Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Кулиш, Михаил Иванович

• Кулиш, Михаил Иванович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кулиш, Михаил Иванович

Оглавление

Введение

Глава 1 Компактные взрывные генераторы

Введение

1.1 Компактный линейный взрывной генератор

- взрывная ударная труба

1.2 Модифицированный генератор плазмы с конической проставкой

1.3 Генератор Войтенко

1.4 Кумулятивные взрывные генераторы плазмы

1.5 Устройство кумулятивного взрывного генератора плазмы

1.6 Способы измерения параметров потока

Глава 2 Тормозные потери в плотной плазме

Введение

2.1 Торможение ионов в веществе

2.2 Экспериментальная установка для экспериментов с протонами

2.3 Результаты измерений торможения протонов

2.4 Экспериментальная установка для экспериментов

с тяжелыми ионами

2.5 Результаты измерений торможения и зарядового

состава тяжелых ионов

Глава 3 Оптические свойства плазмы инертных газов и металлов

Введение

3.1 Техника эксперимента

3.2 Результаты экспериментов с плазмой аргона

3.3 Результаты экспериментов с плазмой ксенона

3.4 Сдвиг и уширение линий алюминия

3.5 Образование плазмы при выходе ударной волны на свободную

поверхность

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы»

Введение

Настоящая диссертация посвящена исследованиию влияния сильного кулоновского взаимодействия на тормозную способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы.

Актуальность. Проявляемый сейчас интерес к экстремальным состояниям вещества и неидеальной плазме вызван множеством причин, из которых можно выделить две основные. Во-первых, исследования плазмы с сильным межчастичным взаимодействием расширяют фундаментальные представления о веществе в природе, поскольку плазма является наиболее распространенным состоянием вещества во Вселенной. Во-вторых, совокупность проводимых исследований имеет большое практическое значение для таких областей, как атомная энергетика, управляемый термоядерный синтез, безопасность ядерных реакторов, оборонный комплекс, синтез сверхпрочных материалов, плазменные технологии [1]. Для неидеальной плазмы с сильным межчастичным взаимодействием и сравнительно невысокой температурой параметр неидеальности Г, равный отношению энергии кулоновского взаимодействия частиц к термической энергии, превышает единицу, Г>1 [2]. Физические свойства плазмы упрощаются в двух предельных случаях: при высоких температурах и низкой плотности можно применять модель квазиидеальноой плазмы Дебая-Хюккеля, при сверхвысоких давлениях, когда внутренние уровни атомов сдавлены, возможно применение теоретической модели Томаса-Ферми. В случае Г>1 плазма сложна для теоретического описания, так как статистика электронной подсистемы занимает промежуточное положение между статистиками Больцмана и Ферми. Таким образом, в интересующей нас области фазовой диаграммы теоретические модели находятся на границе или за границей применимости, и эксперимент является необходимым способом проверки теории [1].

К ключевым экспериментальным проблемам можно отнести проблему генерации в лаборатории состояний вещества с точно измеряемыми термодинамическими параметрами [1]. Актуальным решением этой проблемы является применение взрывных генераторов плазмы, в которых динамическим методом создаются однородные стационарные области ударно-сжатого вещества.

Целью работы является исследование влияния сильного кулоновского взаимодействия на тормозную способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения с основными результатами работы.

Во введении описана структура диссертации.

Первая глава содержит описание ряда конструкций компактных взрывных генераторов и результатов их испытаний. Компактные взрывные генераторы отличаются тем, что масса взрывчатого вещества в них ограничена величиной т~100г. Эти генераторы предназначены для использования совместно с малогабаритной взрывной камерой диаметром (1»\м, которая встраивается в ускорительную линию для проведения экспериментов по торможению ионов в плотной взрывной плазме.

В главе описаны конструкции генераторов: линейная взрывная ударная труба, взрывная ударная труба с конической вставкой, генератор Войтенко, кумулятивные взрывные генераторы плазмы. Приведены результаты фотохронографирования испытываемых конструкций и результаты импульсных рентгеновских съемок. Для кумулятивного генератора проведены измерения температуры плазмы и измерения давления в плазме. Приведены оценки удельной внутренней энергии вещества плазмы, достигающей величин порядка мегаджоуль на грамм.

Вторая глава содержит рассмотрение торможения быстрого иона в веществе на основе приближений Бора, Бете и Блоха. На основе классических представлений о столкновении частиц рассмотрены основные процессы, которые происходят с наибольшей вероятностью и при которых осуществляется

наибольшая передача энергии, и приведено выражение для потерь энергии иона в плазме через прицельный параметр Ь. Приведены выражения для минимального значения переданного импульса в квантовом и классическом случаях и значение безразмерного параметра П, разделяющего области классического и квантового представления кулоновского рассеяния. Дано определение понятия эффективного заряда иона и рассмотрено его влияние на величину тормозных потерь.

Далее в главе дано описание установки по измерению тормозных потерь протонов, реализованной на ускорителе НЧУ ИСТРА-36, расположенном в ИТЭФ. Приведено описание основных элементов конструкции и описание компактных взрывных генераторов, применявшихся в экспериментах. Описаны применявшиеся методы измерения энергии ионов. В главе приведены основные результаты измерения торможения протонов в плотной плазме, обсуждаются результаты измерений и делается вывод о возможном влиянии плазменной неидеальности на зависимость тормозных потерь от плотности плазмы.

