Исследование термодинамических и оптических свойств плотной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

л?

^московский Государственный технический университет км. Н.Э.Баумана

На правах рукописи УЖ 537.562

Телэх Виктор Дмитриевич

исследование термодинамических и оптичш-и своиоы

плотной плазмы

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена ? ' Мо коеском Государственном тйхническом университете им.Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор физж -математических н?ук

профессор Ю.С.Протасов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Г.Э.Норман

кандидат технических наук доцент А.А.Дорофеев ■

Ведущая организация: ИВТ РАН

Защита диссертации состоится _ 1995 г. в

час. нь заседании специализированного Совета К.053.15.03 в Московском Государственном техническом университете им.'*" Н.Э.Баумана по адресу: 10700Г Москва, Лефортовская наб., д. 1 ф-т "Энергомашиностроение"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке'университета.

Ваш отзыв ка автореферат в 2-х экз., заверенный печатью, просим выслать по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ученому секретарю специализированного Совета К.053-15>08

Автореферат разослан " 1 " 1995 г#

Ученый секретарь специализированного Сове!л к.т*н. ¡-доцент Л\ I Ю.Н.Кутуков

9 *. а

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш: среди передовых нчучно-техничееких программ на современном этапе видное место занимают новейшие технологии и среди них - плазменные и фотонные. Актуальность разработки плазменных систем далеко не исчерпывав¿ся известными к настоящему времени способами ах применения. С применением плазмы связан ряд перспективных проектов, пр: званных внести' су щественные изменения в энергетику, металлургию, машиностроение и другие отрасли народного хозяйства. С разраб ткой н зых плазменных систем постоянно расширяется как диапазон изменения основных параметров плазмы, так и номенклатура пла^мообразувдих веществ. Для исследования и разработки таких систем, для проведения вычислительного эксперимента в области плазменных, пле--модинамических, фотонных устройств особенно актуальной становится проблема создания банков'данных по термодинамическим, оптическим, переносным и др. свойствам плазм рабочих веществ: металлов, диэлектриков и газов.

Между тем при значительной готреоности в знании основных характеристик ..лазмы в литературе имеется весьма ограниченный объем информации такого рода.

Причины етому - во-первых, большая трудоемкость вычислений, связанная с необходимостью учета большого числа компонент плазмы (атомы, ионы, электроны и т.д.)' и всех возможных кванто-всмеаанических переходов мэкду ниш; во-вторых, принципиальные трудности и нерешенные теоретические вопросы, среди которых одним из важнейших является вопрос о влиянии неидеальности на опта эские свойства плазмы, т.е. о воздействии плазменного окружения на свойства внутренних состояний ат->мов и ионов и на определяемые ими оптические характеристики, «- э становится существенным при повышении концентрации уже вше 1017 см"3.

Таким образом, принципиальная актуальность создания информационных ситем, баз данных и знаний, разработки связанных методик расчета свойств плазмы, проведение теоретических исследований г> области слабонеидеальчой и неидеальной плазмы с целью адекватного описания влияния плазменного окружения на свойства обусловлено общим направлением прогресса в использовании "'ости-

жений физики плазмы, связанного г постоянным расширением диапазонов параметров и номенклатуры рабочих веществ.

Цель работы - создание программного комплекса для определения свойств многокомпонентной атомарк 3 сильноионизованчой равновесной плазмы в широком диапазоне изменения основных параметров - концентрации, температуры и энергии квантов.

Научмя новизна заключается в том, что:

1. Предложены иерархические принципы построения объектно-ориентированного програ;. лого комплекса для вычисления оптических и термодинамических свойств плазмы.

2. Предложен комг экс методик ,;ля массовых расчетов термодинамических и оптических свойств многокомпонентной равновесной плазмы.

3. Созданы основы автоматизированной системы науч1.^х расчетов (АСНР) для определения термодинамических и оптических свойств многокомпонентной плазмы, открытой для дальнейшего развития, разр -Зотаны принципы построения Саз& данных (БД) по квашовомеханическим состояниям атомов и ионов, проведено наполнение БД для нескольких е.- ?ментов.

4. На основе крчзимолекулярной модели плотной плазми проведены квантово-статистические расчеты и получены аппроксимаци-онные формулы, учитывающие влияние квазимолекулярных состояний на лтический спектр связанно-связанных переходов.

