Экспериментальное исследование электропроводности и эффекта Холла в ударно-сжатой плазме инертных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И ПРОВОДИМОСТИ.

1.1. Методы измерения электронной концентрации.

1.2. Методы измерения проводимости во взрывном эксперименте.

1.3. Постановка задачи по совместной регистрации электронной концентрации и проводимости в ударно-волновом эксперименте.

ГЛАВА 2. ГЕНЕРАЦИЯ ПЛАЗМЫ.

2.1. Взрывные устройства.

2.2. Исследование работы линейного взрывного генератора и свойств ударной волны.

2.3. Методика двукратного сжатия.

2.4.Совместная генерация неидеальной плазмы и однородного магнитного поля свободно проникающего в нее.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ

НЕИДЕАЛЬНОЙ УДАРНО-СЖАТОЙ ПЛАЗМЫ.

3.1. Четырехзондовая методика определения электронной концентрации.

3.2. Четырехзондовая и двухзондовая методики определения проводимости.

3.3. Постановка экспериментов по совместному определению электронной концентрации и проводимости.

3.4. Анализ посторонних сигналов, порожденных переменным магнитным полем и методы их минимизации.

3.5. Измерительная аппаратура и ее калибровка.

3.6. Обработка экспериментальных данных.

3.7. Расчет импульсного трансформатора.

Поведение вещества за фронтом мощных ударных волн при высоких давлениях и температурах в условиях с сильным межчастичным взаимодействием всегда привлекало исследователей большим разнообразием и необычностью физических процессов. Плазменные состояния плотной среды в таких условиях характеризуются параметром неидеальности Г. Для смеси заряженных и нейтральных частиц он обычно определяется, как отношение характерной потенциальной энергии кулоновского взаимодействия частиц П к их характерной энергии теплового движения К. Т.е. Г = Если параметр К

Г «1, то он характеризует состояния вещества со слабой неидеальностью, если же Г> 1, то параметр свидетельствует о сильном межчастичном взаимодействии.

Первоначально интерес к плотной плазме возник в связи с разработкой ряда технических устройств и проектов, таких как: импульсный термоядерный реактор с инерционным удержанием плазмы, газофазный ядерный реактор, магнитогидродинамические и магнитокумулятивные генераторы, взрывные источники света, плазменные ускорители [1]. Отличительной особенностью вышеперечисленных устройств является необходимость создания высокой концентрации энергии в плотных средах. При этом из-за высокой плотности зарядов характерная энергия электростатического взаимодействия частиц оказывается сравнимой с кинетической [2]. Другими словами, среда, определяющая работу этих устройств, становится неидеальной.

Неидеальная плазма возникает также при действии мощных потоков электронов, ионов, фотонов на вещество, при высокоскоростном ударе, при сверхзвуковом движении тел в плотной атмосфере планет, при ядерном взрыве, при воздействии ударных волн на вещество [3]. Стоит отметить современное применение плотной плазмы в процессах лазерной и взрывной обработки и сварки металлов, плазменного напыления [4-7].

Знание свойств неидеальной плазмы требуется для создания противометеоритной защиты космических кораблей. Ее исследование необходимо для понимания процессов, происходящих в некоторых астрофизических объектах, таких как белые карлики, Солнце, в плотной атмосфере планет гигантов.

Эти обстоятельства постоянно поддерживает интерес к теоретическому и экспериментальному исследованию свойств плотной плазмы.

В настоящее время имеющиеся методы расчета свойств неидеальной плазмы, в большинстве случаев, хорошо описывают среды малой и умеренных плотностей, когда параметр неидеальности Г«1. Описание с достаточной точностью плотной плазмы при Г»1 путем учета эффектов неидеальности в рамках разработанных теорий является сложной задачей [8-13]. В первую очередь это связано с тем, что для учета межчастичных взаимодействий в плазме требуется строгое решение квантомеханической задачи многих частиц, которая решена только для простейших случаев. Поэтому при расчетах применяются дополнительные приближения и упрощения, которые касаются как выбора моделей, так и методов решения уравнений. При этом результаты расчета сильно зависят от исходных предположений и существенно меняются при их уточнении.

