Радиационно-плазмодинамические эффекты и свойства среды сильноточных излучающих разрядов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

УДК 533.9 р Г К О Д пРавах РУкоп "с"

ЧУВАШЕВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

£АДИАЦИОННО-ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И СВОЙСТВА СРЕДЫ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ РАЗРЯДОВ

01.04.08 - фишка н химии платы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора фишко-математических наук

Москва 1497

Работа представлена факультетом Вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бобров Ю.К.,

доктор физико-математических наук, профессор Кобзев Г.А.,

доктор технических наук, профессор Минаев И.М.

Ведущая организация:

Институт общей физики Российской Академии Наук

Защита состоится час. на заседании

Диссертационного совета Д 002.53.01 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу: 127412 Москва, Ижорская 13/19, МВТ АН; [•'ах: 485-99-22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РА! I. Автореферат разослан "_"_19_г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, док юр физико-математических / у^/С^/С^А^^Кл.Хомкмп

О Объединенный институт высоких температур РАН, 1997

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Для решения задач науки и техники сегодняшнего и завтрашнего дня применяются и перспективны радиационно-плазмодинамические устройства на основе явлений, характеризующихся существенным взаимным влиянием теплового излучения и движения плазмы: сильные ударные волны, кумулятивные явления, процессы взаимодействия с веществом мощных потоков излучения и пучков частиц, сильные взрывы и др.; к ним относятся и мощные (107 -Ю10 Вт) плазмодинамические разряда, в которых электромагнитная энергия преобразуется в кинетическую при ускорении массы магнитными силами разряда. Для этих явлений общими являются как формализм теоретического описания, так и набор основных физических эффектов.

Принципиальная актуальность исследования комплекса указанных явлений обоснована общим направлением прогресса в использовании достижений физики, связанного с постепенным расширением диапазона плотности мощности и энергии, освоенного практикой (обычно вначале оборонными, а затем - и 1ражданскими технологиями).

Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ, проведенных Я.Б.Зельдовичем, Ю.П.Райзером, Н.П.Козловым, И.В.Немчиковым, Л.Я.Мннько,

А.Ф.Александровым, А.А.Рухадзе, И.Б.Тимофеевым и др., указанная область знаний еще находится, по-видимому, в стадии накопления и первичного обобщения информации: при изучении оригинальной и обзорной литературы нередко создается впечатление мозаичности и незавершенности, только начинают выявляться глубинные аналогии , физических процессов в различных радиационно-плазмодинамических установках, обнаруживаются > новые физические эффекты, причем даже в интенсивно исследуемых устройствах установлены далеко не все существенные связи и закономерности, что, естественно, тормозит реализацию их потенциальных во: можностей.

Следует отметить также явный недостаток в данных по оптическим и термодинамическим свойствам рабочей среды - излучающей многокомпонентной умеренно-плотной плазмы в области однократной и многократной ионизации (температура 1-100 эВ, плотность 10"* -10' кг/м}, энергия квантов 1-103 эВ); эти данные необходимы для проведения расчетов и анализа радиацнонно-плазмодинамических процессов. Сложность в определении таких

з

данных заключается, во-первых, в' трудоемкости проведения вычислений:" должны рассматриваться вклады до десятков тысяч фотопроцессов с учетом специфики многочисленных возбужденных состояний различных ионов элементов, присутствующих в плазме, для каждого плазмообразующего вещества должны быть получены сложные спектральные зависимости для различных значений температуры и плотности (что вызывает трудности даже в представлении результатов). Известны примеры подробного определения спектров плазмы в широком диапазоне температуры, плотности и энергии квантов: фундаментальный труд Л.М.Бибсрмана с сотрудниками, . работы Г.А.Кобзеса, Р.И.Солоухина, Ю.А. Пластинина и др. Однако, оптические свойства известны с подробностью, достаточной для решения задач радиационной плазмодинамики, только для некоторых плазмообразующих веществ (воздух, Аг, Ы, А1 и некоторые другие). Это затрудняет исследование явлений в системах с иным составом плазмы.

Во-вторых, препятствием является нерешенность ряда принципиальных вопросов описания плотной, сильноиокнзованной плазмы: так, при концентрациях более 10'* см расчеты коэффициентов поглощения по традиционным методикам могут давать существенные ошибки, а общепринятое объяснение этого отсутствует.

В представленной диссертационной, работе обобщены с единых позиций результаты цикла работ, посвященных решению указанных задач, проведенных на факультете Вычислительной математики и кибернетики (ВМиК) и физическом факультете - МГУ им.М.В.Ломоносова и в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Большая часть этих. работ проведена в тесном сотрудничестве с группой математиков -создателей высокоэффективных численных методов - под руководством А.А.Самарского, Н.В.Арделяна (ВМиК МГУ), и с мощными экспериментальными группами под руководством А Ф.Александрова, И.Б.Тимофеева (Физический факультет МГУ) и Н.П.Козлова, Ю.С.Протасова, А.С.Камрукова (МГТУ им. Н.Э.Баумана).

Личный вклад автора состоит в том, что им обнаружены и исследованы описанные в работе новые закономерности и эффекты, для чего он выполнял физическую (й математическую) постанову всех обсуждаемых ниже вычислительных и части натурных экспериментов, проводил численное моделирование Лично или

участвовал в расчетах (в том числе решая текущие вычислительные проблемы), обрабатывал, анализировал и интерпретировал результаты вычислений и экспериментов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в том, что:

1. Обнаруженный эффект МГД шунтирования является одной го основных причин ограничения скоростей макротел в магнитоплазменных ускорителях. Установленные закономерности развития МГД шунтирования и способы его подавления используются при поиске путей оптимизации указанных систем, а также могут применяться при разработке и оптимизации других устройств на основе плазмодинамических разрядов с токовым слоем.

2. Эффекты взаимодействия с веществом излучакмциих плазменных потоков - турбулентная модификация оптических свойств границы плазменного потока с газом, преобразование ВУФ излучения плазмодинамических разрядов по направлению и спектру, и механизм формирования "микросгустков" - могут использоваться при концептуальном проектировании и оптимизации широкого круга радиационно- плазмодинамических устройств (при организации транспорта ВУФ излучения, управления спектром и диаграммой направленности, минимизации капельной эрозии и т.п.), они должны учитываться при интерпретации экспериментальных данных.

3. На основе развитых представлений о физике светоэрознонных . плазмодинамических разрядов с квазистационарным плазменным потоком, принципов управления рабочими процессами, скеПлинга и концепции источника направленного ВУФ возможно создание эффективных источников мощного коротковолнового излучения.

4. Полученные массовые справочные данные по оптическим и термодинамическим свойствам плотной многокомпонентной многократно ионизованной плазмы ряда газов и диэлектриков опубликованы в справочниках, изданных в России и переведенных в США, они применимы при численном моделировании широкого круга' задач радиационной плазмодинамики, а оригинальные методики расчета оптических свойств плазмы могут применяться ■ при подобных расчетах для широкого круга плазмообразующих веществ.

5. Эффект МГД шунтирования и методика расчета фотоионизационных спектров описаны в тексте книги' [57], допущенной в качестве учебного пособия для ВТУЗов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что впервые получены следующие результаты:

1. Обнаружен эффект магнитогазодинамического шунтирования, характерный для плазмодинамических разрядов с токовым слоем. Определены причины и критерии перехода между двумя основными типами сильноточных плазмодинамических разрядов. Для светоэрозионных плазмощптмнческнх разрядов с токовым слоем в протяженном канале показана стабилизирующая роль поперечного вдува массы.

2. Построена замкнутая модель основных рабочих процессов при светоэрозионных плазмодшимических разрядах магиитшшазменного компрессора. Определена причина временного разброса массы ускоряемых квазистационарных плазменных потоков по скоростям, приводящего к значительному изменению спектров излучения разряда.

3. При исследовании торможения плазменных потоков плазмодинамических разрядов обнаружены существенные отклонения параметров ударных волн от стандартных соотношении Гюгонио (для квазистационарных потоков локально термодинамически равновесной среды), связанные с неравновесностью ионизации, электрон-ионным температурным расслоением и ■ временным изменением скорости и плотности потоков.

4. Предложена концепция эффективного направленного источника тепловою вакуумного ультрафиолетового излучения, основанного на преобразовании ВУФ по направлению в тепловых (радиационных) волнах.

5. Мри исследовании плазмодинамических разрядов в конических нлазмщронах обнаружен непрерывный оптический разряд в атмосфере воздуха под действием широкополосного теплового излечения.

6. Обнаружен и исследован эффект', турбулентной модификации спектрально-яркостных характеристик излучающих плазменных потоков в плотном газе, приводящей к облегчению выхода коротковолновых ионизирующих квантов в невозмущенный газ и повышению излучательной способности границы плазмы с газом в видимом диапазоне.

7. Показано, что релаксация плазменной струи в газе после окончания энерговклада связана с турбулентными процессами переноса, определены принципы управления динамикой процесса п получен критерий, определяющий форму релаксирующего плазмонда (квазисфера или кольцо).