Описана конструкция экспериментального стенда, примененного для измерения потерь энергии тяжелых ионов на ускорителе 1ЛЧ1ЬАС в С81 (Дармштадт, Германия). Рассмотрена конструкция модифицированного для экспериментов с тяжелыми ионами компактного взрывного генератора. Приведены результаты измерений потерь энергии ионов углерода, аргона и ксенона с начальной энергией Е = 5.9 МэВ/ нуклон и Е = 11.4 МэВ / нуклон. Обсуждается влияние эффктивного заряда быстрого иона на полученные результаты. В результате анализа экспериментальных данных сделан вывод о том, что величина тормозных потерь тяжелых ионов в пределах точности эксперимента соответствует величине потерь в идеальной плазме.

Третья глава содержит результаты экспериментов по оптическим свойствам плотной неидеальной плазмы аргона и ксенона и плазмы металлов, полученные с использованием высокоскоростных методик измерения. В главе содержится описание экспериментального измерительного стенда, взрывного генератора и экспериментальной сборки. Для аргона получены коэффициенты поглощения плазмы в диапазоне плотностей числа электронов

2*10|9см~3 <Л^ < 1*1020слГ3 в видимой и ИК-области. Полученные данные сравниваются с результатами других экспериментов. Обсуждается наблюдающееся расхождение в данных разных экспериментов. Делается вывод об отсутствии эффекта нереализации верхних уровней атома аргона в плотной плазме.

Для ксеноновой плазмы исследованная область была расширена почти на порядок по плотности числа электронов. Впервые получены коэффициенты поглощения ксенона в области <2*Ю20сл«"3. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с данными других авторов на основе сравнения безразмерного ^-фактора Бибермана-Нормана [3]. В диапазоне 2*1018 Мсмъ < /V, <3*10191/см3, когда основную долю в составе плазмы составляет

нейтральный атом Хе1, величина ^-фактора в среднем снижается при параметре неидеальности Г~1. Сделан вывод о частичной нереализации верхних уровней атома ксенона.

Приведена спектральная зависимость ^-фактора атома ксенона для ряда плотностей плазмы. Показаны спектры иона Хе11 и их эволюция с ростом плотности плазмы.

Рассмотрены явления, связанные с выходом ударной волны на свободную поверхность металла. Выход ударной волны на свободную поверхность металла вызывает образование потока мелкодисперсных частиц, микрокумулятивных струй и плазмы. Исследована плазма алюминия в смеси с ксеноном, полученная таким образом. Приведены штарковские уширение и сдвиг линий и сравнение полученных результатов с теорией. Показано, что при больших плотностях уширение и сдвиг линий меньше теоретических.

Экспериментально обнаружено, что при выходе волны из ударно нагруженного образца в процессе его разгрузки помимо пылевого потока образуется плазма металла. Приведены описание постановки и результаты экспериментов по генерации плазмы меди при выходе ударной волны на свободную поверхность мишени. Генерация медной плазмы происходила при

разгрузке медной мишени в вакуум или атмосферу гелия. Описаны результаты измерения температуры плазмы меди, полученной из соотношения интенсивности излучения спектральных линий атомарной меди методом графиков Больцмана. Делается вывод о том, что измеренная температура превышает температуру буферного газа (гелия) и температуру ударно-сжатой меди. Приведена оценка скорости движения потока плазмы, которая оказывается высокой и составляет величину не менее 10 км/с.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Практическая ценность разработанных компактных взрывных генераторов заключается в возможности их использования совместно с малогабаритными взрывными камерами в тех случаях, когда это необходимо, например, для экспериментов с ионными пучками.

Экспериментальные данные по тормозной способности плотной неидеальной плазмы имеют практическое значение для разрабатываемых проектов по ионному термоядерному синтезу и для верификации теоретических моделей, описывающих торможение быстрых ионов в плотной плазме.

Данные по оптическим свойствам взрывной плазмы, по параметрам уширения и сдвига линий имеют практическую значимость для диагностики плотной плазмы оптическими методами и сравнения с моделями распределения микрополей в неидеальной плазме.

Практическая ценность работы определяется использованием полученных разработок и методик для решения экспериментальных задач в ИПХФ РАН, ИТЭФ, Институте тяжелых ионов (081, Германия).

Научная новизна состоит в следующем: исследовано влияние сильного кулоновского взаимодействия на тормозную способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы с помощью разработанных взрывных генераторов плотной неидеальной плазмы. Исследованная область параметров по плотности числа электронов расширена на порядок в сторону увеличения плотности и повышения параметра неидеальности Г. Изучены тормозные потери быстрых ионов в плазме при параметре неидеальности Г~1. Проведено измерение коэффициентов

поглощения плотной плазмы ксенона при коэффициенте поглощения, приближающемся к 2000 см'1. Обнаружено образование плазмы металла с температурой -1 эВ при выходе ударной волны на свободную поверхность.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработка ряда компактных взрывных генераторов плотной неидеальной плазмы для использования их в экспериментах на ускорителях ионов. Удельная внутренняя энергия ударно-сжатого вещества может достигать величин мегаджоули на грамм.

2. Измерения потерь энергии протонов в плотной неидеальной плазме ксенона и тяжелых ионов в плотной неидеальной плазме аргона.

3. Измерения коэффициентов оптического поглощения в неидеальной плазме ксенона до плотности числа электронов Ые=2 *1О20см~3 , проведенные впервые.