В связи с этим экспериментальные исследования плазмы с сильным межчастичным взаимодействием выдвигаются на первый план [14]. Однако, плотная плазма является сложным объектом и для экспериментальных исследований. Среди сложностей ее генерации и определения параметров необходимо подчеркнуть, что измерения часто проводятся в условиях высоких температур и давлений. Это влечет за собой необходимость проведения экспериментов в импульсном режиме. В связи, с чем повышаются требования к измерительной аппаратуре: она должна обеспечивать регистрацию измеряемых величин в субмикросекундном диапазоне с приемлемой погрешностью, а экспериментальная установка обладать источником энергии достаточной емкости и при этом обеспечивать быструю передачу этой энергии к исследуемому объекту.

Среди результатов экспериментальных и теоретических исследований свойств плотной плазмы следует указать на наличие надежных данных о ее термодинамических, оптических и транспортных свойствах [3]. Анализ этих свойств неидеальной плазмы свидетельствует о большой неоднозначности при определении электронной концентрации в области частичной ионизации [15]. В настоящее время надежные методы диагностики этого параметра в плазме с сильным межчастичным взаимодействием отсутствуют.

В связи с этим основными целями настоящей работы являются:

1. Разработка экспериментальной методики определения электронной концентрации неидеальной частично ионизованной плазмы и методики совместного определение электронной концентрации и проводимости;

2. Разработка экспериментальных устройств, позволяющих генерацию неидеальной плазмы с применением вышеуказанных методик;

3. Проведение исследования свойств неидеальной плазмы инертных газов и обсуждение возможности применимости различных расчетных моделей для описания плотной плазмы.

В работе исследовалась неидеальная частично ионизованная плазма гелия, аргона и ксенона. Генерация плазмы осуществлялась за фронтом прямых и отраженных ударных волн с помощью линейных взрывных генераторов. Часть экспериментально исследованных состояний характеризовалась сильным межчастичным взаимодействием. Максимальное значение параметра неидеальности, полученное нами в экспериментах Г = 2.8.

Диссертация состоит из введения, четырех глав (литературный обзор, две главы экспериментальной части, глава обсуждения полученных результатов), заключения и списка цитируемой литературы.

1. Беспалов В. Е., ГрязновВ. К., Фортов В. Е. //ЖЭТФ. 1979. Т.76. 1. С. 140-147.

2. Норман Г.Э., Старостин.// ТВТ. 1970. Т. 8. 2. С. 413-437.

3. Фортов В.Е., Якубов И.Т. Неидеальная плазма. Москва: Энергоатомиздат, 1994. -368 с.

4. Chhaya R. Kant, Srivastava М.Р., Rawat R.S. // Physics Letters A. 1997. 226. p. 212-216.

5. Mohanty S.R., Srivastava M.P., Rawat R.S.// Physics Letters A. 1997. 234. p. 472-476.

6. Kazuki Kawata, Huroyuki Sugimura, Osami Takai.// Thin Solid Films. 2001. 390. p. 64-69.

7. Валуев А.А., Норман Г.Э. // ТВТ. 1977. Т. 15. 4. С.689 693.

8. Ebeling W., Milittzen В.// Physics Letters А. 1997. 226. p. 298-304.

9. Зеленер Б.В., Норман Г.Э., Филинов B.C. // ТВТ. 1972. Т. 10. 6. С.1160 1170.

10. Murphy А.В.// Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2000. Vol. 20. 3. p. 279-297.

11. Фортов B.E., Мусянков С.И., Якушев B.B., Дремин А.Н.// ТВТ. 1974. Т. 12. 1. С. 957-963.

12. Баибметов Ф.Б., Нурекенов Х.Т., Рамазанов Т.С.//Физика плазмы. 1992. Т. 18. вып. 12. С. 1627-1630.

13. Фортов В.Е. Модели уравнений состояния вещества. Черноголовка., 1979. - 49 с. (Препринт АН РФ, отделение института химической физики).

