Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Микрометеоритная опасность 16
1.1 Краткие сведения о микрометеоритной опасности 16
1.2 Моделирование микрометеоритного удара 18
1.3 Сверхскоростной микрометеоритный удар 21
Глава 2 Экспериментальный комплекс «Сатурн» 25
2.1 Лазерная система 26
2.1.1 Настройка прохождения пучка по лазерной системе 32
2.2 Вакуумная камера взаимодействия 36
2.3 Диагностический комплекс для исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом
2.3.1 Оптические диагностики 39
2.3.2 Рентгеновские диагностики 43
2.3.3 Измерение размеров кратеров и отколов 47
2.3.4 Методика исследования продуктов разлета материала мишеней 49
2.3.5 Методика исследования момента образования откола 49
Глава 3 Экспериментальное подтверждение аналитической модели расширения плазмы для многокомпонентных поликристаллических пород и металлов . 54
3.1 Рентгеновские методики измерения температуры плазмы 54
3.1.1 Анализ причин, влияющих на точность измерения температуры плазмы методом фильтров 54
3.1.2 Особенности применения программного продукта «XR» 60
3.1.3 Построение сорбционных кривых для металлов с учетом и без учета рекомбинационного излучения плазмы
3.2 Анализ применения модели Мора для экспериментов на установке «Сатурн» 65
3.3 Измерения температуры плазмы методом фильтров
3.3.1 Сорбционные кривые для многокомпонентных поликристаллических мишеней из андезита 68
3.3.2 Рентгеновская диагностика плазмы образующейся при облучении мишеней 69
3.3.3 Анализ измерений температуры плазмы для различных мишеней и сопоставления с моделью Мора 73
3.4 Оценки абляционного давления в рамках модели Мора 75
Глава 4 Упрощенная аналитическая модель генерации ударной волны. Взаимодействие лазерного излучения с тонкими мишенями из поликристаллического андезита 77
4.1 Экспериментальное исследование кратеров образующихся при взаимодействии лазерного излучения с металлами и многокомпонентными поликристаллическими породами 79
4.2 Исследование продуктов разлета вещества из плазменного факела 80
4.3 Построение упрощенной аналитической модели генерации ударной волны при лазерном воздействии 82
4.4 Оценка скорости ударной волны при воздействии лазерного излучения на многокомпонентные поликристаллические мишени 90
4.5 Экспериментальное исследование взаимодействия лазерного излучения с тонкими андезитовыми мишенями 92
4.6 Исследование продуктов разлета вещества андезитовой мишени из плазменного факела и из откольного кратера. 96
4.7 Экспериментальное исследование движения вещества на тыльной поверхности мишени 100
4.8 Измерение свечения с тыльной поверхности мишени 104
4.9 Оценка скорости разлета вещества с тыльной стороны мишени. Моделирование микрометеоритных потоков 109
Основные результатыивыводы 111
Литература
- Моделирование микрометеоритного удара
- Диагностический комплекс для исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом
- Построение сорбционных кривых для металлов с учетом и без учета рекомбинационного излучения плазмы
- Построение упрощенной аналитической модели генерации ударной волны при лазерном воздействии
Моделирование микрометеоритного удара
Вероятность столкновения КА с метеоритом зависит от распределения потоков метеоритов в пространстве. Количество и распределение по массам метеорных тел варьируется в различных работах (см. например [1, 3–5]). Отметим, что результаты всех работ подтверждают резкое убывание потока метеорных тел с ростом размеров и массы. В работе [18] автор показывает, что встреча КА (поперечное сечение 1 м2) с метеорным телом массой 10-4 г может произойти не чаще 1 раза в 160 лет. Столкновение с микрометеоритами массой m 10-6 г происходит многократно в течении полета КА [1]. В работах [19–21] авторы указывают, что общее количество материала, доставляемого к Земле микрометеоритами варьируется от 7 106 кг/год до 4 107 кг/год.
Заметим, что целый ряд КА в процессе полета зарегистрировал неизвестные ранее метеорные потоки. Так, например, спутником «Электрон-2» за 479 часов измерений было обнаружено три микрометеорных сгущения, размеры которых доходили до 5 миллионов км. Среднее число столкновений в сгущении имело величину порядка 0,1 удара на квадратный метр в секунду, что превосходит соответствующую частоту ударов в исследуемом пространстве Солнечной системы примерно в тысячу раз.
Научной станцией «Марс-1» при удалении от Земли на расстояние от 23 до 45 миллионов км также был зарегистрирован неизвестный ранее метеорный поток со средней частотой столкновений 4, 5 10-3 ударов на квадратный метр в секунду.