4. Отклонение штарковских величин уширения и сдвига спектральных линий в плотной плазме от модели идеальной плазмы. Отличие в меньшую сторону может достигать двукратной величины.

5. Образование плазмы металла при выходе ударной волны на свободную поверхность ударно-сжатой металлической мишени. Температура плазмы порядка 1 эВ.

Личный вклад автора. Лично автором или при его непосредственном участии осуществлялись постановка и обоснование задач работы. Лично автором подготавливались экспериментальные сборки для взрывного эксперимента и при его непосредственном участии проводились взрывные эксперименты. Примененные экспериментальные стенды и основные методики проведения экспериментов создавались и разрабатывались при личном участии автора. Автором были созданы программы для обработки данных скоростной пирометрической методики для оптических измерений и для обработки данных

времяпролетной методики измерения тормозных потерь ионов. Экспериментальные данные по торможению протонов получены в ходе совместной работы с Голубевым А. А. (ИТЭФ, Москва), данные по торможению тяжелых ионов в плотной аргоновой плазме получены совместно с К. Вайрех (K.Weyrich, GSI, Дармштадт). Импульсное рентгенографирование проводилось в компании «Dynamit Nobel».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 1995), Международной конференции «International Conference of the Physics of Strongly Coupled Plasmas» (Binz, Germany, 1995), XI Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Нальчик, 1996), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Терскол, 1997 и 1998), Международной конференции «XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Toulouse, 1997), Международном симпозиуме «12th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion» (Heidelberg, Germany, 1997), Международном симпозиуме «14th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion» (Москва, 2002), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2001, 2003 и 2005), Международной конференции «Strongly Coupled Coulomb Systems» (Москва, 2005), Международном совещании «12th International Workshop on the Physics of Non-Ideal Plasma» (Darmstadt, Germany, 2006), Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2002, 2006 и 2010), Международной конференции «Shock Compression of Condensed Matter» (Amherst, 1997; Chicago, 2011), Международной конференции «Shock Waves in Condensed Matter» (Kiev, 2012) а также на научных семинарах ИПХФ РАН, ИТЭФ, GSI (Дармштадт).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ [4-19], в том числе 9 - в журналах, рекомендованных ВАК [4,7-9,12-14,18,19].

Глава 1

Компактные взрывные генераторы

Введение

Создаваемые взрывом мишени весьма привлекательны для изучения процессов взаимодействия ионного пучка с плазмой. Дело в том, что создание плотных плазменных мишеней с электронной концентрацией Ne> 10201/см3 наталкивается на значительные трудности при использовании традиционной техники, в то время как использование энергии взрыва позволяет решить эту проблему. Кроме того, полученные с помощью взрывных систем плазменные сгустки отличаются высокой однородностью и достаточно хорошей изученностью параметров. Привлекательным при проведении пучковых экспериментов выглядит и отсутствие сильных электромагнитных полей, которые возникают при получении плазмы с помощью разряда в газе или в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой.

Большинство разработанных взрывных генераторов плазмы содержит более 1 кг взрывчатого вещества большой мощности, производя при работе ионизированную плазму с температурой 1-10 эВ, Р = 1-200 кбар,

19 /~\22 3

пе>(10 - 1и ) 1/см и параметром неидеальности Г =1-5. Для использования стандартных взрывных генераторов плазмы в комлексе с ускорителем частиц необходимо создавать сложные, больших размеров взрывные камеры, способные при работе с зарядами большой мощности защищать оборудование ускорителей, при этом попутно решая проблему подвода ионного пучка к создаваемой плазменной мишени. В качестве первого шага на пути решения этой проблемы было предложено использование компактных металлических вакуумируемых взрывных камер, расчитанных на взрыв небольших (< 150 г) зарядов.

Именно для этих целей и были разработаны и испытаны несколько модификаций взрывных генераторов плазмы, представленных в настоящей работе. В подобных устройствах плазма создается либо за фронтом мощной ударной волны, возникающей при детонации взрывчатых веществ, либо торможением высокоскоростного потока, полученного при взрывном обжатии материала внутренней облицовки заряда.

Эти генераторы специально предназначались для использования в вакуумируемой взрывной камере с быстродействующими клапанами для пропускания пучка частиц от ускорителя протонов и тяжелых ионов. Для предварительного уточнения свойств взрывных генераторов плазмы проводились специальные экспериментальные исследования и численное моделирование по сжатию газов ударной волной. Путем этих усилий была доказана возможность создания компактных линейных и кумулятивных взрывных генераторов плазмы со скоростями ударной волны и потока 6-50 км/с при относительно небольшой массе заряда взрывчатых веществ (30-150 г). С использованием подобных устройств экспериментально был исследован эффект влияния сильного межчастичного взаимодействия на тормозящую способность сильно ионизированной плазмы при торможении протонов [4] и тяжелых ионов [16,17].

1.1 Компактный линейный взрывной генератор -взрывная ударная труба

На Рис. 1.1 представлено схематическое изображение экспериментальной сборки. В качестве ВВ были применены таблетки А1Х-1 (флегматизированный гексоген) диаметром 20 мм и общей длиной до 100 мм. Между ВВ и газовым объемом располагались стальные или майларовые фольги. Продукты детонации, возникающие вследствие детонации заряда, ускоряли фольги до характерных скоростей, лежащих в диапазоне (6-8) км/с и создавали в газе слой ударно-сжатой плазмы [20]. Скорость распространения ударной волны по невозмущенному газу

измерялась либо двумя световодными датчиками, расположенными на боковой поверхности ударной трубы, либо скоростной камерой ВФУ-1 (сверхскоростным фоторегистратором) базовым методом.

