Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Значительный интерес к исследованию свойств плотной низкотемпературной плазмы обусловлен с одной стороны общефизическим интересом к новым явлениям, возникающим при переходе от идеально газового к плотному состоянию вещества, а с другой стороны потребностями современной техники и технологии. В значительной степени всплеск исследований свойств плотной низкотемпературной плазмы был обусловлен проектом создания газофазного ядерного реактора, в котором рабочее" тело и плазма паров урана должны находиться при давлении до сотни атмосфер и при температуре в несколько десятков тысяч градусов.
С общефизической точки зрения значительную роль сыграла
идея о возможном плазменном фазовом переходе. Эта идея
стимулировала многочисленные теоретические и
экспериментальные исследования.
В настоящее время можно отметить определенный рост
интереса к исследованию свойств плотной плазмы связанный с
астрофизическими проблемами внутризвездного состояния
вещества, проблемой получения металлического водорода и
следовательно поиску его критических параметров;
непрекращающимся интересом к окрестности критической точки
практически всех металлов и в особенности щелочных;
реализацией ряда перспективных проектов управляемого
термоядерного синтеза и т. д. Кроме этого значительный интерес к
исследованию физических свойств неидеальной
низкотемпературной плазмы связан с различными прикладными проблемами: разработкой и применением импульсных источников энергии, проблемой перспективных МГД генераторов, импульсной обработкой материалов и т. д.
Следует признать, что потребность в надежных и аппробированных методах расчета термодинамических и кинетических характеристик плазмы в максимально широком диапазоне параметров в последнее время заметно возросла
поскольку в настоящее время на первый план выходят методы математического моделирования физических процессов, происходящих в ряде перспективных энергетических и других устройств с высокими плотностями энергии, создание которых требует очень высоких затрат.
К числу наиболее важных проблем физики плазмы можно отнести расчет ее термодинамических функций, состава и электропроводности. Знание этих величин позволяет замкнуть систему уравнений газовой динамики, рассчитывать особенности поведения плазмы при взаимодействии с различными потоками энергии. Расширение границ применимости идеально газовых приближений связан с учетом взаимодействия между частицами плазмы. Успех теоретических исследований свойств плазмы в условиях, когда взаимодействие частиц не является малым обусловлен наличием экспериментальных данных, полученных как в физических так и численных экспериментах.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является теоретическое исследование влияния
сильного межчастичного взаимодействия на термодинамические и
переносные свойства плотной атомарной и атомарно-молекулярной
плазмы с использованием развиваемых в работе аналитических
методов, лежащих вне рамок традиционной теории возмущений.
Создание на основе проведенных исследований комплекса
широкодиапазонных методов расчета термодинамических функций,
состава и кинетических коэффициентов плотной
низкотемпературной плазмы различных элементов с учетом взаимодействия всех частиц плазмы. Аппробация предложенных методов на имеющихся результатах физических и численных экспериментов. Проведение расчетов термодинамических и переносных свойств плотной низкотемпературной плазмы для условий представляющих практический интерес. ДОСТИЖЕНИЕ ЭТИХ ЦЕЛЕЙ ПОТРЕБОВАЛО:
-
В методе исходных частиц учесть влияние кулоновского взаимодействия на термодинамические функции атомарной плазмы с выходом за рамки полученных ранее методами теории возмущений результатов.
-
Для решения задачи о расчете состава неидеальной плазмы выполнить исследование распределения электронов по энергиям -плотности состояний, особенно промежуточной между свободными и связанными состояниями области, которая с ростом неидеальности испытывает наибольшие изменения. На основе
данного исследования развить традиционные способы расчета состава неидеальной плазмы.
3. Построить серию широкодиапазонных уравнений
состояния для атомарной и атомарно-молекулярной плазмы
различных элементов, описывающих в пределах их области
применимости переход от конденсированной к ионизованной
фазам вещества и учитывающих взаимодействие между всеми
частицами плазмы.
-
Решить уравнение Больцмана для полностью ионизованной плазмы, с использованием короткодействующего потенциала взаимодействия между зарядами, так называемого muffin-tin потенциала, который можно рассматривать в качестве альтернативы дебаевскому потенциалу в той области параметров, где нарушаются основные предположения дебаевской теории.
-
Решить уравнение Больцмана для частично ионизованной плазмы и на этой основе выполнить исследование точности различных приближенных формул расчета проводимости плазмы на примере плазмы инертных газов.
-
На основе проведенных исследований провести сравнение с прямыми результатами экспериментов по измерению термодинамических и переносных характеристик неидеальной плазмы, уделяя главное внимание их одновременному сравнению. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
-
Предложено новое каноническое преобразование для исследования систем, в которых происходят процессы диссоциации и ассоциации частиц. Это преобразование является обобщением канонического преобразования Н.Н. Боголюбова на случай конечных температур. Вариационным методом учтено влияние кулоновского взаимодействия на термодинамические функции атомарной плазмы с выходом за рамки ранее полученных вириальными методами результатов.
-
Получена плотность состояний электрона в атомарной плазме, описывающая непрерывный переход от связанных состояний к свободным. При этом предложен новый вариант группового разложения для функций распределения микропотенциала плазмы, особенностью которого является явное выделении взаимодействия пробной частицы с ближайшим соседом.
3. Впервые в теории атомарной плазмы рассмотрены
корреляционные электрон-ионные пары с положительной энергией
относительного движения. Предложена новая схема разделения
электронных состояний в плазме, на основе которой развиты модели, заметно расширяющие границы применимости традиционного дебаевского приближения.