8. Выявлена природа устойчивых микронеоднородностей свечения (микросгустков),' наблюдающихся в плазме широкого класса мощных радиационно-плазмодннамических систем при обтекании металлических стенок излучающими плазменными потоками.

9. Предложена квантово-механическая модель умеренно-плотной плазмы (10п-1015 см" ), рассматривающая возбужденные состояния как многоцентровые, делокализованные по ряду соседних ионов. Согласно этой модели, в плотной плазме вместо уширенного энергетического уровня возбужденного состояния формируется распределение плотности состояний, сильно (~1 эВ) сдвинутое вверх по шкале энергии и сильно (~1 эВ) уширенное.

10. ■ На основе применения теории подобия к уравнению Шредингера показано, что. для ряда эффектов неидеальности в области многократной ионизации (г > 1) границе слабонендеальной и неидеалыюй плазмы соответствуют значительно более высокие (в ъ раз) электронные концентрации, чем при г = 1.

АВТОР ВЫНОСИТ НА ЗАЩИТУ:

1. Постановку задачи, результаты численных расчетов линейной и нелинейной стадий развития МГД шунтирования, характерного для плазмодинамнческих разрядов с токовым слоем, аналитическое и численное исследование зоны ускорения плазмодинамнческих разрядов с квазистационарным плазменным потоком.

2. Результаты расчетно-теоретнческого исследования светоэрозионных плазмодинамнческих разрядов по двумерной нестационарной и по аналитической моделям.

3. Постановку задачи, результаты численного моделирования и анализа неравновесных нестационарных радиационно-илазмодинамических процессов при тепломассообмене плазмы в канале с испаряющимися стенками, в коническом плазмотроне и в источнике направленного теплового вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

4. Постановку задачи, результаты численного моделирования и анализа взаимодействия с газом плазменных потоков, приводящих к генерации мощного излучешш, турбулентной модификации свойств границ струи и формированию долгоживущих плазмоидов.

5. Постановку задачи и анализ экспериментальных результатов по -исследованию природы микросгустков в плазмодинамических разрядов магнитоплазменного компрессора и взаимодействия излучающих плазменных потоков с металлическими стенками.

6. Постановку задачи, квантово-статистическую модель и анализ результатов численного исследования связанных состояний в плотной невырожденной сильноионизованной плазме, и ее оптических спектров.

7. Анализ подобия: эффектов неидеальности - по зарядовому числу, и фотоионизационных спектров - по зарядовым числам ионов и их ядер, и основанные на этом методики вычисления свойств плазмы.

8. Комплекс методик и результаты вычислений оптических и термодинамических свойств плазмы различных плазмообразующих веществ в широком диапазоне температуры, концентрации и энергии квантов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и положения работы обсуждались на V Всес.конф. "Динамика излучающего газа", VI и VII Всес.конф. по физике низкотемпературной плазмы, IX и X Ггес.конф. по . генераторам низкотемпературной плазмы, VI Всес.конф. "Плазменные ускорители и ионные инжекторы", IV Всес.конф. по физике газового разряда, I и П Всесоюзных и III и IV ' Межгосударственных Симпозиумах ■ • по радиационной плазмодинамике, V Междунар. конф. по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам, 13 Междунар.конф. по атомной физике, 25 Междунар. конф. по атомной спектроскопии,

XX и XXI Междунар. конф. по явлениям в ионизованных газах, на научных семинарах в МГУ, МГТУ, ОИВТ РАН, ИОФ РАН, и др.

ОБЪЕМ. И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих оригинальные результаты, и заключения, содержит 163 стр. текста, включает 55 рисунков, 2 таблицы и список литературы 264 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1 посвящена сильноточным плазмодинамическим разрядам. Эти разряды принципиально отличаются от дуговых тем, что: энерговклад в них осуществляется не с омическим нагревом, а при работе электромагнитных сил; энергия из электрического контура непосредственно' переходит в кинетическую энергию; энергосодержание ионной компоненты значительно выше, чем электронной; электросопротивление разряда как элемента цепи определяется не электропроводностью, а скоростью ее движения; структура характерных зон электроразряднон плазмы зависит от формы токоиодводов, массообмена, геометрии элементов конструкции в направлении ускорения, и др.

Известны два основных режима таких разрядов,, существенно различающихся по характеру рабочих процессов, параметрам и конфигурациям основных зон в плазменном объеме, эквивалентной , схеме разряда как элемента цепи и др.

В работах Н.В.Филнппова, В.С.Комелькова, Р,. А.Маршалла и др. был исследован плазмодинамический разряд с токовым слоем. Он , характеризуется локализацией полного разрядного тока в движущемся плазменном слое, ускоряющим находящееся л сред ним вещество и оставляющим за собой пространство, заполненное собственным индуцированным магнитным полем.

С другой сторогы, А.И.Морозовым и др. был обнаружен и исследован другой режим плазмодинамического разряда - с квазистационарным плазменным потоком, характеризующийся образованием неподвижного токового слоя, через который непрерывно протекает вещество, ионизуясь, ускоряясь и формируя сверхзуковой поток. Этот режим плазмодинамического разряда реализован в предложенных А.И.Морозовым квазистацпон^рных сильноточных плазменных ускорителях, разработанных Н.П.Козловым, Ю.С.Протасовым и др. излучающих

плазмодинамических разрядов эрозионного типа, исследованных А.Ф.Александровым, И.Б.Тимофеевым и др. импульсных плазмотронах, и др. При коаксиально-торцевых электродах плазмодинамического разряда потоки вещества часто фокусируются на оси симметрии системы (магнитоплазменный компрессор МПК).

Рис. 1. Плазмодинамический разряд с токовым слоем (а) и с квазистационарным плазменным потоком (б). Светлые стрелки - электрический ток, черные - скорость плазмы, значки - магнитное поле в плазме

Примечательно, что эти два режима плазмодинамических разрядов реализуются в установках, зачастую не имеющих очевидных принципиальных отличий. При этом часто работа плазмодинамического устройства в другом, нерасчетном режиме приводит к потере его работоспособности. Поэтому и с научной, и с практической точек зрения важно определить причины и критерии существования того или иного типа разряда, выявить способы управления границами режимов этих разрядов.

В главе 1 границы основных режимов плазмодинамических разрядов рассмотрены в терминах проявления мапштогазодинамического (МГД) шунтирования токового распределения плазмодинамических разрядов с токовым слоем -нового эффекта, который приводит к переходу между различными режимами плазмодинамических разрядов.

Условия проявления этого эффекта:

- магнитные силы превышают газодинамические;

- знакопостоянный (по времена) ток (возможно, малый — токи утечки...);

- применимость МГД приближения в плазменном объеме.

Эгп условия могут выполняться, например, за токовым слоем внутри токового контура.

Признаки проявления этого эффекта:

- смещение центра тяжести токового распределения против силы Ампера;

- переход тока в области с меньшей электропроводностью;

- формирование плазменного потока;

- снижение общей индуктивности токового распределения.

Для этого эффекта характерно существенное влияние массообмена (например, эрозионного вдува массы со стенок).

® Л ®

® _® „ ® „ ® ® ® ® ® ® ® ®у

Рис.2. Характерные магнитотоковые распределения до и после

начала МГД шунтиропяния. Светлые стрелки - электрический ток, черные - скорость плазмы, значки - магнитное поле в плазме

Этот эффект связан с тем, что при протекании тока по плазме она ускоряется силой Ампера, а в обратную сторону движутся МГД волны разрежения, с которыми связаны токовые линии (см. рис.2). Эти волны могут тормозиться: нарастанпс.ч (в направлении их движения) плотности, падением электропроводности ст, сужением -канала, поперечным вдувом инерционной массы (которую нужно ускорять до скорости потока). В местах торможения -тих волн накапливаются токовые линии, т.е. формируются шунтирующие слои. Эти места - градиенты плотности или проводимости (хотя гдм о < Стпет» см- рчс.З), контактные границы, места поперечного вдува массы, тепловые волны, диэлектрические стенки, и др. Б результате проявления этих процессов, например, в плазмодинамических разрядах с токовым слоем происходит переход в режим плазмодинамических разрядов с кназистацнонарным плазменным потоком. Характерное время развития МГД шунтирования - /н = рУ(ВосгД здесь р„, Во, сг0 - характерные значения плотности, индукции магнитного ноля и электропроводности, соответственно. Характерное значение удельного расхода массы, влияющего на проявление этого эффекта - М' -/ДА'», здесь /„, у,, - характерном

плотность тока и начальная продольная скорость вдуваемой массы относительно потока.

При МГ'Д шунтировании, в отличие от случая Т-слоев, температура плазмы в процессе формирования новых токовых слоев близка к начальной.

Этот эффект изучен аналитически и численно. Получены количественные соотношения для границ устойчивости режимов. плазмодинамических разрядов с токовым слоем. Теоретические выводы подтверждены анализом известных экспериментов для различных электроразрядных устройств.