Практическая значимость работы заключается в том, что разрабатываемая автоматизированная система научных расчетов термодинамических и оптических свойств плазмы позволит получить массовые справочные данные по оптическим и термодинамическим свойства плотной многокомпонентной многократно ионизованной плазмы как в виде информации на С мажном носителе (таблицы, графики), так и в виде машиночитаемых баз и банков данных; она спроектирована так, что является открытой для дальнейшего развития -добавления новых и усовершенствования использовавшихся методик. Формат представления и хранения входной и выходной информации позволяет применять как отдельные результаты, так и весь комплекс в численном моделировании широкого круга задач плазменной техники. '

Автор выносит на защиту:

- структуру построения автоматизированной системы научных

расчетов термоданакачеоких и оптически свойств многокомпонентной плазмы;

- комплекс методак и тестовые результаты расчетов оптических и термодинамических свойств равновесной многокомпонентной атомарной плазмы в иироком диапазоне изменения основных параметров (температуры, концентрации и энергии kbsh.jb):

- программный комплекс для ^асчеть термодинамических и оптических сгойств плазмы;

- результаты численного исследования связанных состояний в п. .датой сильноионизовэнной плазме.

Апробация работы. Оси вша результаты и положения работы докладывались и обсуждались на II к III Всесоюзно : симпозиуме по радиационной плазмодинамике, 13 Международной кокференш-м по атомной физике, 25 Меадународной конференции по атсмг~й спектроскопии, XXI Международной конференции по явлениям в ионизованных газах, на научных семинарах в МГТУ. Работа была удостоена гранта на конкурсе работ студентов и молодых ученых "Студенческая научная весна - 94"'(МГТУ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введен ч, четырех частей, заключения и списка литературы. Она содержит 118 стр. основного текста, 52 рисунка, 7 таблиц, биолиографкл 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бс введении обоснована актуальность исследуемого вопроса, сформулированы задач" исследования и перечислены основные положения работы, выносимые автором на защиту.

Глава 1. Посвящена определению общих принципов построения автоматизированной системы научных расчетов (АСНР) д^я определения оптических и термодинамических сеойств многокомпонентной атомарной сильноионизованной равновесной плазмы, создании иерархической структуры на основе принципа открытости комплекса для-дальнейшего развития, поддержки объемной базы данных и возможности использования результатов', частей и всего комплекса в

задачах численного моделирования реальны; плазменных устройств.

Определяются основные положения проведения вычислительного эксперимента по нахокдению оптических и термоданамичешсих свойств многокомпонентной атомарной сил :оионизованной равновесной плазмы, производится анализ диапазонов изменения входных параметров, определяется номенклатура учитываемых элементарных радиационных процессов и формируются и обосновываются основные принципы алгоритмизации поставленной задачи.

В процессе численного моделирования были выделены следующие укрупненные подзадачи:

-расчет парциального состава термодинамических функций;

- расчет сучений фотоионизации оболичек атомов и ионов;

- расчет коэффициентов поглоигчия в непрерывном спектре;

- расчет Ч1Л осцилляторов, параметров уширения 1. профиля линии разрешенных диполышх переходов;

- расчет суммарного (непрерывный + линии) спектра поглощения:

- расчет интегральных характеристик спектра.

Для решения подзадач н обходимы следук._ие входные данные (в случае полного ?'пи локального термодинамического равновесия): плотность, температура, элементный состав плазмы, а таюке данные по энергетическим уровням атомов и ионов, входящих в смесь. Определен следующий диапазон изменения основных параметров: Г = 1-100 вВ; N о = •о1Б-ю,? см"3; Пи - 0,1-1000 вВ.

В соответствии с принятым объектно-ориентированным, подходом и выделенными подзадачами предлагается иерархическая структура построения комплекса. Объект моделирования - плазма представляется несколькими уроьнями детализации. Самый верхний уровень - это "сме 'з", как с локупность составляющих ее химических элементов, характеризуемая набором параметров (температура, плотность, давление и т.д.). Следующий уровень - ето "элемент" (химический), как совокупность ионов различной кратности, характеризуемый своим набором параметров (атомный номер, вес и :.д.). Далее следуют: "ион", как совокупность возможных энергетических состояний, "состояние", описываемое конфигурацией электронных оболочек, и "оболочка", характеризуемая набором квантовых чисел и количеством влектронов. Каждому уровню детализации поставлен в соответствие базовый тип переменной - объ-4

ект, объеденякщий в себе поля (набор физических величин, соответствующих данному уровню детализации) и методы их обработки. На основе базовых объектов могут быть порождены объекты-потомки, наследующие необходимые свойства и методы предков и вносящие новые или модифицирующие заложенные свойства и методы, что позволяет сделать комплекс открытым для дзльнейЕХ-'О расширения. На рис. 1 представлена структурная схе.'..^ комплекса.