а к камере Рт САМ

100мм

10

А

К ВФУ-1

-р.

20мм

Ж 9

Рис. 1.1. 1-выемка для детонатора; 2-ВВ; 3-стеклянные (или пластиковые) трубки; 4-пластиковые кольца; 5-патрубки подвода газа; 6- стальная (или майларовая) диафрагма; 7- стальное кольцо; 8- газ (ксенон, аргон, воздух); 9-световод с диафрагмой; 10-прозрачная преграда для создания отраженной ударной волны и герметизации. Стрелками указаны характерные размеры конструкции и направления к измерительной аппаратуре.

Фотографии плазменной пробки для воздуха и ксенона приведены на Рис. 1.2, 1.3. Съемки проводились электронно-оптической камерой Э1САМ с экспозицией (5-7) не.

Рис. 1.2. Съемки линейной ударной трубы камерой П1СЛМ. Ударная волна распространяется в воздухе. А)- изображение сборки до эксперимента; В)- плазменная пробка в момент прохождения световода. Направление распространения - слева направо

световод в диафрагме

Рис. 1.3. Съемки линейной ударной трубы камерой 01САМ. Ударная волна распространяется в ксеноне. А)- изображение сборки до эксперимента; В)- плазменная пробка в момент прохождения световода. Направление распространения - слева направо

Камера запускалась от оптического сигнала световода, расположенного у стеклянной трубки, в момент времени, когда ударная волна попадала в поле зрения диафрагмированного световода.

Были проведены опыты с заполнением ударных труб воздухом, аргоном и ксеноном. Характерные температуры генерируемой в этих газах плазмы при указанных скоростях составляют соответственно 12000 К, 20000 К и 30000 К. В случае применения ксенона мощность теплового излучения, близкая к излучению

черного тела, достигает уровня мегаватт на кв. сантиметр [20] с максимумом в ультрафиолетовой области. Излучение поглощается поверхностью стенок ударной трубы и может приводить к разогреву пристеночного газа и появлению нерегулярного искривления фронта ударной волны в ксеноне. В предварительных экспериментах с линейными ударными трубами, в которых ВВ находилось в контакте с ксеноном или отделялось от него тонкой майларовой диафрагмой, иногда наблюдалось искривление фронта ударной волны - Рис. 1.4. Фронт волны стабилизируется в случае применения диафрагмы из нержавеющей стали толщиной от 0.2 мм и более.

Рис. 1.4. Искривленный фронт ударной волны в ксеноне в сборке без диафрагмы. Направление распространения фронта - слева направо

Для генераторов с металлическими диафрагмами было проведено рентгенографирование процесса движения диафрагмы в компании Dinamit Nobel. На Рис. 1.5 показана импульсная рентгеновская установка для рентгенографирования в двух перпендикулярных направлениях. На Рис. 1.6 и Рис. 1.7 показаны положения диафрагмы в различные моменты времени. В процессе движения из-за боковой разгрузки диафрагмы приобретают полусферическую форму и разрушаются на мелкие фрагменты при большой растягивающей деформации. Таким образом, установка диафрагм приводит к

снижению скорости и искривлению фронта ударной волны на начальном участке движения, но поддерживает фронт осесимметричным относительно оси сборки, параллельной направлению распространения ударной волны.

Рис. 1.5. Установка импульсной рентгенографии. 1 - экспериментальная сборка; 2-рентгеновские трубки в защитных кожухах; 3- кассеты для пленки; 4- упоры, фиксирующие кассеты с пленкой после опыта

•тальная иафрагма

Стальная диафрагма

Выемка для И детонатора —

1 . аЙЬё

Рис. 1.6. Рентгеновские снимки движения частей сборки со стальной диафрагмой 0.2 мм. 1 - экспериментальная сборка в исходном состоянии. Слева расположена сантиметровая линейка. 2- снимок через 4 цб после начала движения диафрагмы; 3- снимок через 6 цв после начала движения диафрагмы. Движение детонационной и движение ударной волны в газе - снизу вверх

Рис. 1.7. Рентгеновские снимки движения частей сборки со стальной диафрагмой 0.8 мм. 1 - экспериментальная сборка в исходном состоянии. 2- снимок через 6 Цй после начала движения диафрагмы; 3- снимок через 14 после начала движения диафрагмы. Движение детонационной и движение ударной волны в газе - снизу вверх

Применение диафрагм больших, чем 0.2 мм, по толщине снижает массовую скорость движения, но не меняет качественно картину движения, что можно видеть на соответствующих рентгенограммах Рис. 1.7.

В отличие от генераторов со стальной диафрагмой-лайнером, в которых фронт ударной волны заметно искривлен, сборки без диафрагмы или с тонкой майларовой пленкой толщиной до 200 ¡им демонстрируют плоский фронт детонационной и ударной волн. На Рис. 1.8 показаны записи движения фронта ударной волны на камере ВФУ-1 в щелевом режиме через торцевое окно (10 на Рис. 1.1) в сборках со стальной диафрагмой 0.2 мм и с диафрагмой из майлара толщиной 100 ¡им. Хорошо заметно влияние стальной диафрагмы на форму фронта.