В дополнение к прямым эффектам, возникающим от воздействия метеорной среды, существуют косвенные результаты ее воздействия. Например, высокоскоростное воздействие метеоритов создает маленькое облако заряженных частиц, которые способны нарушить работу электрических систем бортовой аппаратуры космического корабля. Возможно, что с такой наводкой связан выход из строя передатчиков спутника «Эксплорер III» [18]. Частые удары микрометеоритов оказывают пагубное влияние на оптику [22]. Эрозия приводит к выходу из строя оптического объектива за 2-7 лет [23]. В работе [24] отмечено, что удары микрометеоритов могут изменить направление оси вращения спутника на 1 - 5 в год.
В настоящее время существуют различные способы экспериментального моделирования микрометеоритного удара. В [3] выполнен обзор основных типов и параметров ускорителей частиц. Информация представлена о газовых и электромагнитных пушках, ускорителях с использованием взрывающихся проволочек, плазменных и лазерных ускорителях, электростатических и линейных ускорителях, ускорителях с бегущей магнитной волной с использованием явлений сверхпроводимости. При проведении исследований выбор ускорителя частиц основывается на необходимом диапазоне масс и скоростей моделируемых микрометеоритов. Каждый из типов ускорителей обладает своими преимуществами и недостатками.
Важным классом ударных процессов являются сверхскоростные удары, относительные скорости в которых превышают 10-20 км/c. Прямое моделирование таких ударов электромагнитными или легкогазовыми пушками затруднено, и основным методом в этой категории является метод лазерного моделирования.
Следует отметить, что прямое воздействие лазерного излучения на вещество не в состоянии в точности отразить одновременно все характерные особенности ударных процессов. Дело в том, что при одной и той же энергии налетающей частицы и лазерного импульса объемы ударного и лазерного кратера могут отличаться на порядок, значительно могут отличаться температура поверхности, характеристики образующейся плазмы и т.д. [2,25,26]. Тем не менее, при соответствующем подборе параметров взаимодействия лазерного излучения с мишенями удается промоделировать отдельные стороны ударного воздействия и получить ценную информацию.В работе [27] используется лазерное излучение (плотность мощности / - 1013 Вт/см2, длительность импульса т 0, 2 нс) для изучения структуры кратера, образованного при воздействии лазерного излучения на медную пластину.
Возможность лазерного моделирования ударных процессов под действием импульсного лазерного облучения относительно небольшой интенсивности / 106 —109 Вт/см2 во многом базируется на схожести процессов ударного плавления и испарения материала микрометеорита с характерным размером dm 100 мкм при скоростях соударения 1 — 10 км/с и процессов лазерно-индуцированного плавления и испарения. Действительно, плотность мощности энерговыделения при ударе сферической частицы о поверхность Ish (l/3)pmV3, где р - плотность вещества микрометеорита, а V - скорость столкновения (полагая, что время столкновения тс dm/V [28]). Для V 1 км/с и рт 3 г/см3, Ish Ю8 Вт/см2 при длительности столкновения 10 8с для диаметра частицы dm 10 мкм.
Диагностический комплекс для исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом
Диагностический комплекс установки «САТУРН» располагает широким набором рентгеновских, оптических и других диагностических методик, позволяющих проводить экспериментальные исследования с высоким временным и пространственным разрешением.
Регистрация с временным разрешением свечения с тыльной поверхности мишени Исследование механизма переноса энергии на заднюю поверхность мишени представляет интерес. Существуют различные методики и диагностические комплексы для определения, как скорости ударной волны, так и времени ее выхода на тыльную поверхность мишени. В наших экспериментах применялась диагностика (рис. 2.17), которая позволяет регистрировать свечение с тыльной поверхности мишени.
Широкоопертурная телескопическая система образованная линзами Л10-Л11 собирает свет с тыльной поверхности мишени, который делится оптической пластиной П2 на два пучка и направляется на фотодиоды. Сигнал с лавинных фотодиодов ЛФД-2 (Д2, Д3) регистрируются с помощью осциллографа Tektronix DPO 7104 с полосой 1ГГц. Запуск осциллографа осуществляется сигналом с фотодиода Д1. В экспериментах использовались различные фильтры, однако существуют общие критерии для их отбора. Набор фильтров Ф2, Ф3 подбирался таким образом, чтобы ампли 40 туды сигналов видимом диапазоне и в диапазоне излучения =1,054мкм находились в динамическом диапазоне детектирующей системы Д2, Д3.