Для получения суммарных спектров поглосгтия плазмы дсигян" быть учтены связанно-связанные перехода; вероятность каждого, перехода определяется силой осциллятора, Еычисекне --оторой -весьма трудоемкий процесс. -Несмотря на то, что в комплексе "ТОП" предусмотрен расчет сил осцилляторов и друг::" параметров связанно-связанных оптических разрешенных щшольных переходов на данном этапе создания комплекса представлялось целесообразным вычисление этих величин производить отдельно. Ь связи с тем, что суммарные (с учетом линий) спектры поглощения плазмы весьма громоздки (сотни тысяч точек значений на исследуемом интервале изменения энергии квантов)', их использование как банка данных для дальнейших расчетов представляется весьма затруднительным. Избежать етого мок.о двумя путями. Первый - использование, где возможно, усредненных по грушам квантов zap' :терис-тик спектра, второй - "мгновенная" передача информации между вычислительными системами. Для описания дискретного спектра значительно удобнее пользоваться таблицами линий, которые долины Bi. .ючать в себя данные (термы состояний, между которыми совершается переход) и характеристики переходов (сила осциллятора, параметры штарковского уширения). Комплекс ракета сил осцилляторов (F_osc) создает базу данных линий, которая представляет отдельный практический интерес.

Рассмотрены общие принципы построения бязы да!шт i по внер-гетическим состояниям атомов и ионов, предложена иерархия структуры данных и рассмотрен интерфейс с комплексом программ. Приводится обширная библиография для наполнения базы данных и рассмотрены возможности разработки и совершенствования системы управляли базой данных.

•■--.Глава 2 посвящена созданию математических моделей, являющихся конкретным наполнением методов объектов детализации.

Приводится ряд методик расчета "которые реализованы в Биде

Поли и методы сйтгпов

Базовые сбита, поташ ТОЬва

Г^,- "Смесь"

(ТМхйге) '

Си

Рис.1. Структурная схемч комплекса "ТОП". Базовые объекты представляют собой уровень детализации исследуемого объекта - пле^мы. На примера методов вычисления сечений фотоион: зации в кажзд^м из базовых объектов показано получение коэффициента поглощения в непрерывном спектре для заданного значения энергии кван.а

программного комплекса с базой данных, позволяющей рассчитывать свойства плазм 15 цементов и лвОых их смесей (ограничение по количеству элементов связано с реальным наполнением базы данных и мокет быть увеличено путем занесения данных по энергетическим уровням атомов и ионов из литературы).

Парциальный состав и термодинамические функции многокомпонентной плазмы определялись по системе уравнений Саха-Эккеота с учетом неидеальности (по кольцевому приближению в большом каноническом ансамбле).

Расчет коэффициентов поглощения н^прерыв». го спектра основан на определении парциального вклада от сечений фотоионизации электронных оболочек атомов и ионов смеси, учитываемых индивидуально, тормозного спектра по формуле Крамерса с множителем Гаунта и интегрального учета сечений фотоионизации внсокойоз-йуяденннх состояний. Метод расчета фогсиояизациокнкх спектров основных и кизковозбукден'-ых валентных и внутренних оболочек основан на подобии сечений атомов и ионов различной кратности различных элементов. Аппрсксимационкые формулы метода реализованы для атомов и всех ионов 26 элементов (от Н1 до ТеХХУТ). Расчет сечений фотоионизации возбузденных состоянии с главным квантовым числом, бо-^ыиш, чем у основного состояния внешнего электрона проводился по методу квантового дефекта, к^тодика учета влияния неидеальности на непрерывный спектр основывалась на подобии о зарядовому числу.

Расчет сил осцилляторов производился по методу Бейтса-Дамгаард на основе базы данных по квантово-механическим состояниям атомов и иоков. Параметры ушрения и щу-'иль линий * реде-лялись в приближении парного (итзрковского) уширения электронами и квазистатистического уширения ионами с учетом доплеровс-кого механизма.

Р;?.ва 3 посвящена рассмотрению модели неидеальной плазмы, основанной на образовании квазимолекулярных состояний. Ьа основе предложенного подхода производится теоретическое исследование влияния квазимолекулярных состояний на электронные и оптические спектры плотной плазмы, на основе квантово-отатистичес-ких расчетов строяТся методики для массовых прзктн зских вычислений, рассмотрены модели неидеальной плазмы.

Рассматриваемая модель предполагает решение уравкетя Шрс-

дингера на трехмерном потенциале, образованном нерегулярно расположенными, но коррелированными ионами . и экранирующим фоном свободных электронов.

Показано, что в плотной плазме вместо гозбукденных одао-центровых состояний образуются квазимолекулярнп многоцентро-вые,энергетические уровни которых расщеплены и сдвинуты относительно невозмущенных в основном вверх по шкале энергии - за счет экранировки ионных микх нолей электронным фоном, разницы птенциалов г "■очках локализации различных ионов, и обменных эффектов, и лишь один из подуровней после р&сщепления остается практически ка том же мосте Е - Еа, .то и в разреженной плазме. После статистического усреднения по ионным конфигурациям вместо ■каждого уровня при возмущении формируется сильно ослабленный уровень на "старом" месте (етатвес в уменьшается в go/g = 10 и более раз - "растворение") и колоколообразный квазиконтинуум, значительно уширенный (на Д = 1-1.5 эВ - "гиперуширение") и сдвинутый вверх по энергии (не ЬЕо = 1.5-2 еВ - "гиперсдвиг").

