Введение к работе
Настоящая диссертация посвящена исследованию теплофизических свойств плазмы криогенных жидкостей (азота, аргона, криптона и ксенона) и газообразных гелия и дейтерия при их ударном и квазиизэнтропиче-ском сжатиях с использованием конденсированных взрывчатых веществ в областях давлений, достигающих ~ 1500 ГПа.
Цель работы
-
Создание и совершенствование методов генерации и диагностики состояний в плазме с сильным межчастичным взаимодействием.
-
Получение новой и анализ имеющейся информации о кинематических, термодинамических, оптических и электрофизических свойствах сжиженных инертных газов азота, аргона, криптона, ксенона, газообразных водорода, дейтерия и гелия при высоких плотностях внутренней энергии в состояниях, реализуемых при однократном, двукратном и ква-зиизэнтропическом сжатиях в областях давлений до ~ 1500 ГПа.
-
Экспериментальное обоснование, на основе совокупности экспериментальных данных, полуэмпирических уравнений состояния исследуемых веществ в широкой области давлений, достигающей субмегабар-ного диапазона.
Актуальность работы определяется необходимостью разработки представительных уравнений состояния, адекватно оценивающих влияние сильного межчастичного взаимодействия на свойства веществ в труднодоступной для расчетов области неидеальной плазмы высокого давления, образующейся, например, в перспективных энергетических установках. Неидеальная плазма возникает при воздействии на вещество ударных волн, ядерных взрывов, лазерного излучения или корпускулярных пучков. Плазменной неидеальностью определяются свойства веществ в области структурных или фазовых переходов, включая переходы «металл - диэлектрик». Исследование плотной высокотемпературной плазмы важно и для изучения фундаментальных свойств материи, составляющей основу Вселенной.
Данные, полученные в таких исследованиях, необходимы для прогнозирования влияния экстремальных импульсных воздействий на материалы и конструкции и решения широкого круга конкретных задач физики высоких плотностей энергии, связанных с численным моделированием нестационарных гидродинамических процессов, протекающих в условиях интенсивного импульсного энерговыделения.
Практика исследований показывает, что для повышения качества модельных уравнений состояния необходима разработка современных систем генерации и диагностики состояний веществ с высокой плотно-
стью энергии, позволяющих получать надежную экспериментальную информацию о кинематических, термодинамических, оптических и электрофизических свойствах неидеальной плазмы. Настоящая работа отвечает поставленным требованиям.
Научная новизна диссертационной работы
-
На адиабате Гюгонио в жидких азоте, аргоне, криптоне и ксеноне измерены плотности р ~ 4, 5, 7 и 13,5 г/см и температуры 7"~ 56000, 31000, 20000 и 33000 К при давлениях Р « 265, 230, 90 и 233 ГПа соответственно. В ударной волне повторного сжатия в жидком аргоне измерена плотность ~ 7 г/см при давлении 530 ГПа. Впервые исследованы свойства ударно-сжатого жидкого криптона. Полученные данные, по исследованному диапазону давлений и температур, в 2-3 раза превосходят результаты зарубежных ученых, что и определяет новизну проведенных экспериментов.
-
При квазиизэнтропическом нагружении измерено сжатие:
- жидких аргона и ксенона до плотностей р ~ 9 г/см и р ~ 20 г/см
при давлениях Р ~ 1000 ГПа и Р~ 700 ГПа соответственно. Анализ дан
ных позволяет утверждать об отсутствии аномальной сжимаемости ар
гона до давлений Р ~ 1000 ГПа и ксенона до Р ~ 200 ГПа.
- газообразного дейтерия до плотности р ~ 3 г/см при давлениях
сжатия Р ~ 500 ГПа. В неисследованном ранее диапазоне давлений
Р ~ 127-S-154 ГПа зафиксирован скачок плотности сжатого дейтерия
Арф « 20 %.
3. Впервые в России на адиабате Гюгонио в газообразном гелии,
имеющем начальную плотность, равную его плотности в жидком состоя
нии р0 -0,124 г/см , измерены плотность р ~ 0,8 г/см и температура
Т « 50000 К при давлении Р « 100 ГПа.
4. Измерена электропроводность плазмы ударно-сжатых сжиженных
благородных газов до G-10 (Омм) в области давлений ударного
сжатия до Р ~ 100 ГПа. Зарегистрирован эффект резкого (порогового) роста проводимости в аргоне, криптоне и ксеноне, вызванный «ионизацией давлением».
5. Впервые в динамическом эксперименте измерена электропро
водность квазиизэнтропически сжатого газообразного водорода
G~550 (Ом-см) при давлении Р~ 1500 ГПа. Полученное значение удовлетворительно согласуется с оценками «минимальной металличе-
ской» проводимости диэлектриков в условиях сильного межчастичного взаимодействия.
6. Измерен коэффициент отражения света от фронта плоской ударной волны в жидких криптоне и ксеноне R -13 и 20 % при давлениях Р ~ 76 и 68 ГПа соответственно. Полученные данные указывают на зеркальность фронта ударной волны в криптоне и ксеноне при исследованных давлени-
_*7
ях с величиной размытия не более 7 10 см. Ранее такие эксперименты с криогенными жидкостями в мегабарной области давлений не проводили, что и определяет их новизну.
