Теплофизические процессы в инертных газах при воздействии жесткого ионизатора Тюкавкин, Андрей Викторович

Введение к работе

Актуальность темы - Теплофизика низкотемпературной плазмы, образуемой жестким ионизатором - интенсивно развеивающаяся область науки и техники. Одним из ее направлений является исследование процессов, протекающих в средах газовых лазеров, где жесткий ионизатор используется либо непосредственно как источник накачки, либо как предыонизатор или стабилизатор электрического разряда. Основными параметрами лазерных систем являются выходная мощность и к.п.д., которые могут быть оптимизированы только с использованием знания детальной кинетики рабочих сред. Свойства плазмы, возникающей при воздействии на газовые среды электронных и ионных пучков, осколков деления ядерных реакций, остаются еще недостаточно изученными. Важнейшей универсальной характеристикой такой плазмы, определящей большую часть ее свойств, является функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Нахождение этой функции позволит дать более полное описание теплофизических процессов в низкотемпературной плазме, точнее определить выходные параметры лазеров, увеличить эффективность экспериментов по разработке устройств, использующих высокоэнергетические пучки заряженных частиц.

Цель работы - Разработка методик расчета теплофизических процессов, протекающих при торможении высокоэнергетических потоков ионов и электронов в инертных газах.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. - Определить физические механизмы торможения потоков высокоэнергетических многозарядных ионов и электронов;

2. - Разработать методику численного расчета нестационарного кинетического уравнения для электронов при возбуждении инертных газов потоками ионов;

3. - Провести анализ результатов численного расчета, сравнить их с экспериментальными данными, определить к.п.д. лазеров с накачкой жестким ионизатором;

4 - Разработать методику расчета распределения энерговклада в закрытых кюветах с накачкой потоками ионов - осколками деления ядерных реакций.

Научная новизна работы заключается в том,что впервые построена модель теплофизических процессов при накачке газовой среды потоками ионов - осколками деления ядерных реакций. Составлено и решено нестационарное кинетическое уравнение для электронов с учетом процессов ионизации, возбуждения, электрон-электронных и электрон-атомных столкновений. Определены энергии образования одной электрон-ионной пары и возбужденных атомов в гелии в зависимости от начальной энергии и массы высокоэнергетических ионов. Найдена функция распределения в области высоких энергий для электронного потока при различных видах взаимодействия со средой. Разработан метод расчета распределения энерговклада для плоскопараллельных и цилиндрических кювет, определены теплофизические характеристики газовых сред при накачке продуктами ядерных реакций.

Практическая ценность работы. С использованием предложенных методик определены доли энергии, идущие на различные степени свободы низкотемпературной плазмы, образуемой пучками частиц, концентрация и температура электронов, что является существенным при разработке лазерных систем. Расчитан максимальный внутренний к.п.д. и энергетическая эффективность лазеров с ядерной накачкой.

Достоверность полученных результатов заключается в том, что
предлагаемые модели основаны на известных физических

принципах. Результаты согласуются с опубликованными ранее экспериментальными и теоретическими исследованиями.Теоретические и численные расчеты проведены с использованием современных математических методов и хорошо отработанных пакетов программ.

На защиту выносятся :
1. Модель теплофизических процессов, протекающих в
низкотемпературной плазме, образованной пучками

*

высокоэнергетических частиц, осколков деления ядерных реакций. Вид кинетического уравнения для функции распределения электронов по энергиям с учетом процессов ионизации, возбуждения, электрон-электронных и электрон-атомных столкновений при накачке потоками ионов-продуктами ядерных реакций;

2. Результаты численного расчета нестационарного кинетического уравнения для электронов в гелии с учетом процессов ионизации, возбуждения,электрон-электронных и электрон-атомных столкновений при накачке потоками ионов - продуктами ядерных реакций;

3. Спектральная скорость образования первичных электронов при воздействии на газ потоков многозарядшх ионов;

4. Энергии образования электрон-ионных пар и возбужденных состояний атомов в зависимости от начальной энергии и массы ионов;

5. Для торможения электронного пучка в газах - аналитический вид функции распределения электронов в области высоких энергий;

6. Метод и результаты расчета распределения энерговклада в
газовых средах при накачке продуктами ядерных реакций.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I, II, III и IV Межгосударственных Симпозиумах по радиационной плазмодинамике,конференциях Физического общества ЦНИИМАШ.

Публикации . Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях и одной монографии.

Структура и объем диссертации. Диссетация состоит из введения, трех глав и заключения. В работе страниц основного текста 96 , страниц с иллюстрациями- і. ОІ, таблиц 2- . список литера туры, включающий ^ 7 наименований.