Рис.3. Перетекание тока в область с малой электропроводностью а и формирование токовых слоев с зонами ускорения потока. Пространственные распределения при геометрии рис. 1 ,а и заданном профиле ст (а) плотности тока б (отнесена к]о = б/О-^о)) и скорости плазмы в (отнесена к скорости Альфвена) в различныемоменты времени (начальная стадия, расчет)

В данной работе изучалась и конечная магнитотоковая конфигурация МГД шунтирования - плазмодинамические разряды с квазистационарным плазменным потоком, в частности, такие разряды со светоэрозионным плазмообразованием. Они, по-видимому, являются экстремально мощными среди разрядов постоянного тока (в ряду: тлеющий ; дуговой - светоэрозионный нлазмодинамический разряд с квазистационарным плазменным I" »током)- Для таких разрядов выполнено подробное математическое моделирование в двумерной нестационарной постановке на основе уравнений магнитной газодинамики с учетом излучения, построена приближенная модель, проанализированы основные зоны, проведено сравнение с экспериментами, и проведен скейлинг в широком диапазоне масштабов и мощностей.

В I .к)не 2 рассмотрены радиационно-цлазмодинамические эффекты, возникающие при взаимодействии излучающих плазменных потоков

с конденсированными и газообразными, полупрозрачными н непрозрачными, диэлектрическими и металлическими границами. Как оказалось, это взаимодействие часто приводит к интенсивному тепломассообмену, что определяет как характеристики излучения, так и параметры плазмы.

Исследуются радиационно-плазмодинамические процессы, связанные с ударно-волновым торможением высокоскоростных потоков и взаимодействием излучения образующегося плазменного объем« с полупрозрачными слоями холодного вещества (стенками и газом), что приводит к преобразованию энергии теплового ВУФ излучения плазмы по спектру и направлению. Это связано с тем, что энергия ВУФ излучения поглощается на границе плазмы и возвращается в излучающий объем с • потоками июнь образовавшейся плазмы в виде ее внутренней энергии (как, например, при мощных излучающих дуговых разрядах в газах, сильных взрыва ч в атмосфере и др.).

При столкновении плазменных потоков плазмодинамическнх разрядов в кварцевом канале (рис. 4), в соответствии с результатами численного моделирования, это приводит к многократному превышению мощности потоков ВУФ из плазмы над мощностью энерговклада, а также к высокому (~30-50%) КПД выходящего из системы видимого излучения, которое составляет всего 5-10% от общего излучения плазмы; результаты расчетов согласуются с экспериментами А.С.Камрукова, Н.П.Козлова, ГО.С.Протасова и др.

При разрядах в коническом плазмотроне (рис. 5), где излучение плазмы могло покидать систему только в направлении сопла в полосе прозрачности воздуха, оно было столь мощным, что в его фокусе за соплом наблюдался непрерывный оптический разряд в атмосфере; об этом свидетельствуют расчеты и эксперименты, проведенные в МГУ.

Рис. 4. Потоки энергнн при столкновении плазменных потоков 11Д1' п кварцевом канале

электрод

электрод

плазмообра-

зующий

диэлектрик

область непрерывного оптического разряда

Рис. 5. Потоки энергии при разряде в коническом плазмотроне

Исследована возможность концентрации теплового ВУФ излучения плазмы зоны ударно-волнового торможения потоков плазмодинамических разрядов в заданном направлении на основе преобразования ВУФ по 'направлению. По данным многопараметрических расчетов, достижимы КПД 30-50% в угол 210°.

При расчетах ударно-волнового торможения, кроме вышеуказанных процессов тепломассообмена, в ряде случаев оказалось необходимо учитывать неравновесность ионизации и превышение ионной температуры над электронной, а также значительное временное изменение скорости и плотности плазменных потоков ПДР; в результате параметры ударных волн, в согласии с экспериментами, существенно отличались от задаваемых стандартными соотношениями Гюгонио для одномерных квазистационарных потоков равновесной среды (наблюдались даже отрицательные ( скорости ударных волн). '

Изучены особенности взаимодействия высокоэнтальпийных плазменных потоков плазмодинамических разрядов с плотными газами. Для плазмодинамических разрядов с квазистационарным плазменным потоком в среде плотного газа в результате математического моделирования в двумерной нестационарной постановке на основе уравнений магнитной газодинамики с уче :ом излучения, а также анализа экспериментов, обнаружен ряд качественно различных стадий. При одной из них (рис. 6) зона МГД фскусирорки плазмы на оси симметрии совпадает с зоной газодинамической фокусировки потока конической газовой преградой, что приводит к кумуляции плазмы и мощному излучению. ..-'."

Рис. 6. Пространственное распределение параметров в стадии двойной (МГД и газодинамической) кумуляции.

Г - расчетная, Г' - экспериментально наблюдаемая границы эрозионной плазмы

Обнаружен эффект турбулентной модификации оптических характеристик излучающей струи на границе плазмы и газа. В отличие от дуговых излучающих разрядов, на границе плазмы плазмодийамического разряда и газа в результате турбулентного теплообмена температура растет до 1-2 эВ, и оптическая плотность многократно увеличивается в видимом спектре и с'ладает в вакуумной ультрафиолетовой области. В результате этого, во-первых, плазменная струя можег выглядеть на фотографиях как светящаяся оболочка (рис.7), что нередко приводило к ошибкам интерпретации. Во-вторых, облегчен выход ВУФ излучения в невозмущенный газ, что важно для приложений.

Исследованы закономерности релаксации «долгоживущих плазменных образований» - плазменных густков, ннжекгируемых в газ. Показано, что их «время жизни» определяется турбулентным тепломассообменом и равновесным составом плазмы воздуха с добавкой неходкий плазмы. Получен критерий, позволяющий по

внешним, проектируемым параметрам определить форму плазмоида (кольцо - 2г,«2К„ или квазисфера - 2г„»2/?„ см. рис.8), согласующийся с экспериментами А.Ф.Александрова, И.Б.Тимофеева и др.

Рис. 7. Излучательная способность плазменной струи в газе в видимом излучении без учета и с учетом турбулентной модификации (в разрезе, схематически)

Рис. 8. Геометрия импульсной инжекции и соответствующие формы

плазмоида

Рассмотрено воздействие излучающих плазменных потоков на металлическую стенку и обратное влияние тепло-массообмена на оггпческие свойства потока, выражающееся в появлении неоднородностей свечения - микросгустков. Излучающие «микросгустки» наблюдаются не только в различных устройствах'на основе плазмодннамических разрядов (импульсных плазмотронах, магиигсплазменных компрессорах, конических плазмотронах и др.), но и в таких бестоковых устройствах, как лазерные плазматроны, взрывные компрессоры и др. По «микросгусткам» диагностируют скорость потоков, хотя надежность этого была неясна, т.к., несмотря

на многочисленные работы, неизвестна была природа этих «микросгустков».

Предложено и обосновано объяснение природы «микроаустков» в терминах оплавления поверхности металла излучением плазмы, капельного выхода массы, испарения капель в плазме и формирования облачков плазмы металла, находящихся в тепловом и динамическом равновесии с потоком, но имеющих большую оптическую- плотность в видимом излучении (рис. 9). Это согласуется с известными свойствами «микросгустков», и подтверждается экспериментами со светоэрозионными плазмодииамическими разрядами с квазистационарным плазменным потоком, проведенными по предложению автора: форма «микросгустков» квазисферическая, их траектории начинаются у поверхности металла и идут по трубкам потока с некотрорй шгертей, замена металла меняет параметры «микросгустков», они экранируют яркие зоны течения, и т.п. По-видимому, этот механизм и приводит к появлению «микросгустков» во многих радиационно-плазмодинамических устройствах.

Рис. 9. К объяснению природы «микросгустков». Светлые стрелки - плазменный поток, темные - излучение

Глава 3 посвящена оптическим и термодинамическим слоист сам сильноионизованной плотной излучающей плазмы в области однократной и многократной ионизации - получению как методических результатов, так и комплектов справочных данных.

Па основе теории размерности и подобия показано, что для многих энергетических параметров плазмы, характеризующих влияние нереальности на оптические свойства плазмы, выполняется

подобие по заряду ионов г. С этой точки зрения при данной плотности многозарядная плазма более идеальная, чем однозарядная. Это использовано при объяснении экспериментальных данных по оптическим свойствам многозарядной плазмы плазмодинамических разрядов (для той области параметров оказалось применимо приближение слабой неидеальности).

Обнаружено подобие сечений фотоионизации основных и нижних возбужденных состояний валентных и внутренних электронов по зарядам ионов и ядер. На его основе разработан полуэмпирический метод расчета фотоионизационных спектров 1 э, 2Б, 2р, Зв, Зр, 36,4$ состояний атомов и ионов первых 30 элементов, удобный для массовых вычислений.