Схема измерения свечения задней поверхности мишени: М-тонкая мишень,Л 9- Фокусирующая линза,Л 10 и Л11 - линзы образующие телескопическую систему,П 1-П2 - делительные пластины, КВ - камера вза-имодействия,Ф 1-Ф3 - фильтры (Различные наборы в экспериментах),Д 1-Д3 - лавинные фотодиоды ЛФД - 2. Методика теневой фотографии. Измерения размеров и скорости движения частиц может быть выполнено оптическими методами (теневые и Шлирен-фотографирование).
В наших экспериментах наибольший интерес представляют диагностические схемы с максимальным пространственным разрешением. Рассмотрим две оптические схемы, наиболее удовлетворяющие требованиям поставленных задач.
В первой схеме (рис. 2.18) для разделения диагностических пучков световым диаметром 15мм используется призма Волластона. Задержка между пучками осуществляется зеркалами З1 и З2. Зеркало З3 направляет зондирующие пучки, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, в область ускорения исследуемых частиц мишени. Объективы О1 и О2 представляют собой телескопическую систему передающую изображение из области тыльной поверхности в плоскость фоторегистраторов с увеличением 2,1. Поляризатор П делит диагностические пучки по поляризациям. Светофильтры СФ предназначены для отсечки излучения плазмы. При использовании объектива О1 с D/F=1/3 пространственное разрешение составляло величину 10 мкм. Вторая диагностическая схема представлена (рис. 2.19). Временной интервал между зондирующими световыми пучками устанавливается при помощи зеркал З1 и З2. Угол между пучками составляет 3. Кадры на фото - регистраторе разделяются путем установки клина К в одном из зондирующих пучков между объективами О1 и О2 передающих изображение из исследуемой области в плоскость фоторегистраторов. Светофильтр СФ отсекает излучение плазмы.
Сравнивая эти диагностические схемы видно, что вторая схема значительно проще, хотя и проигрывает первой в светосиле принимающей оптики. Греющий пучок Диагностический пучок Двухкадровая оптическая схема теневого фотографирования с пространственным разделением зондирующих пучков. 2.3.2. Рентгеновские диагностики. Калориметрические рентгеновские измерения. В качестве диагностического средства для измерения температуры плазмы применялись твердотельные калориметры, разработанные в НПО «ВНИИФТРИ» [58] (см. Рис. 2.20-2.21). В работе [59] выполнена абсолютная калибровка калориметров учитывающая влияние теплового переизлучения фильтра, вызванного его нагреванием от поглощенной энергии . Калориметры представляют собой медь-константановую термобатарею с количеством термоспаев около 1000(рис. 2.20-2.21 ). Энергия, поглощенная калориметром, определяется по амплитуде выходного импульса. Чувствительность используемых калориметров лежала в диапазоне 80–120 мВ/Дж.
Для регистрации сигналов с калориметров использовался АЦП модуль USB3000. Вследствие наводок на сигнальный кабель, а также с целью повышения отношения сигнал/шум в измерительном тракте был применен предварительный усилитель, подсоединяемый непосредственно к корпусу калориметров, с коэффициентом усиления 5000. Для управления модулем и сбора данных было разработано программное обеспечение с использованием среды прикладного графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench).
Построение сорбционных кривых для металлов с учетом и без учета рекомбинационного излучения плазмы
Как было показано в многочисленных работах по лазерному термоядерному синтезу [11, 51], для постановки экспериментов и интерпретации экспериментальных данных требуется использование чрезвычайно сложных теоретических моделей и трудоемкого численного моделирования сложной совокупности протекающих при взаимодействии физических процессов. В этой связи для получения универсальных зависимостей взаимодействия лазерного излучения с мишенями могут оказаться весьма полезными упрощенные аналитические модели, достаточно адекватно описывающие физику явления. Так, в работах [53,54,56,57,81] решена задача о трансформации энергии импульсного лазерного источника в энергию ударной волны при абляционном процессе на поверхности. Результаты, полученные в этих работах, хорошо описывают эксперименты [56,57,81] при облучении металлических образцов в диапазоне интенсивностей 1013-1016 Вт/см2 и, в частности, размеры лазерного кратера в зависимости от энергии импульса. Представляется интересным применить аналитические оценки [56] к изучению взаимодействия мощных лазерных импульсов с мишенями, изготовленными из поликристаллических вулканических пород, теп 78 лофизические и оптические свойства которых кардинально отличаются от свойств металлов. Этому и посвящена данная глава.