14. Дудин С.В., Грязнов В.К., Минцев В.Б., Ушнурцев А.Е. Взаимодействие ударно-сжатой плазмы с сильным магнитным полем // Сб. статей под ред. Чернышева и др. Мегагаусная и мегаамперная импульсная технология и применения Саров: ВНИИЭФ. 1997. С. 733 - 735.

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.З. С.338.

16. Сб. Диагностика плазмы, под ред. Р. Хадлстоуна и С.Леонарда, Мир, М., 1967.

17. Сб. Методы исследования плазмы. Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. Мир, М., 1971.

18. Гавриленко В.П., Кирий Н.П., Франк А .Г.// Физика плазмы. 2000. Т.26. 3. С.282-286.

19. Leng Y., Goldhar J., Griem H.R. and Richard W. Lee.// Physical Review E. 1995. Vol. 52. 4. p.4328-4337.

20. Lamoureux M. // Radiation Physics and Chemistry. 2000. 59. p. 171—180.

21. Глушков И.С., Карпухин B.T., Недоспасов A.B. // TBT. 1969.T.2. C.223-232.

22. B.M. Батенин , П.В. Минаев. // ТВТ. 1971. Т.9. 4. С. 676-682.

23. Динамические методы в физике плазмы. Фортов В.Е. Черноголовка., 1981. - 50 с. (Препринт АН РФ, отделение института химической физики).

24. Michael S. Murillo, Jon С. Weisheit.//Physics Reports. 1998. 302. p. 1-65.

25. Петрухин А.И., Михайлов С.Б. и др.// Физика плазмы. 1993. Т. 19. 1. С. 104-113.

26. Волков Г.С., Данько С.А. и др.// Физика плазмы. 1999. Т.25. 1. С.38-45.

27. Аглицкий Е.В., Панин A.M.// Физика плазмы. 1994. Т.20. 10. С.877-885.

28. В.М. Батенин , П.В. Минаев// ТВТ. 1969. Т.7. 2.

29. Irving Langmuir // Phys/ Rev. 1931. 38, p. 1656-1663.

30. E.O. Johnson and L. Malter//Phys. Rev. 1950. v. 50. 1. p. 58-70.

31. Лебедев Ю.А.//ТВТ. 1995. T.33. 6. С. 850-854.

32. Дмитриев A.K., Лопатин В.Е. и др.// ТВТ. 1995. Т.ЗЗ. 5. С.669-676.

33. Иванов Ю.А., Карабашев И.Н., Овсянников Л.С. и др. // ТВТ. 1975.Т.13. вып.З. С. 465-471.

34. Бардос Л., Лебедев Ю.А. // ТВТ. 2000. Т.38. 4. С. 552-556.

35. Антинян М.А., Галенян Г.А., Тавакалян Л.Б.// Физика плазмы. 1992. Т. 18. 3. С. 367-374.

36. Нефедов А.П., Петров О.Ф. и др. Упорядоченные структуры макрочастиц в термической плазме.//Научные труды НИЦШВ ОИВТ РАН. 1996. вып.1. С.259-268.

37. Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. Советское Радио. М. 1974.

38. Катаев Ю.Г., Лаврентьева Л.Г., Погребняк И.П. // Известия вузов СССР. Физика. 1969. 2. С.20-25.

39. Dudin S.V., Fortov V.E., Gryaznov V.K., Mintsev V.B., ShilkinN.S., Ushnurtsev A.E. // Shock Compression of Condensed Matter. 1997. p.793-795.41.0грин Ю.Ф. //ФТТ.1964. 9. C.2882 2883.

40. Goodman A.M.// Phys.Rev. 1967. Vol. 164. 3. p. 1145-1150.

41. Tolutis R.B., Riauka V.L., Pozhela Yu. K.// Phys. Stat. Sol. 1970. v.42. p. 551557.

42. Goodman J.M.// Phys.Rev. 1968. v.171. p.641-658.

43. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков.М.: Атомиздат, 1979, 320 с.