В результате массовых расчетов в широком диапазоне температуры, плотности и энергии квантов получены данные по составу, термодинамическим функциям, спектральным, групповым и интегральным оптическим характеристикам для ряда плазмообразующих веществ, применяющихся в различных радиационно-плазмодинамических устройствах. Парциальный состав многокомпонентной плазмы рассчитывался по формулам Саха с дебаевской поправкой на неидеальность. Тормозное излучение рассчитывалось по формуле Крамерса с множителем' Гаунта," фотоионизация внутренних, валентных и низковозбужденных состояний - по вышеописанному методу, до -100 возбужденных состояний на атом учитывалось индивидуально (по методу квантового дефекта), высоковозбужденные состояния учитывались по методу Л.М.Бибер'мана, Г.Э.Нормана. Подробные непрерывные спектры, рассчитанные в приближении слабой-неидеальности, применимы для описания' рабочей среды при численном моделировании радиационно-плазмодинамических устройств, а также для более точных вычислений с учетом линий и неидеальности. Обсуждаются справочные таблицы по термодинамическим и оптическим свойствам плазмы, опубликованные в дбух справочниках (рис. 10), переведенных в США издательством «Хемисфера».

Предложена квазимолекулярная модель, плазмы, основанная на прямом вычислении (но методу линейных комбинаций атомарных орбиталей) волновых функции возбужденных состояний как многоцентровых, делокализованных по ряду соседних ионов, кторые расположены хаотически (но с учетом ион-ионных корреляций), на

УДК 533.95: 069.1/89+537.226(083)

БОЙКО /О. В., ГРИШИН Ю. М., КАМРУКОВ Л. С., КОВАЛЕНКО Л. В., ЧУВАШЕВ С. Н.

Рецензент: докт. физ.-мат. наук КОБЗЕВ Г. А. УДК 533.95 : 669.1/89+537.226(083)'" " '

Термодинамические и оптические свойства плазмы металлов к диэлектриков. Справ. изд./Бойко Ю. В., Гришин Ю. М., Камру-ко в Л. С. и др. —М.: Металлургия, 1988. 400 с.

1 Приведены расчетные термодинамические характеристики плазмы ряда металлов, включая тугоплавких, а также диэлектриков. В широком диапазоне температур представлены данные, касающиеся пони-ляциошюго состава плазмы, се давления, внутренней энергии, а также оптических свойств. Изложена методика расчета характеристик плазмы. *

Для инженерно-технических работников и специалистов металлургически, химической, нефтегазовой, машиностроительной >1 других отраслей промышленности, занимающихся разработкой и применением источников низкотемпературной плазмы. Ил, 12. Табл. 122. Сиблногр. список 32 пая».

2605000000—023

Т--87—88

040(01)—88

^ВЫ 5-229-0000-1-5

(Ё* Издательство «Металлургия», ¡98Н

10. Характеристики справочников по свойствах! и.инмы 13 -

УДК 537.502(035.5)

Термодинамические л оптические свойства ионизованных газов при температурах до 100 эВ: Справочник/ Ю. В. Бойко, ¡0. М. Гришин, А. С. Камрукон и др.—М.: Энергоатомиздат, 1988.— 192 с. — 15ВЫ 5-283-03918-8

Содержит расчетные термодинамические и оптические спопсгиа многокомпонентной плазмы фтора, аммиака, йоды, углекислого газа, азота, кислорода и других веществ при температурах от I до 100 эВ {11 С00— I 160000 К), плотностях от Ю-4 до 1 кг/м3 и энергиях квантов от 1 до 1000 э13. Проведен анализ погрешностей использованных приближений, рассмотрена область применимости приведенных данных.

Дли научных сотрудников и инженеров о области высокотемпературной теплофизики, мощных электроразрядных н илазменно-оптнческих систем, высокоскоростной газодинамики.

Авторы: Ю. В. Бойко, 10. М. Гришин, А. С. Камруков, Н. П. Козлов,-10. С. Протасов, С. Н. Чуваше»

Рецензент В. Е. Фортов

Справочное издание

Бойко Юрий Витальевич Гришин Юрий Михайлович Камруков Александр Семенович Козлов Николай Павлович Протасов Юрий Степанович Чуоашеа Сергей Николаевич

Термодинамические и оптические свойства ионизованных газон при температурах до 100 эВ

Редактор В. II. Безрукова Художественные редакторы Кирьянов А. Т., Хромова Г: If. ТехническиЛ редактор Г. Г. Самсонова Корректор //. /1. Волод.чеоа 1Ш № 2575

Сдано п набор 03.02,88, Подписано о печать 18.03.88. Т-00129

Формат GOXbO'/n- Вумагв типографская Ni 2 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. нем. л. 12,0 Уел кр.-отт- 12,0 Уч.-над. л. |Я.З!> Тираж 2200 5.КЭ Заказ G3Jb" Ценз I [>. 20 к.

Эпсргоатомтдаг. 113114, Москва. M ill. Шлюзовая наб., 10

Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МП О «Первая Образцовая типография имени А. Д. Ждо»оол> Союш'.'лпграфнрома при 1Ъскомнздпте СССР. 113054, М-51, Москва, Валовая, 28.

I70'10-I00u0-38B

тЙТ(Т,Г)-8н-- т'вн ,

ISBN r/-28:;-0:«)18-rf © Эиергоатомю*

компенсирующем фоне свободных электронов с дебаевской экранировкой.

Е

, см""

Рис. 11. Потенциальная диаграмма для возбуждения атома в плазме по кйЬзимолекулярной модели, г - экранированные ионы, а - ион исходного атома

Рис. 12. «Растворение» спектральных линий при увеличении концентрации плазмы водорода и ксенона. Точки - эксперименты В.Е.Гаврилова, Т.В.Гавриловен, линии - расчет

По этой модели, при возбуждении атома электронный уровень возбужденного состояния расщепляется, а при статистическом усреднении формируется колоколообразный квазиконтинуум, значительно уширенный ("гиперуширенке") и сдвинутый вверх по энергии ("гиперсдвиг"), а также сильно ослабленный уровень на "старом" месте ("растворенке"). Причины уширения - разность потенциалов, под которыми находятся различные ионы (рис. 11), а также изменение формы, молекулярных волновых функций, при сложении или вычитании атомарных, центрированных на разных ионах (аналог расщепления уровней в молекуле). Причины сдвига -дебаевская экранировка ионов, а также то, что атом до возбуждения находился под большим потенциалом, чем ионы (из-за малости корреляций), т.е. электрон находился в дополнительной потенциальной яме (рис. 11). На основе, квантово-механических статистических расчетов получены аппроксимационные формулы, предназначенные для приближенного учета влияния указанных эффектов неидеальности при расчетах оптических свойств. Проводится сопоставление с экспериментами (рис.12).

Показана техническая возможность использования результатов расчетов по модели при массовых вычислениях оптических свойств с учетом линий.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ (ВЫВОДЫ)

1. Обнаружен н исследован эффект магнитогидродинамического шунтирования. Показано, что и результате его проявления мощные излучающие плазмодннамические разряды с токовым слоем могут переходить в режим, характерный для плазмодинамических разрядов с квазпетационариым плазменным потоком, что ограничивает работоспособность ' ряда плазмодинамических устройств. Получены критерии и указаны пути повышения устойчивости плазмодинамических разрядов с токовым слоем.

2. Для разрядов с экстремально высокой силой постоянного тока -плазмодинамических разрядов со светоэрозиониым механизмом плазмообразования и формированием квазистационарного излучающего плазменного потока - получены аналитические закономерности для основной токовой зоны, для случая таких разрядов типа мапштоплазменного компрессора определены причины разброса массы по скоростям и формирования высокоэнергетичных компонент ВУФ излучения, проведен скейлинг в широком диапазоне масштабов и мощностей, указаны пути управления внутренними параметрами и эмиссионными характеристиками.

3. Показано, что при взаимодействии сверхзвуковых высокоэнтальпийных потоков плазмы с плазмой, стенками и газом параметры ударных волн могут существенно отклоняться от рассчитанных по соотношениям Гюголио (для квазистационарных одномерных локально термодинамически равновесных потоков) -вследствие неравновесной ионизации, нестационарности потоков и радиационного тепломассообмена, , а мощность выходящего излучения может быть существенно выше расчетной излучательной способности элсктроразрядной плазмы - вследствие преобразования энергии ВУФ излучения по сгектру и направлению. Это позволило сформулировать принципы управления радиационными потоками, получить непрерывный оптический разряд в атмосфере в сфокусированном тепловом широкополосном излучении, и предложить концепцию источника направленною теплового ВУФ излучения. Для плазмодинамических разрядов мапштоплазменного компрессора в газе обнаружена оптимальная по излучательной способности стадия двойноГ. кумуляции потоков (магпитогидро-

динамической и газодинамической преграде).