В данной главе представлены результаты экспериментальных исследований образования кратеров в многокомпонентных поликристаллических толстых мишенях (андезита) и алюминии под действием мощного лазерного импульса с интенсивностью 1012 - 1013 Вт/см2. Полученные в эксперименте размеры кратеров согласуются с результатами оценок, основанных на модели трансформации энергии лазерного импульса в энергию ударной волны при абляционном процессе на поверхности мишени в режиме гидродинамического воздействия.
Получена оценка скорости ударной волны при воздействии лазерного излучения на многокомпонентные поликристаллические породы
В главе представлены экспериментальные результаты взаимодействия мощного лазерного излучения c тонкими мишенями из андезита.В зависимости от энергии лазерного излучения и толщины мишени возможны два характерных случая откола с образование сквозного канала и без. Исследованы продукты разлета вещества андезитовой мишени из плазменного факела и из откольного кратера с тыльной поверхности мишени. Для изучения вопросов переноса энергии на тыльную поверхность, было экспериментально изучено свечение с тыльной стороны мишени.
Получена оценка скорости разлета вещества с тыльной стороны мишени. 4.1. Экспериментальное исследование кратеров образующихся при взаимодействии лазерного излучения с металлами и многокомпонентными поликристаллическими породами
Уже первые эксперименты по облучению андезитовых мишеней показали, что кратеры измеримой глубины начинают проявляться только при интенсивности лазерного излучения I 1010 Вт/см2. При меньших интен-сивностях на поверхности образцов наблюдаются только следы лазерного ожога, связанного, по-видимому, с испарением адсорбированных поверхностью примесей. Это может объясняться тем обстоятельством, что, в отличие от металлов, диэлектрическая андезитовая мишень имеет относительно небольшой коэффициент поглощения на длине волны 1,054 мкм и, следовательно, значительную глубину проникновения лазерного излучения вглубь образцов. При этом энергии лазерного импульса не хватает для существенного нагрева и плавления (не говоря уже об испарении) поверхностных слоёв мишени. Коэффициент поглощения андезита не представлен в основных литературных справочниках. По этой причине были проведены эксперименты по измерению тонкими 2 мм пластинами андезита пропускания непрерывного лазерного излучения малой интенсивности I 1 мВт/см2, при которой отсутствуют какие-либо тепловые эффекты. Установлено, что пропускание лазерного излучения такими пластинами может достигать нескольких процентов. Несложные оценки показывают, что в этом случае температура поверхности мишени при облучении лазерными импульсами интенсивностью порядка 1012 - 1013 Вт/см2 не превысит нескольких сот градусов. В экспериментах изучались зависимости диаметра и глубины кратера от интенсивности сфокусированного на поверхности мишени лазерного пучка и диаметра фокального пятна. Форма и геометрические размеры кратера определялись как микроскопом Olympus SZX16, так и с помощью механического профилометра Ambios XP200. Точность измерений глубины и диаметра кратера составляла 10 и 12 мкм соответственно.
С ростом интенсивности облучения начинают быстро расти и размеры кратера (результаты измерения приведены на рис. 4.6, 4.7). На них представлены зависимости диаметров Dс и глубин кратеров Hc при различных размерах пятна фокусировки от интенсивности лазерного излучения. Для сравнения на рис. 4.8 приведены аналогичные зависимости для алюминиевой мишени. Следует отметить, что во всех случаях диаметры кратера существенно превышали диаметр пятна фокусировки, что свидетельствует о наличии механизма образования кратера, отличного от простого плавления и испарения материала мишени непосредственно под действием интенсивного лазерного излучения.
Построение упрощенной аналитической модели генерации ударной волны при лазерном воздействии
Результаты, полученные с образованием сквозного канала, показыва ют что сигнал с диода Д3 находится на уровни шумов, с Д2 хорошо детек 107 тируемый с максимальным значением порядка 350 мВ. Учитывая рассуждения (см. выше) о коэффициентах пропускания фильтров Ф2, Ф3 можно сделать важный вывод, что диод Д2 регистрирует видимое излучение на рис. 4.25. Если бы это было греющие излучение (с длиной волны 1,054 мкм), то диод Д3 должен был показать практически такой же уровень сигнала.
Учитывая данные калибровочных сигналов, можно утверждать, что свечение с тыльной поверхности мишени(в видимом диапазоне) в рассматриваемом случае регистрируется через 18 нс от прихода импульса на лицевую поверхность мишени.