Рис. 1.8. Записи движения фронта ударной волны в щелевом режиме. 1-диафрагма из майлара толщиной 100 цм; 2- стальная диафрагма 0.2 мм. а)- выход ударной волны в объем газа; Ь)- столкновение плазменной пробки с преградой

Таким образом, с помощью описанной конструкции генератора с массой ВВ -100 г была получена плазменная пробка толщиной до 10 мм и диаметром 20 мм за фронтом плоской ударной волны в воздухе, аргоне. В ксеноне возможные искажения фронта уменьшаются установкой стальной диафрагмы. Плазма стабилизирована стенками трубки [21,22], которые за время наблюдения -10 не успевают разрушиться и заметно сместиться в радиальном направлении.

1.2 Модифицированный генератор плазмы с конической проставкой

Для увеличения скорости ударной волны линейный взрывной генератор был модифицирован. На Рис. 1.9 представлено схематическое изображение подобной экспериментальной сборки 14,18].

Ударная волна распространяется с массовой скоростью U=6.5 км/с по трубке 1А. При прохождении конической части 2 экспериментальной сборки, подобной использованной в работе [23], плазменный слой частично попадает в трубку 1В диаметром 6 мм, что вызывает увеличение его скорости и длины пробки X. Геометрические размеры сборки подбирались таким образом, чтобы обеспечить длину плазменной пробки не менее 10 мм в тонкой трубке, что обеспечивает постоянные, на время порядка 1 ¡lis, параметры плазмы на этом участке для последующего проведения экспериментов с ионными пучками.

V

8

Рис. 1.9. 1А, 1В - стеклянные трубки с внутренними диаметрами 20 и 6 мм соответственно; 2-коническая соединительная часть; 3- продукты детонации; 4- лайнер - стальная пластина толщиной 0.2 мм (условно показанная плоской); 5- сжатая взрывом плазма; 6- стенка защитного купола; 7- окно для наблюдения; 8-сверхскоростной фоторегистратор ВФУ-1

Достаточно малый диаметр рабочей части 1В выбран также для уменьшения линейной плотности плазмы для экспериментов с протонными пучками с энергией 3 МэВ. Стеклянная трубка 1В остается практически

неподвижной в течение времени, пока плазма проходит по ней. Течение плазменной пробки можно считать одномерным.

На Рис. 1.10 приведен чертеж конической, части выполненной из дюралюминия.

— 35мм —

Е Е

£ £

оо

Q а

10 мм

Рис. 1.10. Чертеж конической части в центральном сечении. Угол раствора конуса 120

Фотохронограмма распространения фронта ударной волны по ксенону с начальным давлением 0.2 бар показана на Рис. 1.11.

25 мм 46 мм

Рис. 1.11. Фотохронограмма опыта с конической вставкой. Пунктиром показано положение непрозрачных участков маркерной ленты и конической вставки. Наклонные линии - касательные к траектории фронтов ударной волны по трубкам диаметром 20 мм и 6 мм

На фотохронограмме хорошо заметны увеличение скорости ударной волны и толщины пробки после прохождения конической части.

Данные по скорости ударной волны и длине плазменной пробки объеденены на Рис. 1.12. Измерения проводились по стандартной методике обработки кадров, полученных на ВФУ-1 (сверхскоростной фоторегистратор).

11 10 9 8

7 5 6 | 5 I

4 |

3 ь

2

1

0 0

Рис, 1,12. Скорость ударной волны и толщина плазменной пробки как функции расстояния от конической вставки. 1-при начальном давлении Хе 10 кПа; 2- 30 кПа; 3- толщина плазменной пробки

Полученные в эксперименте значения скоростей ударных волн были входными параметрами для расчета термодинамических параметров плазмы. Расчеты проводились по программе БАНА [13,24]. Для проверки соответствия расчетных параметров и параметров, полученных экспериментально в серии предварительных экспериментов, проводилось сравнение расчетных и измеренных яркостных температур плазмы воздуха, аргона и ксенона. Измерения проводились на многоканальном быстродействующем пирометре [19]. Сравнение расчета и эксперимента показывает, что в широкой области параметров -скоростей и начальных давлений газа, за исключением области экранировки излучения [20], измеренные величины совпадают с расчетными в пределах точности измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кулиш, Михаил Иванович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Фортов В. Е., Хоффманн Д., Шарков Б. Ю. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества // УФН. 2008. Т. 178. № 2., С. 113-138.

2. Фортов В. Е., Якубов И. Т. Неидеальная плазма // Энергоатомиздат. М. 1994.

3. Biberman D. М., Norman G. Е. Continuous Spectra of Atomic Gases and Plasma // Sov. Phys. Usp. 1967. Vol. 10. No. 1. P. 52.

4. Mintsev V., Gryaznov V., Kulish M., Fortov V., Sharkov В., Golubev A., Fertman A., Mescheryakov N., Suss W., Hoffmann D. H. H., Stetter M., Bock R., Roth M„ Stoeckl C., and Gardes D. On measurements of stopping power in explosively driven plasma targets // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1998. Vol. 415. Iss. 3. P. 715-719.

5. Kulish M., Gryaznov V., Meziba A., Mintsev V., Fortov V., Hoffmann D. H. H.,

Stoeckl C., Wetzler H., Dornik M., Laux W., Sharkov В., Golubev A. Nonideal

Plasma of Ar and Xe in Shock Waves // Proceedings of the International

Conference on Physics of Strongly Coupled Plasmas. Binz , Rugen. World

Scientific. 1996. P. 337-42.