на конической газовой

4. Показано, что контакт излучающих потоков плазмы неметаллов с металлическими элементам!! конструкции широкого спектра радиацнонпо-плазмодинамических устройств приводит к появлению в плазме облачков паров металла, проявляющихся как более плотные и более оптически плотные (в видимом свете) элементы потока (микросгустки), что можно использовать при управлении элементным и фазовым составом потоков и их диагностике.

5. Показано, что в результате воздействия гидродинамической неустойчивости на плазменный поток в газе: во-первых, происходит турбулентная модификация термодинамических и оптических характеристик границы плазмы и газа, что существенно облегчает выход'' коротковолновых ионизирующих квантов из излучающей плазмы в невозмущенный газ, а также повышает излучательную способность границы в видимом спектре, и потому плазменные струи часто выглядят как светящиеся оболочки; во-вторых, при релаксации плазменной струи форма плазменного объема и процессы релаксации определяются образованием вихрей и турбулентным переносом. Получен количественный критерий формы плазмоида, указаны пути повышения времени его жизни.

6. С использованием обнаруженного подобия по зарядовым числам получены справочные данные по оптическим и термодинамическим свойствам многокомпонентной сильиоионизованной и многократно ионизованной плазмы при-температурах 1-100 эВ, плотностях 10"4 -1 кг/м , энергаях квантов 1-1000 эВ для ряда плазмоооразующих веществ. Эти данные предназначены для использования при моделировании систем и устройств радиационной плазмодпнамики.

7. Предложена квазимолекулярная модель умереино-плотпой (~

]0п-10'9 см"3) плазмы, из 'которой следует, что вследствие образования многоцентровых состояний в электронном спсктрс

вместо возбужденного одноцентрового уровня образуется колоколообразный профиль, существенно (~ | эВ) уширенный и сдвинутый вверх по энергии, на основе чего интерпретируется влияние не идеалы гости на оптические свойства. Данное направление исследований может привести к описанию свойств умеренно-плотной плазмы.

ЛИТЕРАТУРА

1. О расчете спектров сечений фотоионизации неводородоподобиых атомов и ионов. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев // Оптика и спектроскопия. - 1983. - N 1. - С. 17-21.

2. Арделян Н.В., Космачевский К.В., Чувашев С.Н. К вопросу о расчете двумерных газодинамических течений на меняющейся лагранжевой сетке // Библиотека программ для решения краевых задач разностными методами. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - С. 137-146.

3. Чувашев С.Н. О возможности получения субмикросекундных фронтов нарастания излучения за счет эффектов неравновестности в зоне столкновения плазменных потоков // V Всес. конф. "Динамика излучающего газа": Тез. докл. - М..-ВЦ АН СССР 1983. - С.44-45.

4. Численное моделирование нестационарных неравновесных радиацнонпо-газодинамических процессов при столкновении плазменных потоков в канале с испаряющимися стенками / А.С.Камруков, ГШ. Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев. // V Всес. конф. "Динамика излучающего газа": Тез. докл. - М.: ВЦ АН СССР, 1983.-С.46.

з. Численный анализ нестационарных процессов в неравновесной излучающей плазме зоны кумуляции встречно-направленных потоков в канале с испаряющимися стенками / А.С.Камруков, Н.Н.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев. // VI Всес. конф. "Физика низкотемпературной плазмы": Тез. докл. Т.1. - Л.: ЛИЯФ, 1983. - С.' 384-386.

6. Исследование структуры гетерогенной плазменной струн импульсного генератора плазмы / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Е.П.Мышелов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев. // IX Всес. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы: Тез. докл. - Фрунзе: ДОНИШ, 1983.-С. 264-265. •.

7. Расчет параметров плазменного потока импульсного эрозионного плазменного ускорителя. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев Ч ПМТФ. - 1984. - N2. - С. 3-9.

8. Камруков А.С. Козлов Н.П., Чувашев С.Н. О влиянии ионизационных энергозатрат на процессы формирования плазменного фокуса в магнитоплазменном компрессоре эрозионного типа. // ТВТ. - 1984. - Т. 12. - N 4. - С. 789-792.

9. Арделян Н.В., Космачевский К.В., Чуваьев С.Н. Об однбм методе расчета двумерных газодинамических течений, близких к лагранжевым // V Международное совещение по проблемам математического .моделиров.лшя, программирования и математическим методам решения задач: Тез.докл. - Дубна, 1984. -С. 80.

10. О природе микронеоднородностей излучающих плазменных потоков. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чуваше» // Письма в ЖТФ. - 1985.-Т. 11.-N23.-С. 1447т 1452.

11. Радиационно-газодинамические процессы в кумулятивных плазмодинамических МПК-разрядах. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.НЛувашев // ЖТФ. - 1985. - Т. 55. - N 3. - С. 533543. •

12. Математическое моделирование плазмодинамических излучающих разрядов магнитоплазменного компрессора на перестраиваемых лагранжевых сетках./ Н.В.Арделян, А.С.Камруков, С.Н.Чувашев и др.// Препринт / Институт прикладной математики АН СССР. - М.,1985.-N 54.-29 с.

13. Оптические и термодинамические свойства плазмы полиформальдегида. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев // ЖПС. - 1985. - Т. 43. - N 6. - С. 897-901.

14. Численное моделирование нестационарных МГД-процессов истечения в гелий сверхзвуковой струи электроэрозионной фторуглеродной плазмы. / Н.В.Арделян, А.С.Камруков, С.Н.Чувашев и др.// Препринт / Институт прикладной математики АН СССР. - М., 1986.-N 62.-24 с.

15. Динамика неравновесной и многократной ионизации и рекомбинации плазмы импульсного ускорителя / Ю.В.Бойко, А.С.Камруков, С.Н.Чувашев и др. // VI Всес. конф. "Плазменные ускорители и ионные инжекторы": Тез. докл. - Днепропетровск: ДГУ, 1986.-С. 221-222. -

16. Бугримов С.Н., Козлов Н.П., Чувашев С.Н. О природе микронеоднородностей _ в излучающих плазменных потоках импульсных генераторов плазмы различных типов / X Всес. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы: Тез. докл. - Минск: ИТМО АН БССР, 1986. - С.85-86.

17. Оптические и термодинамические свойства фторуглеродной плазмы. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев // ТВТ. 1986. - Т. 24. - N 1. - С. 1-8, , . ,

18. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н., Щепанюк Т.С. Экспериментальные исследования структуры истекающей в газ сверхзвуковой струи импульсного генератора плазмы // VII Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы: Тез. докл. Т.2. -Ташкент: ФАН, 1987. - С. 3-4.

19. Подобие н оптимизация источников излучения на основе светоэрозионных. плазмодинамических разрядов в газах / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С Протасов, С.Н.Чувашев. // VII Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы: Тез. докл. Т.2. -Ташкент: ФАН, 1987. - С.254-255.

20. Численное моделирование излучающих плазмодинамических разрядов магнитоплазменного компрессора эрозионного типа. / Н.В.Арделян, А.С.Камруков, С.Н.Чувашев и др. // Доклады АН СССР. - 1987. - Т. 292. - N 3. - С. 590-593.

21. Магнитогазодинамические эффекты при взаимодействии с газом эрозионных плазменных потоков магнитоплазменного компрессора. / Н.В.Арделян, А.С.Камруков, С.Н.Чувашев и др.// Доклады АН СССР. - 1987. - Т. 292. - N 1. - С.78-81.

22. Оптические и термодинамические свойства плазмы органического стекла. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев // Известия ВУЗов. Физика. - 1987. - N 4. - С. 69-73.

23. О влиянии гидродинамических неустойчивостей на спектрально-яркостные характеристики излучающих разрядов. Эффект турбулентной модификации. / А.С.Камруков, Н.П.Козлов, С.Н.Чувашев и др. // ЖТФ. - 1987. - Т.57. - N7. - С. 1412-1416.

24. Термодинамические и оптические свойства плазмы металлов и диэлектриков / Ю.В.Бойко, Ю.М.Гришин, С.Н.Чувашев и др. - М.: Металлургия, 1988. - 450 с.

25. Термодинамические и оптические свойства ионизованных газов при температурах до 100 эВ. / Ю.В.Бойко, Ю.М.Гришнн, С.Н.Чувашев и др. - М.: Энергоатомиздат,,1988. - 192 с.

26. Козлов Н.П., Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. О неустойчивости структуры плазмодинамических разрядов с излучающей токовой оболочкой // IV Всес. конф. по физике газового разряда: Тез. докл. -■ Махачкала: ДГУ, 1988. - С.145-146.

27. Камруков A.C., Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Термодинамика и состав плазмы нержавеющей стали вплоть до полной ионизации. // Известия ВУЗов: Машиностроение. - 1988. - N 9. - С. 33-36.

28. Об устойчивости плазмодинамических разрядов с плазменной токовой оболочкой. / Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев,' В.Е.Осташев, DJ:.Фортов. // Препринт / Ин-т высоких температур АН СССР. - М.,

1988,-N6-253.-24с.