44. Ханкина С.И., Яковенко В.М.//ФТП. 1979. т.13. 9. с.1795-1798.

45. Крупник Л.И., Терёшин В.И.//Физика плазмы. 1994. Т.20. 2. С.157-170.

46. Junji Fujita// Физика плазмы. 1994. Т.20. 2. С.175-178.

47. Физика быстропротекающих процессов: В 3 т. /Перев. под ред. Н.А. Златина. М.: Мир, 1971. Т. 1: Б. Кох. Радиоэлектрические методы исследования быстропротекающих процессов. - 519 с.

48. W. Theobald, R. HaBner, С. Wiilker, R. Sauerbrey.// Phys. Rev. Lett. 1996. у.11. 2. p. 298-301.

49. A.Ng., D. Parfeniuk, P. Celliers, L. DaSilva.//Phys. Rev. Lett. 1996. v.51. 13. p. 1595-1598.

50. Mintsev V.B., Zaporogets Yu.B.// Contrib. Plasma Phys. 1989. v. 29. p.493.

51. Энциклопедия низкотемпературной плазмы: в 3 т./ Под. ред. Фортова В.Е., т.1, Наука.- Валуев А.А., Минцев В.Б., Норман Г.Э. Коэффициент отражения сильно ионизованной неидеальной плазмы (НП), С. 487-490.

52. Физика быстропротекающих процессов. Пер. с нем. под ред. Златина Н.А., Мир. М. 1971.55.3айдель А.Н., Островская Г.В.// Лазерные методы исследования плазмы.Л.: Наука. 1977. 219 с.

53. Шефченко В.Ф., Петров А.А. и др.// Физика плазмы. 1996. Т.22. 1. С.32-37.

54. Скибенко А.И., Павличенко P.O. и др. // Физика плазмы. 1994. Т.20. 1. С.13-14.

55. Бурдаков А.В., Воропаев С.Г. и др.// Физика плазмы. 1994. Т.20.2. С.223-225.

56. Костли А. //Физика плазмы. 1992. Т. 18. С.446-458.

57. Бауков В.А., Воротников С.А., Горшков А.В. и др. // Физика плазмы. 1992. Т.18. С. 190-192.

58. Вячеславов Л.Н., Кандауров И.В., Кругляков Э.П. и др.// Физика плазмы. 1992. Т.18. С.225-227.

59. Карпов О.В., Юрчук Э.Ф., Петров Г.Д.//ТВТ. 1975. Т. 13. вып. 13. С.435^138.

60. Кох Б. Радиоэлектрические методы исследования быстропротекающих процессов // Физика быстропротекающих процессов: Пер. / Под ред. Н.А. Златина. М.: Мир. 1971. С.382-462.

61. Богда Л.С., Левитинский С.М., Мартыш Е.В.// ЖТФ. 1993. Т.63. вып. 6. С. 203-206.

62. Макаров Ю.В., Чекалин Э.К. Физические процессы в электромагнитных ударных трубах. Москва: Атомиздат. 1968. 267 с.

63. Иванов Ю.В., Минцев В.Б., Фортов В.Е., Дремин А.Н.// ЖЭТФ. 1976. Т.71. 1.С.216-224.

64. Бриш А.А., ТарасовМ.С., Цукерман В.А. //ЖЭТФ. 1959. Т.37. 6. С. 1543-1550.

65. Ершов А.П., Зубков П.И. и др. Прерывание тока с шунтированием дуги проводящими продуктами детонации.//Труды третьей международной конференции по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. С.397-401. Наука. М. 1984.

66. Постнов В.И. Электропроводность твердых веществ в различных режимах динамического сжатия.- Дис. канд. физ.-мат. наук. Черноголовка. 1986. 148с.

67. Минцев В .Б., Фортов В.Е., Грязнов В.К.// ЖЭТФ. Т. 79. 1. С. 116-123.

68. ПряхинГ.В., Титов В.М., Швецов Г.А.//ПМТФ. 1971. 3. С. 137-140.