6. Кулиш М. И., Минцев В. Б., Дудин С. В., Ушнурцев А. Е., Фортов В. Е. Измерение температуры плазмы меди, образующейся в процессе разгрузки ударно-сжатой мишени // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94. № 2. С. 105-109.

7. Кулиш М. И., Грязнов В. К., Квитов С. В., Минцев В. Б., Николаев Д. Н., Терновой В. Я., Филимонов А. С., Фортов В. Е., Голубев А. А, Шарков Б. Ю., Хоффманн Д., Штокль К., Ветцлер X. Коэффициенты поглощения плотной плазмы аргона и ксенона // Теплоф. Выс. Темп. 1995. Т. 33. № 6. С. 967-971.

8. Дьячков И. А., Кулиш М. И., Филимонов А. С. Фотоприемное устройство наносекундного диапазона // Приборы и техника эксперимента. 1995. Т. 38, № 2, С. 84.

9. Kulish М., Gryaznov V., Meziba A., Mintsev V., Fortov V., Hoffmann D. H. H., Stoeckl C., Wetzler H., Dornik M., Laux W., Sharkov В., Golubev A. Experimental Study of A1 line in dense Xenon plasma // XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Toulouse. 1997. P. 1-212.

10. Kulish M., Gryaznov V., Meziba A., Mintsev V., Fortov V., Hoffmann D. H. H., Stoeckl C., Roth M., Sharkov В., Golubev A. Experimental Study of Al-Lines in Dense Xenon Plasma Targets // High Energy Density in Matter Produced by Heavy Ion Beams. 1997. Darmstadt: GSI.

11. Kulish M., Gryaznov V., Kvitov S. V., Nikolaev D. N., Ternovoi V. Y., Filimonov A. S., Fortov V. E., Stoeckl C., Wetzler H., Hoffmann D. H. H., Sharkov B. Y., Golubev A. Explosively produced Plasma Targets of Argon and Xenon // High Energy Density in Matter Produced by Heavy Ion Beams. 1995. Darmstadt: GSI.

12. Weyrich K., Wahl H., Golubev A., Kantsyrev A., Kulish M., Dudin S., Hoffmann D. H. H., Sharkov В., Mintsev V. Influence of the gap-target configuration on the measured energy loss of C-ions in Ar-gas and plasma // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2007. Vol. 577. Iss. 1-2. P. 366-370.

13. Mintsev V. В., Kulish M. I., Gryaznov V. K., Fortov V. E. Explosively Driven Dense Plasma Targets for the Ion Beam Experiments // Contributions to Plasma Physics. 2001. Vol. 41. Iss. 2-3. P. 119-122.

14. Weyrich К., Wahl H., Hoffmann D. H. H., Golubev A. A., Kantsyrev A. V., Sharkov B. Yu., Kulish M., Dudin S., Mintsev V. В., Fortov V. E., Gryaznov V. Shockwave-driven, non-ideal plasmas for interaction experiments with heavy-ion beams // J. Phys. A: Math. Gen. 2006. Vol. 39. No. 17. P. 4749.

15. Gryaznov V., Kulish M., Mintsev V., Fortov V., Hoffmann D. H. H., Stoeckl C. Estimation of Stopping Power In Explosively Driven Non-Ideal Plasma targets // High Energy Density in Matter Produced by Heavy Ion Beams. 1996. Darmstadt: GSI.

16. Gryaznov V., Kulish M., Mintsev V., Fortov V., Sharkov В., Golubev A., Hoffmann D. H. H., Stoeckl C. About Measurements of Stopping Power behind Powerful Shock Waves // Bulletin of the American Physical Society. 1997. Vol. 42. No. 5. P. 1501.

17. Mintsev V., Gryaznov V., Kulish M., Fortov V., Sharkov В., Golubev A., Fertman A, Mescheryakov N., Hoffmann D. H. H., Stetter M, Stoeckl C. About measurements of Stopping Power in Explosively Driven Plasma Targets // 12th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion, Book of Abstracts. 1997. Heidelberg. Germany. P. 47.

18. Mintsev V., Gryaznov V., Kulish M., Filimonov A., Fortov V., Sharkov В., Golubev A., Fertman A., Turtikov V., Vishnevskiy A., Kozodaev A., Hoffmann. D. H. H., Funk U., Stoewe S., Geisel M., Jacoby J., Gardes D., Chabot M. Stopping power of proton beam in a weakly nonideal xenon plasma // Contributions to Plasma Physics. 1999.Vol. 39. Iss. 1-2, P. 45-48.

19. Ni P. A., Kulish M. I., Mintsev V. В., Nikolaev D. N., Ternovoi V. Ya., Hoffmann D. H. H., Udrea S., Hug A., Tahir N. A., Varentsov D. Temperature measurement of warm-dense-matter generated by intense heavy-ion beams // Laser and Particle Beams. 2008. Vol. 26. No. 4. P. 583.

20. Цикулин M. А., Попов E. Г. Излучательные свойства ударных волн в газах // Наука. М. 1977.

21. Фортов В. Е., Иванов Ю. В., Дремин А. Н., Грязнов В. К., Беспалов В. Е. Взрывной генератор неидеальной плазмы // Докл. АН СССР. 1975. №. 221. С. 1307.