29. Козлов Н.П., Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Задачи по плазмодинамике: методики и алгоритмы программ. - М.: Изд-во МГТУ, 1988. - 52 с.

30. О поглощении оптического излучения в умеренно-плотной недебаевской плазме разряда в инертных газах и их смесях. / И.М.Гуревич, В.С.Мнускин, А.Н.Токарева',' С.Н.Чувашев // ТВТ. -

1989. - Т.27. -N 6. - С. 1068-1077.

31. О механизмах и критериях потери устойчивости плазмодинамических . разрядов" с токовой оболочкой. / Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев, В.Е.Осташев, В.Е.Фортов.// Доклады АН СССР. - 1989. - Т.309. - В.2. - С. 339-343.

32. Численное моделирование и теоретическое исследование излучающих плазмодинамических разрядов //• Н.В.Арделян, Н.П.Козлов, С.Н.Чувашев и др. // I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М.: Энергоатомиздат,1989. - С. 16-17.

33. Эффективный метод численного моделирования плазмодинамических разрядов // Н.В.Арделян, К.В.Космачевскнй, С.Н.Чувашев и др.// I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М: Энергоатомиздат,1989. - С. 1921.

34. Чувашев С.Н. Анализ рабочих процессов в светоэрозионном * плазмодинамическом источнике сильных ударных волн в воздухе //1

Всес. симпозиум тю радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. -М.: Эиергоатомиздат,1989. - С. 29-31.

35. Чявашев С.Н. Неустойчивости и колебания в светоэрозионных плазмодинамических разрядах с квазистационарным потоком // I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. -М.: Эпергоатомиздат,1989. - С. 42-44.

36. Чувашев С.Н. О структуре плазменного фокуса светоэрозионных плазмодинамических МПК-разрядов // I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М.: . Энергоатомиздат, 1989. - С. 44-46.

37. Чувашев С.Н. О зоне ускорения в светоэрозионных плазмодинамических разрядах с квазистационарным плазменным потоком // 1 Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С. 47-49.

38. Арделян Н.В., Звенигородская Т.В., Чувашев С.Н. Численное моделирование шунтирующей силовой мапштогидродинамической неустойчивости . // I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М.: Энергоатомиздат, 1989". - С. 9496. .

39. Кравченко A.A., 4увашев С.Н. О квазимолекулярных спектрах и мягкой щели в энергетических состояниях неидеальной плазмы // I Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.2. -М.: Энергоатомиздат,1989. - С. 46-48.

40. Кравченко A.A., Чувашев С.Н. О расчете оптических свойств неидеальной плазмы в области многократной ионизации // 1 Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.2. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С. 86-88.

41. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. О законе подобия электронных а оптических спектров по заряду ионов. // Письма в ЖЭТФ. - 1989. -Т.З.-В.З, -С. 147-149.

42. Формы существования плазмодинамических разрядов в коаксиальных и рельсовых электродных системах Н Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев, В.Е.Осташев, В.Е.Фортов П V Междунар. конф. по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам: Тез. докл. - Новосибирск: Наука, 1989. - С.113.

43. Эволюция структуры и параметров плазменной струи при импульсной инжекции в атмосферу. / А.П.Ершов, И.Б.Тимофеев, С.Н.Чувашев, С.П.Быцкевич // ТВТ. - 1990. - Т.28. - N 3. - С. 583-589.

44. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н., Щепанюк Т.С. Экспериментальное исследование внутренней структуры изтучающих плазмодинамических МПК-разрядов в газах. // ТВТ. -1990. - Т. 28. - N 3. - С. 444-454.

45. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. О скейлинге плазмофокусных излучающих разрядов магнитоплазменного компрессора // ПМТФ. - • 1990. - N 4. - С. 19-26.

46. Forms of plasmadynamic discharges in coaxial and rail electrode systems. /Yu.S.Protasov, S.N.Chuvashev, V.E.Ostashev, V.E.Fortov II Megagauss fields and pulsed power systems. - New York: NBS, 1990. -Pp. 789-794.

47. Численное моделирование и теоретические исследования излучающих плазмодинамических разрядов / Н.В.Арделян, К.В.Космачевский, Чувашев С.Н. и др. // Радиационная плазмединамика. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 191-249.

48. Shape of plasmoids formed with pulsed plasma jet injection into gas. / A.F.Alexandrov, S.P.Bytskevich, S.N.Chuvashev // XX International Conference on Phenomena in Ionized Gases: Pxoc. - 1991. - Pp. 9(55-966.

49. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. К проблеме анализа электронных и оптических спектров плотной сильноионизованной плазмы II П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. -М.:МГТУ. 1991.-С. 7-9 -.

50. Чувашев С.Н. О влиянии вдуйа массу на развитие шунтирующей неустойчивости // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. Ч. 1. - М.: МГТУ. 1991. - С. 77-78.

51. Телех В.Д., Чувашев' С.Н. Метод расчета радиационного переноса в длинных каналах // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. ■ М.: МГТУ. 1991. - С. 79-81,

52. Численное моделирование светоэрозионных плазмодинамических разрядов в магнитопла/менном ускорителе // Н.В.Арделян, В.Е.Осташев, С.Н.Чувашев, Т.А.Янгулова. // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.1. - М.: МГТУ. 1991.-С. 82-84.. . v

53. Чувашев С.Н., Щепанюк Т.С. Метод измерения мощных потоков вакуумного ультрафиолетового излучения // П Всес, симпозиум по

радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.2. - М.: МГТУ. 1991. -С, 77-79.

54. Формирование устойчивых структур при импульсной инжекции плазменной струи в затопленное пространство //С.П.Быцкевич, A.n.iipuiOB, С.Н.Чувашев и др. // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. 4.2. - М.: МП'У. 1991. -С. 108-109.

55. Телех В.Д., Чувашев С.Н. JTKAO-расчет квазимолекуляриых состояний в плотной сильноиоинзованкой плазме // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл, Ч.З. - М.: МГТУ. 1991.-С. 5-7.

56. Чувашев С.Н. О возбужденных квазимолекулах из многозарядиых ионов в плотной плазме // П Всес. симпозиум по радиационной плазмодинамике: Тез. докл. Ч.З. - М.: МГТУ. 199]. -С. 19-20.

57. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных устройств. Т.1. Эмиссионная электроника. - М.: Высшая школа, 1992. - 464 с. - Т.2. Плазменная электроника, - М.: Высшая школа, 1993. - 723 с.

58. Формирование устойчивых структур при импульсной инжекции плазменной струи в затопленное пространство / М.Д.Анохин, С.П.Быцкевич, Чуваше» С.Н. и др. // ТВТ. - 1992. - Т. 30. - N 2. - С. 244-249.

59. Protasov Yu.S., Chuvashev S.N. Electronic structure, spectra! lines shift and optical transitions in atoms and ions of matter between solid (metal) and gas plasma states. // 13 Intern, conf. on Atomic Physics: Proc. -Munich', 1992.-P. 20-21.

60. Эффект турбулентной модификации и транспортные свойства плазмодинамических разрядов в вакуумном ультрафиолетовом излучении / Ю.С.Протасов, С.Н.Чувашев, Т.С.Щепашок, М.В.Кутырев И ТВТ. - 1992. - Т. 30. - N 2. - С. 244-249.

61. Chuvashev S.N., Protasov Yu.S. A new method of dense plasma optical, spectra computation. ,//25 European Group for Atomic spectroscopy conference: Proc. - Caen, 1993. - Pl-069.

62. Chuvashev S.N., Protasov Yu.S., Telekh V.D. Quasimolecuhr hypershift arid hyperbroadening of bound electrons energy spectra in dense plasma. //25 European Group for Atomic spectroscopy conference; Proc. - Caen, 1993. - Pl-070.

63. Cross sections of interaction of0,1-10000 eV photons with Cu atoms and ions / V.V.Abeyev, K.V.Antipov, S.N.Chuvashev, а.оУ/25 European Group for Atomic spectroscopy conference: Proc. - Caen, 1993, - PI-071.

64. Chuvashev S.N., Protasov Yu.S,, Telekh V.D, A new ab initio quantum statistical model for bound and quasimolecular states in non-

ideal plasma. II XXI International Conference on Phenomena in Ionized Gases: Proc. V. 2. - Bochum, ЮОЗ. - Pp. 229-230.

65. Скоростные плазменные струи в воздухе. 1. Динамика импульсной струи, генерируемой кумулятивным плазмотроном с конииескоЙ геометрией. / А.П.Ершов, И.Х.Имад, Чувашев С.Н. и др. //ТВ 1. - 1993. - Т. 31. - N 3. - С. 364-368.

66. Скоростные плазменные струи в воздухе. 2. Параметры импульсной плазменной струи, инжектируемой кумулятивным плазмотроном с конической геометрией. Í А.П.Ершов, И.Х.Имад, Чувашев С.Н. и др. // ТВТ. - 1993. - Т. 31. - N 4. - С. 531-534.