69. W.J. Murri, D.R. Curran, C.F. Petersen, R.C. Crewdson. Response of Solids to Shock Waves. // Advances in High-Press. Res. Ed. By R.H.Wentorf. Vol. 4. 1974. Academic press, London and New York.

70. Фортов В.Е., Леонтьев А.А., Дремин А.Н., Грязнов В.К.// ЖЭТФ. 1976. Т.71. 1(7). С. 225-236.

71. Физика взрыва. мон. под ред. К. П. Станюковича, 2-е изд., перераб., Глав, ред. физ.-мат. лит. изд.-ва Наука. 1975. 704 с.

72. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Москва: Физматгиз. 1963. 632 с.

73. Минцев В .Б., Фортов В.Е., Грязнов В.К.// ЖЭТФ. 1980. Т.79. 1(7). С. 116-123.

74. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат. 1991. 1232 с.

75. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. Москва: Энергоатомиздат. 1988. 192 с. 79.3еегер К. Физика полупроводников. - Москва: Мир. 1977. 615 с.

76. Грязнов В.К., Иосилевский И.Л., Фортов В.Е.//ПМТФ. 1973. 3. С. 70-76 .

77. Поляков Н.Н., Кукуй А.С., Голубев В.И., Павлов Н.И.// Изв. АН СССР. Серия физическая. 1972. Т. XXXVI. 3. С.607. 613.

78. Коньков В.Л.// ФТТ. 1964. Т.6. 1. С. 304-306.

79. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. Энергоатомиздат, 1985.

80. Грязнов В.К., Жерноклетов М.В., Зубарев В.Н., Иосилевский И.Л., Фортов В.Е.// ЖЭТФ. 1980. 78. С. 573-585 .

81. Кошляков Н.С. и др. Основные дифференциальные уравнения математической физики / Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. М.: гос. изд. физ.-мат. лит. 1962. 768 с.

82. Краткий справочник физико-химических величин. / Под ред. Мищенко К.П. и Равделя А.А. Л.: Химия. 1972. 200 с.

83. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Подловченко Б.И. и др. Практикум по электрохимии. М.: Высшая школа. 1991. 288 с.

84. Пикулин В.П., Похожаев С.И. Практический курс по уравнениям математической физики. Учеб. Пособие для вузов, М.: Наука. Физматлит. 1995.225 с.

85. Арсенин В.Я. Методы математической физики и специальные функции. -2-е изд., переработ, и доп. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 384 с.

86. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. Гл. Ред. Физ-мат. лит. 1989. 504 с.

87. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. 3-е изд., перераб. и доп.//. М.: Высшая школа. 1989. 527 с.

88. Коньков В.Л.//Известия вузов СССР. Физика. 1966. 2. 1. С. 161-163.

89. Расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах. Под ред. Т.М. Агаханяна. М.: Сов. Радио. 1975.

90. Аскеров Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках. Л.: Наука. 1970. 303 с.

91. Киреев П.С. Физика полупроводников. Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа. 1969. 592 с.

92. Spitzer L., Harm R. // Phys. Rev. 1953. vol. 89. 5. p. 977-983.

93. Frost L.S. // J Appl. Phys. 1961. vol. 32. p. 2029.

94. Frost L.S., Phelps A.V.//Phys. Rev. 1964. vol.136. 6A. p. A1538-A1545^

95. Fortov V.E., Gryaznov V.K., Mintsev V.B., Ternovoi V. Ya., Iosilewski I.L., Zhernokletov M.V., Mochalov M.A. Thermophysical propeties of shock compressed argon and xenon // Contrib. Plasma Phys. 41. 2001. p.215-218.

96. Лин E., Реслер E., Кантровиц A. // Вопросы ракетной техники. 1956. 1 (31). С. 13-36.

97. Минцев В.Б. Труды МФТИ. Серия Общая и Молекулярная физика. 10. Долгопрудный. 1978. стр.192.

98. Н.А. Gould, Н.Е. DeWitt.//Phys. Rev. 1967. vol. 155. 1. p. 68-74.