Проводится анализ оптических свойств плазмы с квазимолекулярными созтояниями.

Путем обработки результатов массовых . квантово-статистических расчетов получены аппрсксшационные формулы, описывающие растворение., гиперуширение и гиперсдвиг атомных уровней. п

Проводится сравнение' квазимолекулярной модели о другими моделям неидеальной плазмы.

В главе 4 приводятся тестовые результаты вычислительного эксперимента с использованием автоматизированной екстеьш научных расчетов термодинамически7 и оптических свойств многокомпонентной плазмы. Для плазмы алюминия в диапазоне параметров Т -1 + 500 9Г и р - 1Р"4+ 10 кг/мэ расчитаны значения термодинамических Функций (давление, внутренняя энергия, показатель адаа-баткГи ионизационный состав. Получены непрерывные и суммарные спектры, коэффициента поглощения для некоторых значений Г и к (р = 0.001, 0.1, 10 кг/м3, Г = 1, 10, 30 эВ), приводятся интегральные характеристики спектра, показано влияние квазимолекулярных состояний на суммарные спектры поглощения.

с

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны основы автоматизированной системы научных . расчетов термодинамических и оптических свойств многокомпонентной атомарной равновесной еильноионизованной плазмы, направленной на создание банка данных по свойствам плазмы, которые могут считаться первым шагом на пути создания информационной системы по необходимым справочным данным в области физики рабочих веществ плазменных устройств.

2. Разработан'* принципы объектно-сриентиро пнной алгоритмизации и структуировзния АСЕР на основе уровней детализации моделируемого объекта - плазмы. Использование объектно-ориентированного подхода и формат представления и хранения входной и выходной информации позволили сделать комплекс открытым для дальнейшего развития, поддерживать объемную базу данных, и позволят использоврть части и весь комплекс в задачах численного моделирования и вычислительного эксперимента в плазменной электронике.

3. На основе квазимолекулярной квантово-статистической модели неидеальной плазмы показано, что в электронном спектре плотной (по> 101а см"3) плазмы - на месте возбужденного одно-центрового уровня могут образовываться квазимолекуляртк, что приводит к уменьшении плотности состояний и образованию колоко-лообразного -рофиля, существенно (до 1-3 эВ) уширенного и сдвинутого вверх по энергии (до 1.5-2 эВ). Получены аппроксимации расчетных данных, -описывающие электронные и оптические спектры квазимолекулярных состояний атомных уровней и переходов.

4. Проведены тесовые расчеты- состава, термодинамических функций (давление, внутренняя энергия, эффективный показатель адиабаты), спектральных и интегральных оптических свойств для плазмы .".люминия.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1. Телех В.Д., Чувашев С.Н. ЛКАО-расчет квазимолекулярных ' состояний в плотной еильноионизованной плазме // II Всесоюзны.'' симпозиум по радиационной плазмодинашке. Ч. 3: Те; докл.- М: Изд-во МГТУ, 1991.- С.5-7.

2. Chuvashev S.N., Protasov Yu.S., Telekh V.D. Quasinole-cular hypershift and hyperbroadening oi bound electrons energy spectra in dense ; asjna // 25 European Groi 1 ior Atomic spectroscopy: Proс. conference.- Caen, 1993.- p.1-070 - 1-071.

3. Abeyev V.V., Antipov K.V., Chuvashev L.W., lunin A.E., -•'rotsE-ov Yu.S., Telekh V.D. Cross sections of interaction of 0,1-10000 eV photons with Cu atoms and ions // Ibid.- p.1-071 -1-072.

4. Chuvashev S.N., Protasov Yu.S., Telekh V.D. A new ab ihitio 'quantum statistical model ior bound and quasimo] 'cular states in non-,-ideal plasma // XXI International Conference on Phenomena in Ionize" Gases, v.2: Proc. conference.- Bochum, 1993.- p. 229-230.

5. Телех В.Д. 0 создании программного комплекса для расче та термодинамических и оптических свойств многокомпонентной: плазм // III Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл.- М: Изд-во "Инженер", 1994.- С.72-74.

6. Chuvashev S.H., Protasov Yu.S., Telekh У.д. Thermodynamics oi strongly ionized non-ideal plasma as derived frora an ab initio quantum statistical model // VI Kiev Conference on Plas-ка Physics, v.2: Proc. conference.- Poz du Equasu, 1994.- p. 132-133-

Подписано к печати 27.06.95

Заказ объем с, У? Тираж 100 экз.

Типография МГТ/ им.Н.Э.Баумана