67. Скоростные плазменные струи в воздухе. 3. Нелазерный непрерывный оптический разряд в воздухе /А.Ф.Александров, А.П.Ершов, С.Н.Чувашев и др. // 'ШТ. - 1993. - Т. 31. - N 5. - С. 850851.

68. Чувашев С.Н. Эффект магнитогазодинамического шунтирования магнитотоковых структур с токовым слоем. Линейная стадия // ТВТ. - 1996. - Т. 34.-N 2. - С. 187-192.

69. Эффект магнитогазодинамического шунтирования магнитотоковых структур с токовым слоем. Нелинейная стадия / Н.В.Арделян, С.Н.Чувашев, Т.Н.Янгулова, В.Е.Осташев И ТВТ. -1996. - Т. 34. - N 3. - С. 474-495.

Чувашев Сергеи Николаевич

РАДИАЦИОН НО-ПДАЗМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И СВОЙСТВА среды СИЛЬНОТОЧНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ РАЗРЯДОВ

Автореферат

Подписано к печати 22.12.97

Формат 60x00/16 Усл.пач.л.1,86 Бесплатно

Печать офсетная Тираж 100 экз.

Уч.-иэд.л.2,0 Заказ » 427

АП"Ыанс". 127412,Носква,ул.Ижорская 13/19

I А

московский государственный университет

юносова

На правах рукописи

Чувашев Сёр^й^иколаев^^,ъ

РАДИАЦИОННО-ПЛАЗМО ДИНАМИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА СРЕДЫ СИЛЬНОТОЧНЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ РАЗРЯДОВ

Специальность 01.04.08 Физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

- 2 -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДШИЕ

1. ИССЛЕлЦОВАхШЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ СИЛЬНОТОЧНЫХ ПЛАЗМОДЙНАММЧЕСКМХ РАЗРЯДОВ

1.1, Эффект магштогазодшашческого шунтирова-

ния магнитотоковых структур с токовым слоем 1б

1.1.1. Введение. Общая характеристика эффекта 16

1.1.2. Линейная стадия МГД шунтирования 19

1.1.3. Нелинейная стадия 23 1.2. О режимах плазмодинамических разрядов в

мощных электрофизических установках 32

1.2.1. Конечная квазистационарная магнито-токовая конфигурация при МГД шунтировании зона'ускорения квазистационарного плазменного потока (КПП) 32

1.2.2. МГД шунтирование и границы существования плошодйнашческих разрядов 33

1.2.3. Сопоставление теоретических результатов с экспериментами 36

1.3. Исследование светоэрозионных нлазмодинамичее-'ких разрядов с квазистационарным плазменным

потоком 42

1.3.1. Математическое моделирование. Подобие компрессионных течений плазмы 44

1.3.2. Анализ механизма плазмообразования ■ 48

1.3.3. Скейлинг светоэрозионных плазмодинаш......

чееких разрядов магнитонлазменного компрессора 51

Г" г~7

У !

РАДЙАЩОШЮ-ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКМЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ

ТЕПЛО-МАССООБМШП? ПЛАЗМЕИШХ ПОТОКОВ С ГАЗАМИ,

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ й МШАЛШШШШ СТЕНКАМИ 57

2.1. Взаимодействие высокоэнтальпийной плазмы с испаряющимися полупрозрачными стенками 2.1.1. Торможение плазмы в канале с полупрозрачными стенками. Влияние неравновесности. Преобразование БУФ излучения по спектру 58

2.1.2» Непрерывный оптический разряд в излучении плазмы конического

плазмотрона. Преобразование излучения по спектру и направлению 69

2.1.3.Преобразование ВУФ излучения по направлению. О возможности создания "ВУФ-прожектора" 73

2.2. Излучение при взаимодействии плазменных потоков с плотным газом 81

2.2.1. Излучение при торможении на газовой преграде сверхзвукового плазменного потока 81

2.2.2. Эффект турбулентной модификации спектрально-яркоетных характеристик плазменных струй 80

2.2.3. Релаксация долгоживущих светящихся плазмоидов в атмосфере 92

2.3. Взаимодействие излучающей плазменной струи с

металлическими: стенками. Природа микронеодно.....

родноетей (мякроегустков)

о о

у а

' ДОПДДДДУЙ/ПДДД ьДД;.ДДДа о аОЯДОаОДкД

à ент ал ь F;:a я а д роб а цел ani сддоки" О ад; • адмад да ДУД д]жо]тдоа

такия спсктры и: слаоис'гдлЛ шютной

дддд^адьаоооп не ододгр::;

аарядоаоац даодд

'i V;- Vf,—, - .-.V i-.;;-,;'!'..'".-'!- Л,..,,,;;.^,,,,.,,,,,,^,;,;-,,,

г . Т, . ' ■ . / 1 ■ ■ ' ■ - ■ ' , . ' А , " ■ ■ !. i гл.-.. ■ ; ■ '. ' , .

апдктров

е;дддд: -поддал ам плаомн дл;

ааочетоа

ододем

дд до учете линий: а аФ'педтод дапд^адыпдд'и

Ш'ШГА

- 5 -

ВВЕДЕНИЕ

Для решения задач науки и техники сегодняшнего и завтрашнего дня применяются и перспективны радиащонно-плазмоданамическме устройства на основе явлений, характеризующихся существенным взаимным влиянием теплового излучения и движения плазмы: сильные ударные волны, кумулятивные явления, процессы взаимодействия с веществом мощных, потоков излучения и пучков частиц, сильные взрывы и др.

т-р гч

[1-36]; к ним относятся и мощные (10 -10х Вт) плазмодинамические разряды (ВДР), в которых электромагнитная энергия преобразуется в кинетическую при ускорении массы собственными магнитными силами разряда [1-12]. Для этих явлений общими являются как формализм теоретического описания, так и набор основных физических эффектов.

Принципиальная актуальность исследования комплекса указанных явлений обоснована общим направлением прогресса в использовании достижений физики, связанного с постепенным расширением диапазона плотности мощности и энергии, освоенного практикой (обычно вначале оборонными, а затем ..... и гражданскими технологиями).

Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ, указанная область знаний еще находится, по-видимому, в стадии накопления и первичного обобщения информации; при изучении

оригинальной и обзорной литературы часто создается впечатление моза.....

ичноети и незавершенности, только начинают выявляться глубинные аналогии физических процессов в различных радиационно- плазмодинами-чееких установках, обнаруживаются новые физические эффекты, причем даже в интенсивно исследуемых устройствах установлены далеко не все существенные связи и закономерности, что, естественно, тормозит реализацию их потенциальных возможностей.

Следует отметить также явный недостаток в данных по оптическим и термодинамическим свойствам рабочей среды - излучающей многокомпонентной плотной плазмы в области однократной и многократной ионизз-

/I о

ции (температура 1-100 вВ, давление 10'-Ю-' Ца, энергия квантов

о

1-10 эВ)? ети данные необходимы для проведения расчетов и анализа радиационео-плазмо,динамических процессов. Сложность в определении таких данных заключается, во-первых, в нерешенности ряда принципиальных вопросов описания указанного состояния вещества г так, при

\ Р. 1 О — ч

концентрациях более 10 -10 ' см расчеты коэффициентов поглощения по традиционным методикам [196-200] дают многократные- ошибки [38-60], а общепринятое объяснение ©того отсутствует, несмотря на многолетние исследования и достигнутые успехи (см., например, [36,55-60]). Во-вторых, препятствием является трудоемкость проведения вычислений: должны рассматриваться вклады до десятков тысяч фотопроцеесов с учетом специфики многочисленных возбужденных состояний различных ионов элементов, присутствующих в плазме, для каждого плазмообразующего вещества должны быть получены сложные спектральные зависимости для различных значений температуры и плотности (что вызывает трудности даже в представлении результатов). Поэтому оптические свойства известны с подробностью, достаточной для решения задач радиационной плазмодинамики, только для некоторых плазмообра-зуадих веществ (воздух, Аг, Ы, А1 и некоторые другие [63-72]).

В представленной работе, посвященной решению указанных задач, обобщены с единых позиций результаты цикла работ [73-141], проведенных на Физическом факультете и факультете Вычислительной: математики и кибернетики (ВМиК) МГУ им.М.В.Ломоносова и в МГТУ им.

H.Э.Баумана. Большая часть этих работ проведена в тесном сотрудничестве с группой математиков - создателей высокоэффективных численных методов - под руководством А.А.Самарского, Н.В.Арделяна (ВМиК МГУ), и е мощными экспериментальными группами под руководством

I. Ф. Александрова, И.Б.Тимофеева (Физический факультет МГУ) и Н.П.Козлова, Ю.С.Протасова, А.С.Камрукова (МГТУ им. Н.З.Баумана).

Личный вклад автора состоит в том, что им обнаружены и исследо.....