22. Фортов В. Е., Мусянков С. И., Якушев В. В., Дремин А. Н. Об

"аномальных" эффектах при выходе детонационной волны на свободную поверхность//ТВТ. 1974. Т. 12. С. 957.

23. Войтенко А. Е. Получение газовых струй большой скорости // Докл. АН СССР. 1964. Т. 158. № 6. С. 1278-1280.

24. Грязнов В. К. Термодинамика низкотемпературной плазмы в квазихимическом представлении // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. 2000. Вводный том I. Наука. М. С. 299.

25. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений // Наука. М. 1969.

26. Koski W. S., Lucy F. A., Shreffler R. G., Willig F. J. Fast Jets from Collapsing Cylinders // J. Appl. Phys. 1952. Vol. 23. No. 12. P. 1300-1305.

27. Новиков H. П. О высокоскоростных кумулятивных струях // ПМТФ. 1962. Т. 6. С. 22-28.

28. Под редакцией Златина Н. А. Физика быстропротекающих процессов // Мир. М. 1979.

29. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию // Наука. М. 1979.

30. Gericke D. О., Schlanges М. Beam-plasma coupling effects on the stopping power of dense plasmas // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 60. No.l. P. 904-910.

31. Бор H. Прохождение атомных частиц через вещество // И.Jl. М. 1950.

32. Туртиков В. И. Экспериментальное исследование энергетического и зарядового распределения быстрых тяжелых ионов при взаимодействии с плазмой // Дисс. канд. физ.-мат. наук. М. 2004. С. 130.

33. Steven P. Ahlen Theoretical and experimental aspects of the energy loss of relativistic heavily ionizing particles // Rev. Mod. Phys. 1980. Vol. 52. No. 1. P. 121-173.

34. Bethe H. A. Theorie des Durchgangs schneller Korpuskularstrahlen durch Materie // Ann. d. Physik. 1930. Vol. 5. P. 325.

35. Ракобольская И. В. Ядерная физика // МГУ. М. 1971.

36. Баско М. М. Торможение быстрых ионов в плотной плазме // Физика плазмы 1984. Т. 10. С. 1195.

37. Belyaev G., Basko М., Cherkasov A., Golubev A., Fertman A., Roudskoy I., Savin S., Sharkov В., Turtikov V., Arzumanov A., Borisenko A., Gorlachev I., Lysukhin S., Hoffmann D. H. H., Tauschwitz A. Measurement of the Coulomb energy loss by fast protons in a plasma target // Phys. Rev. E. 1996. Vol. 55. No. 3.P. 2701.

38. Ларкин А. И. Прохождение частиц через плазму // ЖЭТФ. 1959. Т. 37. С. 264.

39. Bohr N. Velocity-Range Relation for Fission Fragments // Phys. Rev. 1941. Vol. 59. Iss. 3. P. 270.

40. Northcliffe L. C. Passage of Heavy Ions Through Matter // Ann. Rev. Nucl. Sc. 1953. Vol. 13. P. 67.

41. Northcliffe L. C., Schilling R. F. // Nuclear Data Tables A. 1970. Vol. 7. P. 233.

42. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids // Pergamon. New York. 1985.

43. Hubert F., Bimbot R., Gauvin H. // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1990. Vol. 46. P. 1.

44. Bimbot R., Delia Negra S., Gardes D., Gauvin H., Fleury A., Hubert F. Stopping power measurements for 4-5 MeV/nucleon 160,40Ar, 63Cu and 84Kr in С, Al, Ni, Ag and Au // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1978.

Vol. 153. Iss. l.P. 161.

45. Schlanges M., Gericke D. O., Kraeft W. D., Bornath Th. Stopping power of nonideal quantum plasmas // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1998. Vol. 415, Iss.3, P. 517-524.

46. Rozet J. P., Stephan C., Vernhet D. ETACHA: a program for calculating charge

states at GANIL energies // Nuclear instruments & methods in physics research. Section B, Beam interactions with materials and atoms. 1996. Vol. 107. Iss. (1-4). P. 67-70.

47. Эбелинг В., Фёрстер, А. Фортов В., Грязнов В., Полищук А. Теплофизические свойства горячей плотной плазмы // Вернер Эбелинг. Москва, Ижевск. 2007.

48. Беспалов В. Е., Грязнов В. К., Фортов В. Е. Излучение ударно-сжатой плазмы аргона высокого давления // ЖЭТФ. 1979. Т. 76. Вып. 1. С. 140.

49. Гаврилов В. Е., Гаврилова Т. Е., Фортов В. Е. Рекомбинационно-тормозное излучение плотной низкотемпературной плазмы аргона и ксенона // ТВТ. 1990. Т. 28, № 1.С. 625.

50. Asay J. R., Mix L. P., Perry F. C. Ejection of material from shocked surfaces // Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29. No. 5. P. 284.

51. Кобзев Г. А., Куриленков Ю. К., Норманн Г. Э. К теории оптических свойств неидеальной плазмы // ТВТ. 1977. Т. 15. № 1. С. 647.

52. Iglesias Е. J., Griem Н. R. Transparency Window Effect in the Inglis-Teller Region of the BV Lyman Series // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1996. Vol. 55. No. 3. P. 383-389.

53. Сеченов В. А. Исследование оптических свойств плотной ксеноновой плазмы // Физ. Плазмы. 1981. Т. 7. № 5. С. 1172-1174.

