тантала и вольфрама должны быть очень похожими при одних и тех же условиях образования. Впоследствии в [124,126] в ходе спектральных измерений соответствующая линия была зафиксирована (см. ниже).
Для реализации лазерного гамма-излучения в первую очередь необходимо выполнить условие, согласно которому результирующий коэффициент вынужденного гамма-усиления превышал бы коэффициент нерезонансного поглощения (см., соответствующую формулу в [214]). Вторым обязательным условием осуществления лазерного гамма-излучения является использование такого механизма возбуждения инверсии, который позволяет достичь инверсной населенности за интервал времени 5t т (где т - время жизни возбужденного уровня [214]).
В отличие от схемы лазера на долгоживущих изомерах (см., например, [214] и цитированную там литературу), которая, кстати, долгое время казалась более легкой для экспериментальной реализации (но, увы, все попытки до сих пор оказались неудачными), в настоящей работе рассматривается схема у-лазера на короткоживущем изомере Та с т 6 10" с (для хорошо известного Е1-перехода с энергией квантов 6.24 кэВ [215]). В этом случае первое, из указанных выше, условие генерации всегда принципиально достижимо [214] . Разумеется, при этом должен быть использован механизм очень интенсивной импульсной накачки, каковым на наш взгляд может быть, например, процесс обратной внутренней электронной конверсии (ОВЭК) в плотной плазме [217]. Возможно, что на разных этапах, главную роль в кинетике возбуждения ядерных уровней в плотной плазме играют и разные механизмы ядерного возбуждения (в том числе и весьма необычный [36,225]). В работе [216] подробно рассмотрен вопрос о принципиальной возможности аномально высоких коэффициентов скоростей пороговых неупругих процессов в плотной плазме даже при сравнительно невысоких температурах. Детальное описание схемы экспериментальной установки (см. Рис.95), приведено в работе [169]. На Рис.95 показана схема экспериментальной установки, в которой использовался импульсный Nd YAG - лазер с активной синхронизацией мод. Излучение на длине волны 1064 нм фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 25 см на поверхность металлических мишеней. В качестве материала использовались Та, W, А1. Энергия импульса лазерного излучения составляла 90-95 мДж, длительность импульса 100 пс, таким образом, при фокусировке излучения на поверхности мишени в область диаметром 40-100 мкм достигалась плотность потока мощности 1014 Вт/см2. Для регистрации рентгеновского излучения от лазерно-индуцированной плазмы мишень помещалась в компактную вакуумную камеру, где поддерживался вакуум не хуже 10 6 торр. Излучение плазмы регистрировалось с помощью рентгеновского фотохронографа с фотокатодом из золота на углеродной плёнке. Спектральный диапазон регистрации квантов составлял 0.1-10 кэВ. Регистрация изображения с выходного экрана (волоконно-оптическая пластина) производилась с помощью охлаждаемой CCD камеры (Cordin CCD). Обработка сигналов изображения в диапазоне 14 Бит осуществлялась по специально разработанным программам обработки изображения (Cordin CCD Readout System).
Нелинейные процессы и экстремальные состояния в плазме, образованной при электровзрыве миниатюрного вольфрамового кольца
Рассмотрим процессы перехода вещества в экстремальные состояния, сопровождаемые нелинейными явлениями, и постараемся ответить на фундаментальные вопросы, связанные с проблемой неограниченной кумуляции [231]. Рассматриваемый случай аналогичен экспериментам [232], в которых исследовались магнитные z- пинчи с характерными диаметрами плазменных каналов в области перетяжки d 100 мкм, при протекании через них 150 кА тока с длительностью импульса 1.1 мкс, в условиях малой индуктивности L« 1 нГн. В этих экспериментах были зафиксированы три горячих пятна и серия коротких импульсов рентгеновского излучения, наряду с сильными спиралевидными магнитными полями и маленькие плазменные сферы. В настоящем компьютерном моделировании мы предполагаем, что через вольфрамовое кольцо с внутренним диаметром di=50 мкм и внешним- сІ2=80 мкм протекает сильный ток с прежней временной формой импульса I(t) (см. стр.161). Двумерная радиационная МГД модель URAGAN-XY использовалась в данном расчете с учетом всех значимых физических процессов для реального вещества (включая свойства неидеальной плазмы, две температуры, вязкость, влияние сильных магнитных полей, процессы переноса излучения и тепла). В этом параграфе будут рассмотрены только ультрабыстрые нелинейные процессы на фоне нормальной динамики пинчевой системы (в соответствии с [69]), уделяя внимание, прежде всего, характерным особенностям в решениях уравнений РМГД в веществе. Одно из самых интересных из них - генерация "стреляющих" солитонов (или вихрей). Но что могло быть причиной появления их здесь, что, образно говоря, "нажимало на спусковой курок"? Термомагнитная неустойчивость, которая играла ключевую роль в рассмотрении аналогичных процессов в главе 3, здесь исключена.