Появление свечения может быть связано, с одной стороны, с нагревом за счет объемного характера поглощения в относительно слабо поглощающем (в отличие от металлов) и пористом материале используемой мишени. С другой стороны, возникновение свечения на тыльной стороне мишени может происходить и за счет образования сквозного канала в отколе, вытекания горячей плазмы и разлета осколков материала из откольного кратера под действием импульса абляционного давления. Существенный предпрогрев тыльной стороны мишени из-за генерации быстрых электронов в плазменной короне исключен при интенсивности лазерного излучения I 1011 Вт/см2.
Предположим, что свечение было связано с нагревом за счет объемного характера поглощения. Тогда диод Д3 должен регистрировать сигнал и в случае откола без образования канала. В эксперименте это не наблюдается. Следовательно, можно утверждать о наличии жесткого соответствия появления свечения с тыльной поверхности с образованием откола со сквоз 108 ным каналом.
Появление свечения с тыльной поверхности происходит после образования откола с каналом и разлета осколков материала из откольного кратера. Скорость разлета осколков( Vp) при выходе на свободную поверхность связана со скоростью ударной волны (W) соотношением Vр = +41W [84]. Заметим, что разлет плазмы происходит со скоростью 107 см/с.
Итак, все гидродинамические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения c мишенью (толщиной 400 мкм) и приводящие к появлению свечения с тыльной поверхности, происходят за время равное t = 18 нс. Это означает, что время распространения ударной волны в мишени не превышает t, а значит ее скорость W X/ t, где X- расстояние, которое прошла ударная волна до появления свечения с тыльной поверхности мишени.
Необходимым условием для образования откола является выполнение неравенства X H (см. [84,97] и достижение отрицательным давлением предельного значения, превышающего предел прочности материала. В работе [97] показано, что в случае алюминиевых мишеней существуют два основных механизма деформирования материала, приводящих к его разрушению. Качественно отличие механизмов в том, что в одном случае нагрузка нарастает вплоть до образования откола, во втором происходит быстрое растяжение материала с последующим разрушением при почти постоянной нагрузке [97]. Таким образом, в этих экспериментах, получаем оценку скорости ударной волны 20 км/с.
Для получения более точной информации о скорости разлета осколков мишени из откольного кратера и их характерных размерах необходимо использовать дополнительные диагностики, например метод теневой фотографии с высоким временным и пространственным разрешением. Однако, полученные оценки скорости ударной волны, с учетом удвоения скорости при выходе на свободную поверхность [84], подтверждают разлет вещества из откольного кратера со скоростями более 10 км/с.
Для оценки скорости распространения ударной волны используем результаты экспериментов без образования канала (см. 4.7). Принимая во внимание, что фольга расположена вплотную к мишени, можно считать, что момент разрыва фольги соответствует моменту образования откола и началу разлета материала из откольного кратера.
Откол возникает при выходе фронта ударной волны на свободную поверхность за мишенью и возникновению волны разгрузки, которая распространяется со скоростью звука [84]. Полагая, что до момента образования откола ударная волна проходит расстояние( H - толщина мишени), для мишеней толщиной от 700 до 400 мкм скорость ударной волны W 7 км/с. Такая интерпретация экспериментальных данных согласуется с результатами расчетов 4.4. С учетом удвоения скорости вещества при выходе ударной волны на свободную поверхность для сильной ударной волны получаем скорости разлета частиц из откольного кратера +41W 10 км/с.
Переход к более тонким мишеням( 350 мкм) при сохранении подводимой энергии на уровне 8 Дж дает оценку скорости ударной волны 350мкм/22нс 16 км/с. В статистически представительном числе слу по чаев при описанных выше условиях облучения в мишенях образуется откол со сквозным каналом (см. 4.10). Полученные оценки скорости ударной волны хорошо совпадают с измерениями описанными в разделе 4.8.
Можно утверждать, взаимодействие мощного лазерного излучения при I 1012 — 1013 Вт/см2 c тонкими мишенями из поликристаллического андезита представляет значительный интерес с точки зрения моделирования микрометеоритного удара. Продукты разлета откольного кратера в тонких андезитовых мишенях образуют поток твердых холодных осколков (температура менее 1500 C) размером от 0.1 мкм до 50 мкм и скоростью порядка 10 км/с. Состав андезита [16] очень близок к составу многих метеоритов и марсианской пыли [17].Таким образом, возможно использование потока частиц из откольного кратера для экспериментального моделирования в земных условиях потока микрометеоритов.
Результаты экспериментов, описанных в данной главе, свидетельствуют о том, что продукты разлета из откольного кратера представляют собой поток частиц, который по своему химическому составу, температуре, геометрическим размерам и скорости эквивалентный потоку микрометеоритов в космическом пространстве.