54. Дьячков Л. Г., Кобзев Г. А., Панкратов П. М. Анализ экспериментальных данных по непрерывному излучению плотной плазмы инертных газов // ТВТ. 1996. Т. 34. № 6. С. 867.

55. Berge О. Е., Bohm A., Rehder L. Spektroskopische Messungen am MembranstoPwellenrohr. Teil. II: Absolutbestimmung der ^-Faktoren neutraler Edelgasatome. // Zs. Naturforsch. 1965. Vol. 20a. No. 1. P. 120-124.

56. Klein L. Measurements of Spectral Emission and Absorption of a High Pressure Xenon Arc in the Stationary and the Flashed Modes // Appl. Opt. 1968. Vol. 7. No. 4. P. 677.

57. Гембаржевский Г. В., Генералов Н. А., Козлов Г. И., Ройтенбург Д. И. О непрерывном поглощении частично ионизованного ксенона в видимой области // Опт. Спектроск. 1970. Т. 28. № 6. С. 1101.

58. Mainers D., Weiss С. О. Continuous emission of argon, krypton and xenon plasmas // Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1976. Vol. 16. No. 3. P. 273.

59. Goldbach С., Nollez G., Stuck D. Investigation of the continuous radiation of a high-pressure xenon arc plasma // J. Phys. B. 1976. Vol. 9. No. 7. P. 1191.

60. Волков В. А., Титаров С. И., Ткаченко В. К. Излучение ксенона при больших концентрациях электронов // ТВТ. 1979. Т. 17. № 6. С. 685.

61. Жуков Б. Г., Масленников В. Г., Тумакаев Г. К. О коэффициентах поглощения неидеальной плазмы ксенона в видимой области спектра // ЖТФ. 1981. Т. 51. № 10. С. 2194.

62. Гаврилов В. Е., Гаврилова Т. В. Расчет непрерывного поглощения слабонеидеальной плазмы ксенона и аргона // Опт. Спектроск. 1990. Т. 69. № 1.С. 42-48.

63. Гаврилов В. Е. Непрерывный спектр поглощения (излучения) плазмы импульсного разряда в замкнутой кварцевой трубке с ксеноновым наполнением // Опт. Спектроск. 1985. Т. 59. № 5. Р. 1012-1016.

64. Vitel Y., Siyacoun A., Giry L., Louvet G. The continuum absorption of argon, krypton and xenon dense plasmas produced in flashlamps // J. Phys. B. 1993. Vol. 26. No. 22. P. 4333.

65. Schlüter D. Die Emissionskontinua thermischer Edelgasplasmen // Z. Physik. 1968. Vol. 210. No. l.P. 80-91.

66. Огородников В. А., Иванов А. Г., Михайлов A. JI., Крюков H. И., Толочко

A. П., Голубев В. А. О выбросе частиц со свободной поверхности металлов при выходе на нее ударной волны и методах диагностики этих частиц // ФГВ. 1998. Т. 34. № 6. С. 103-107.

67. Огородников В. А., Михайлов А. Л., Бурцев В. В., Лобастов С. А., Ерунов С.

B., Романов А. В., Руднев А. В., Кулаков Е. В., Базаров Ю. Б., Глушихин В. В., Калашник И. А., Цыганов В. А., Ткаченко Б. И. Регистрация выброса

частиц со свободной поверхности ударно-нагруженных образцов // ЖЭТФ. 2009. Т. 36. № 3. С. 615-620.

68. Vogan W. S., Anderson W. W., Grover M., Hammerberg J. E., King N. S. P., Lamoreaux S. K., Macrum G., Morley К. В., Rigg P. A., Stevens G. D., Turley W. D., Veeser L. R„ Buttler W. T. Piezoelectric characterization of ejecta from shocked tin surfaces // J. Appl. Phys. 2005.. Vol. 98. P. 113508.

69. Resseguier Т., Signor L., Dragon A., Boustie M., Roy G., Llorca F. Experimental investigation of liquid spall in laser shock-loaded tin // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 101. P. 013506.

70. Sorenson D. S„ Minich R. W„ Romero J. L„ Tunnell T. W., Malone R. M. Ejecta particle size distributions for shock loaded Sn and A1 metals // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 92. No. 10, P. 5830.

71. Asay J. R., Barker L. M. Interferometric measurement of shock-induced internal particle velocity and spatial variations of particle velocity // J.Appl. Phys. 1974, Vol. 45. P. 2540.

72. Попов H. А., Щербаков В. А., Минеев В. H., Зайдель Р. М., Фунтиков А. И. О термоядерном взрыве при взрыве сферического заряда (проблема газодинамического термоядерного синтеза) // УФН. Т. 2008. 178. № 10.

С. 1088-1094.

73. Грим Г. Спектроскопия плазмы/У Атомиздат. М. 1969.

74. Касабов Г. А., Елисеев В. В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы // Атомиздат. М. 1973.

75. NIST Atomic Spectra Database // URL http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm.

76. Lochte-Holtgreven W. Evaluation of plasma parameters in Plasma Diagnostics // Chap. 3. North Holland Publ. Co. Amsterdam. 1968.

77. Qi An, Sheng-Nian Luo, Li-Bo Han, Lianqing Zheng, Tschauner O. Melting of Cu under hydrostatic and shock wave loading to high pressures // J. Phys.: Condens. Matter. 2008. Vol. 20. P. 095220.