Практическая и теоретическая значимость диссертации
-
Разработаны оригинальные экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии для генерации ударных волн в мегабарной области давлений и современный оптический метод для диагностики сильно сжатых высокотемпературных состояний в сжиженных инертных газах, газообразных дейтерии и гелии. Полученные для сжиженных газов данные, по исследованному диапазону давлений и температур, в 2-3 раза превосходят результаты зарубежных ученых, являются оригинальными, соответствуют достигнутому мировому уровню и вносят значительный вклад в развитие физики высоких плотностей энергии.
-
Важность исследований свойств дейтерия обусловлена тем, что он является основным компонентом ряда термоядерных энергетических установок и его сжимаемость существенно влияет на параметры их надежности и энерговыделения. Зарегистрированный скачок плотности на 20 % при квазиизэнтропическом сжатии газообразного дейтерия в диапазоне давлений 125-154 ГПа указывает на необходимость проведения дальнейших углубленных исследований свойств дейтерия в этой области давлений.
-
Исследования свойств плазмы гелия в мегабарной области давлений составляют основу для оценки сравнительной сжимаемости гелия и дейтерия, что имеет непосредственное отношение к анализу данных тестовых экспериментов на термоядерных энергетических установках, которые проводятся, как правило, заменой изотопов водорода на гелий. Такой подход требует прямого экспериментального подтверждения либо эквивалентности, либо разницы в сжимаемости этих газов.
-
Приведенные в диссертации данные опубликованы во многих научных изданиях и используются в ведущих научных центрах России: в РФЯЦ-ВНИИЭФ, Объединенном институте высоких температур РАН, Институте химической физики им. Н. Н. Семенова, институте проблем химической физики РАН (г. Черноголовка) для тестирования уравнений состояния плазмы в состояниях с высокой концентрацией энергии в диапазоне ультравысоких давлений до 1000 ГПа.
Личный вклад соискателя. Материал, представленный в диссертации, получен при непосредственном участии автора в формировании направлений исследований, составлении технических заданий на исследование свойств веществ, разработку оригинальных конструкций плоской, цилиндрической, полусферической геометрии и методик диагностики высокотемпературных сильно сжатых сред, в постановке и проведении экспериментальных исследований, обобщении, интерпретации и представлении полученных результатов.
Достоверность и надежность экспериментальных результатов автора обоснована комплексным подходом к получению и анализу экспериментальных данных с одновременным (как правило) использованием совокупности методик: рентгеновской, электроконтактной, пирометрической и электрофизической. Кроме того, полученные результаты согласуются с отдельными экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями в области их применимости, выполненными другими авторами, и опубликованными в литературе. Расчеты экспериментальных устройств выполнены по газодинамическим программам, принятым для использования в РФЯЦ-ВНИИЭФ. При анализе полученных данных использовались программы и уравнения состояния, разработанные сотрудниками РФЯЦ-ВНИИЭФ и других ведущих научных центров России: ИПХФ РАН, МФТИ-ГУ, ОИВТ РАН.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработаны оригинальные экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии для генерации сильно сжатых высокотемпературных состояний и современные средства диагностики для исследования свойств сжиженных инертных газов, газообразных дейтерия и гелия при их ударном и квазиизэнтропическом сжатиях в области давлений, достигающей ~ 1500 ГПа.
-
На основе созданной лабораторной техники и методик получен комплекс новых экспериментальных данных для исследованных веществ в экстремальных условиях: по плотности до р ~ 20 г/см , температуре
д,оТ~ 56000 К, электропроводности до G ~ 10 (Ом м) и скорости звука до С ~ 8 км/с, который использован для:
а) тестирования модельных уравнений состояния благородных газов,
гелия и дейтерия в области уникально высоких плотностей до р ~ 20 г/см
и давлений до Р~ 1000 ГПа;
б) экспериментального обоснования:
«холодной» ионизации благородных газов давлением;
отсутствия аномальной сжимаемости аргона до Р~ 1000 ГПа;
наличия структурного перехода в ксеноне при давлениях выше Р=200ГПа;
скачка плотности на ~ 20 % в газообразном дейтерии при квазии-зэнтропическом сжатии в области давлений 125-154 ГПа, предсказанного по результатам первопринципных и полуэмпирических расчетов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ (отчеты, тезисы, статьи, доклады). Результаты, представленные в настоящей работе, докладывались на совещаниях по теплофизическим свойствам веществ (ТСВ), проводимых во ВНИИЭФ, ВНИИТФ и Институте прикладной математики (ИПМ, г. Москва), на научно-координационных сессиях «Исследования неидеальной плазмы» в 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг., на международных конференциях по ударным волнам в конденсированных средах "Shock Compression of Condensed Matter": Сиэтл-1995, Варшава-1995, Амхерст-1997, С-Петербург-1998, 2000 и 2002 гг., Сноуборд-1999, Атланта-2001, Портленд-2003, Балтимор-2005, на конференциях - Joint 20 AIRAPT-43th EHPRG Conference on Science and Technology of High Pressure - 2005 (Карлсруэ, Германия) и SCCM-2005 (Москва), а также на международных конференциях: III, V, VII и IX Харитоновские тематические научные чтения (г. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ -2001, 2003, 2005 и 2007 гг.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников, который содержит 224 работы. Текст изложен на 220 страницах, включает 110 рисунков и 15 таблиц.