-
Построена серия широкодиапазонных термодинамических потенциалов учитывающая все виды взаимодействия в низкотемпературной плазме. При этом для учета сильного взаимодействия между зарядами использовано представление об электрон-ионных парах, а для сильного взаимодействия между тяжелыми частицами -приближение Ван-дер-Ваальса ( притяжение между частицами учитывается в приближении второго вириального коэффициента, а отталкивание в приближении исключенного объема ). Уравнение состояния, полученное на основе таких термодинамических потенциалов аналитически описывает состояния вещества от конденсированного ( Ван-дер-Ваальсовская жидкость ) до плазменного.
-
На основе предложенных термодинамических потенциалов проведены массовые расчеты термического и калорического уравнения состояния плазмы инертных газов, щелочных и простых металлов. Проведено сопоставление с имеющимися экспериментальными данными.
-
Получено решение уравнения Больцмана в четвертом приближении Чепмена-Энскога для полностью ионизованной плазмы, в которой частицы взаимодействуют посредством короткодействующего кулоновского потенциала. На основе этого решения найдены электронные коэффициенты переноса.
-
С использованием несимметричной модификации метода Чепмена-Энскога численно решено уравнение Больцмана для частично ионизованной плазмы. Проведено исследование точности широко используемых приближенных формул для электропроводности плазмы с использованием реальных сечений рассеяния электронов на атомах путем сопоставления расчетов по ним с результатами, полученными на основе решения уравнения Больцмана. Проведено сопоставление с имеющимися экспериментальными данными.
8. Выполнен расчет уравнения состояния состава и
проводимости неидеальной плазмы паров воды с учетом
кулоновской неидеальности в широком диапазоне параметров, где
эти данные ранее отсутствовали.
1. Каноническое преобразование предложенное в работе
можно использовать при исследовании термодинамических и
кинетических свойств систем, в которых возможно образование
связанных состояний.
2. Развитый метод группового разложения функций
распределения при явном выделении взаимодействия с ближайшим
соседом можно использовать в теории уширения спектральных
линий, теории растворов сильных электролитов, т.е. там, где
приближение ближайшего соседа используется в качестве первого
приближения.
3. Введенное представление об электрон-ионных парах с
положительной энергией относительного движения может
оказаться полезным в кинетической теории плазмы и газов для
приближенного учета тройных столкновений.
4. Предложенные в работе различные варианты
широкодиапазонных термодинамических потенциалов будут
полезны при математическом моделировании процессов,
протекающих в перспективных энергетических установках и для
обработки экспериментальных данных.
5. Полученные в работе решения уравнения Больцмана для
полностью и частично ионизованной плазмы позволят вести
расчеты ее переносных характеристик с контролируемой
точностью и могут служить основой приближенных методик.
6. Развитая методика и результаты расчета уравнения
состояния, состава и электропроводности плазмы инертных
газов.паров воды и металлов могут быть использованы для
моделирования процессов, происходящих при электроразряде в
воде и других конденсированных средах, взрыве металлических
проволочек, при прохождении ударных волн и для других
процессов, где происходит концентрация большой энергии в
веществе.
1. Каноническое преобразование для выделения связанных
состояний из гамильтониана для исходных частиц. Уравнение
состояния полученное вариационным методом с использованием
канонического преобразования.
2. Групповое разложение функции распределения потенциала
в плазме с явным выделением взаимодействия с ближайшим
соседом. Полученную на основе этого приближения плотность
состояний электрона в атомарной плазме, аналитически
описывающую переход от связанных состояний к свободным и рассчитанные на ее основе концентрации частиц в различных интервалах энергии.
3. Предложенную в работе модель новых квазичастиц -
электрон-ионных пар с положительной энергией относительного
движения.
4. Серию широкодиапазонных термодинамических
потенциалов и полученных на их основе термических и
калорических уравнений состояния, а также уравнений
ионизационного равновесия, описывающих состояния вещества от
конденсированного до плазменного.
-
Результаты расчета термодинамических функций и состава плазмы инертных газов, паров металлов, паров воды и сравнение расчетов с имеющимися экспериментальными данными.
-
Решение уравнения Больцмана для полностью и частично ионизованной неидеальной атомарной плазмы, а также основанные на этих решениях приближенные формулы для массовых расчетов.
-
Результаты расчетов проводимости плазмы инертных газов и плазмы паров воды в широком диапазоне внешних параметров и результаты сравнения этих расчетов с имеющимися экспериментальными данными.
АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты, полученные в диссертации,
докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции по
свойствам веществ при высоких температурах (Одесса,1971);
III, IV, VII, VIII Всесоюзных конференциях по физике
низкотемпературной плазмы (Москва, 1971; Киев, 1975;
Ташкент, 1987; Минск,1991); Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995); XIV и XX Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах ICPIG (Минск,1981; Пиза.1991); 111,1V Всесоюзных научно-технических конференциях по электрическому разряду в жидкостях и его применению в промышленности; Всесоюзных школах "Физика импульсных процессов в конденсированных средах" в период 1982-1995 гг.; сессиях по физике неидеальной плазмы- Научного совета РАН "Физика низкотемпературной плазмы" в период 1985-1994 гг.(Москва).
ПУБЛИКАЦИИ. Список публикаций содержит 55 работ. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных работ, автор принял участие в подготовке монографии "Transport and optical properties of nonideal plasmas", New-York, Plenum Press, 1995.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, шести глав, содержащих оригинальные результаты и заключения, содержит 321 страницу машинописного текста, включает 45 рисунков, 13 таблиц и 210 наименований литературы.