По всей видимости, в данном случае главными являются: указанный выше гиро-релаксационный нагрев, центробежная неустойчивость и магнитная РТН (на практике возможна еще и сдвиговая неустойчивость вязкой плазмы, в данных расчетах учитывается только ионная вязкость). Именно они могут быть инициаторами развития (сначала в малом объеме плазмы, в условиях режима с обострением ) миниатюрного вихря, в области которого имеют место высокие плотности тока, сильные магнитные и электрические поля, высокие температуры (особенно ионная) и, как следствие, высокая концентрация энергии (почти ее "неограниченная кумуляция"). На Рис.110 представлены основные параметры плазмы для t=14.55 не. Видно, что очень высокая ионная температура может быть в таком вихре (одиночном, но на поздних временах появляются по мере накачки энергии почти одновременно несколько вихрей, потом исчезают и появляются новые). Весь ток (на это время I «58 кА) проходит через горячее пятно (с временем жизни т« 36 пс), проволочное кольцо на этих временах еще не разрушается. Интересно, что аналогичное плазменное образование с температурой в диапазоне Т=1-5 МэВ, как предсказывается в [210], может быть в "лабораторном огненном шаре", образованном лазерным пучком (с максимальной интенсивностью 3 10 Вт/см ). Напомним, что на практике генерация аналогичной системы (похожей на миниатюрную черную дыру) уже была реализована в наших экспериментах, и без использования сверхмощной лазерной системы (см. главу 3). Мы использовали пикосекундные лазерные пучки с начальными интенсивностями в диапазоне 5 1013 -1015 Вт/см2 и учли, при анализе экспериментальных результатов ряд нелинейных эффектов (например, эффект оптимальной фильтрации и др.). Настоящие расчеты показывают, что "стреляющий вихрь" может генерироваться и в турбулентной плазме с высокой плотностью энергии, после действия сильного тока (см., например, Рис.111-112). Требуемая энергия может быть (до поры-до времени) запасена в магнитных трубках, а ) / также в тонких плазменных структурах, похожих на солнечные (см, Рис.112). Заметим, что обнаруженные в ходе настоящего математического моделирования микропинчи весьма похожи на микропинчи, наблюдаемые в экспериментах (см., например, [233] и цитированную там литературу). Экспериментаторы обнаружили, что радиус токового канала в стадии максимального сжатия не превышает нескольких микрон. Анализ характерных повреждений на электродах указывает на "конденсацию" отдельных каналов тока в тонкие нити, причем на фоне диффузной компоненты тока увеличение плотности тока в нитях составляет 103-104 раз. Примерно так же при усреднении по времени получается и в рассматриваемых вычислительных экспериментах, только они еще указывают и на то, что, на короткие времена (десятки пикосекунд), практически весь ток может идти по одной только нити. Интересно, что автор книги [233], рассматривая динамику канала сильного тока, тоже пытался определить возможные ограничения на предельно допустимые плотности тока, пытаясь даже принять во внимание не только эффекты радиационного коллапса, но и гравитационного, привлекая для этих целей уравнения ОТО. Однако это не совсем корректно. Дело в том, что вблизи обнаруженных сингулярностей (см., например, результаты натурных физических экспериментов [225]), строго говоря, нельзя определить полевые уравнения. В результате, по образному выражению С. Хокинга [222], "...классическая общая теория относительности сама приводит к собственной гибели".