ваны описанные в работе новые закономерности и эффекты, для чего он выполнял физическую (и математическую) постановку всех обсуждаемых ниже вычислительных и части натурных экспериментов, проводил численное моделирование лично или участвовал в расчетах (в том числе решая текущие вычислительные проблемы), обрабатывал, анализировал и интерпретировал результаты вычислений и экспериментов. В результате он внес решающий или равноправный вклад в работы, в которых отражены основные, материалы диссертации; это подтверждено материалами семинара по материалам диссертации в МГУ и личными заявлениями А.С.Камрукова, Н.П.Козлова, Ю.С.Протасова (МГТУ).

Теоретические положения, разработанные автором в результате выполнения этого единого цикла работ, относятся не только к непосредственно изученным системам и устройствам, а к широкому классу плазменных систем. Поэтому в совокупности эти положения представляют новое крупное достижение в развитии радиационной плазмодинамики, физики неидеальной плазмы, физики газового разряда.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Обнаруженный эффект МГД шунтирования является одной из основных причин ограничения скоростей макротел в магнитоплазмешшх ускорителях. Установленные закономерности развития МГД шунтирования и способы его подавления используются при поиске путей оптимизации указанных систем, а также могут применяться при разработке и оптимизации других устройств на основе ПДР с ТС.

2. Эффекты взаимодействия с веществом излучающиих плазменных потоков - турбулентная модификация оптических свойств границы плазменного потока с газом, преобразование ВУФ излучения ЦЦР по направлению и спектру, и механизм формирования "микросгустков" -могут использоваться при концептуальном проектировании и оптимизации широкого круга радиационно- плазмодинамнчееких устройств (при организации транспорта ВУФ излучения, управления спектром и

.диаграммой направленности, минимизации капельной эрозии и т.п.), они должны учитываться при интерпретации экспериментальных данных.

3. На основе развитых представлений о физике светоерозионных НДР с КПП, принципов управления рабочими процессами, скейлинга и концепции источника направленного ВУФ возможно создание эффективных источников мощного коротковолнового излучения.

4. Полученные массовые справочные данные по оптическим и термодинамическим свойствам плотной многокомпонентной многократно ионизованной плазмы ряда газов и диэлектриков опубликованы в справочниках [96,973 » изданных в России и переведенных в США, они применимы при численном моделировании широкого круга задач радиационной плазшди-намики, а оригинальные методики расчета оптических свойств плазмы могут применяться при подобных расчетах для широкого круга гшазмообразувдих веществ.

5. Эффект МГД шунтирования, закономерности структуры электронных и оптических спектров плотной плазмы и методика расчета фотоионизационных спектров описаны в тексте книги [129], допущенной в качестве учебного пособия для ВТУЗов.

Научная новизна заключается в том, что впервые получены следующие результаты;

1. Обнаружен эффект магнитогазодинамического шунтирования, характерный для плазмодинамических разрядов с токовым слоем. Определены причины и критерии перехода между двумя основными типами сильноточных плазмодинамических разрядов. Для светоерозионных ПДР о ТС в протяженном канале показана стабилизирующая роль вдува массы.

2. Построена замкнутая модель основных рабочих процессов при светоерозионных плазмодинамических разрядах магнитоплазмеиного компрессора. Определена причина временного разброса массы ускоряемых квазистационарных плазменных потоков по скоростям, приводящего к значительному изменению спектров излучения разряда»

-J j

i Л.-,.'..i. i.

о-aa; доля ля

П,? : ^)

ял- '-лляч ЯЯГЛЛ'-; на

РУЛКЯЛ КВАНТОВ i-'.; НЯЛЛЯЛЯ!ДЛПЯЙ ЛЛ И ПОЪЯ1;ЯЯЛЯи ЯЯЯ.уЯЛ.Л.ЯЯЛЯ.Л ЛЛЯЯЯ'

-яялл ллляля алалы с яаалл в вяядяоа дяаяяяия',

?... Показано., что ялллол]дя яаялляяяя; яалш .о лая: яяял- окоя

о . -тро'досоами лерлакя-

coa и получая г-ляля

улйя оялляяляшяая Фарму рядллляллщаго ллаааалдз íalapa лак' кольцо) 8 , Baaaaaa ядлрояа устойчивых яяараьлллородяоотьй являлся Ыляосяллотлл ) , наялвдлащаяой клизме яядокояя класса мяляыь рл;л

ЛРЯОЯ ПОКОЯ ЯЧеЬЯЯЯЯ ПЯО:ЛЛОЯЯЛЛЯ ПОТОКаМИ „

(таперуширение).

10, На основе применения теории: подобия к уравнению Шредингерз показано, что для ряда эффектов неидеальности в области многократной ионизации ^ > 1) границе слабонеидеальной и неидеальной плазмы соответствуют значительно более высокие (в раз) электронные концентрации, чем при 2 = 1.

Автор выносит на защитуг

1. Постановку задачи, результаты численных расчетов линейной и нелинейной стадий развития МГД шунтирования, характерного для НДР с ТС, аналитическое и численное исследование зоны ускорения ПДР с КПП,

2. Результаты расчетно-теоретического исследования светоэрози.....

онных ПДР по двумерной нестационарной и по аналитической моделям»

3. Постановку задачи, результаты численного моделирования и анализа неравновесных нестационарных радиационно-плазмодинамических процессов при тепломассообмене плазмы в канале е испаряадимися стенками, в коническом плазмотроне- и в источнике направленного теплового вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

4. Постановку задачи, результаты численного моделирования и анализа взаимодействия с газом плазменных потоков, приводящих к генерации мощного излучения, турбулентной модификации свойств границ струи и формированию долгоживущих плазмоидов.

5. Постановку задачи и анализ экспериментальных результатов по исследованию природы микросгустков в ПДР МПЕ и взаимодействия излучающих плазменных потоков с металлическими стенками.

6» Постановку задачи, квантово-статистическую модель и анализ результатов численного исследования связанных состояний в плотной невырожденной сильноионизованной плазме, и ее оптических спектров»

7. Анализ подобия: эффектов неидеальности - по зарядовому числу, и фотоионизационных спектров - по зарядовым числам ионов и их ядер, и основанные на этом методики вычисления свойств плазмы.

8= Комплекс методик и результаты вычислений оптических и термо......

динамических свойств плазмы различных плазмообразующих веществ в широком диапазоне температуры, концентрации и энергии квантов.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы обсуждались на V Веес.конф. "Динамика излучающего газа", VI и VII Всес.конф. по физике низкотемпературной плазмы, IX и X Веес.конф» по генераторам низкотемпературной плазмы, VI Всес.конф. "Плазменные ускорители и ионные инжекторы", IV Всес.конф. по физике газового разряда, I и II Всесоюзных и III Межгосударственном Симпозиумах по радиационной плазмодинамике, V Междунар. конф. по генерации мегагауееных полей и родственным экспериментам, 13 Междунар.конф. по атомной физике, 25 Междунар. конф. по атомной спектроскопии, XX и XXI Междунар. конф. по явлениям в ионизованных газах, на научных семинарах в МГУ, МГТУ, ОИВТАН, ИОФ РАН5 ИФЗ РАН, ИАЭ и др.

Глава 1 посвящена сильноточным плазмо, динамическим разрядам. Эти разряды принципиально отличаются от дуговых тем, что: энерговклад в них осуществляется не с омическим нагревом, а при работе электромагнитных сил; энергия из электрического контура непосредственно переходит в кинетическую энергию? энергосодержание ионной компоненты значительно выше, чем электронной; электросопротивление разряда как элемента цепи определяется не электропроводностью, а скоростью ее движения; структура характерных зон электроразрядеой плазмы зависит от формы токоподводов, массообмена, геометрии элементов конструкции в направлении ускорения, и др.

Известны два основных режима таких разрядов, существенно различающихся по характеру рабочих процессов, параметрам и конфигурациям основных зон в плазменном объеме, типом эквивалентной схемы разряда как элемента цепи и др.

В работах [9-12,24-283 и др. был исследован ПДР с токовым слоем (ТС). Он характеризуется локализацией полного- разрядного тока в

движущемся плазменном слое, ускорящим находящееся перед ним вещество и оставляющим за собой пространство, заполненное собственным :индуцированным магнитным полем»

С другой стороны, А.И.Морозовым и др. был обоснован и реализован другой тип ЦЦР - ЦЦР с квазистационарным плазменным потоком (КПП), характеризующийся образованием неподвижного токового слоя, через который непрерывно протекает вещество, ионизуясь, ускоряясь и формируя сверхзуковой поток [1, 7-8, 13-23]. Это - предложенные А.И.Морозовым квазистационарные сильноточные плазменные ускорители [1, 7-8, 13], разработанные Н.П.Козловым, Ю.С.Протасовым и др. излучающие ЦЦР эрозионного типа [14-18], исследованные А.Ф.Александровым, И.Б.Тимофеевым и др. импульсные плазмотроны [19-23], и др.. При коаксиальных электродах ЦЦР потоки вещества часто фокусируются на оси симметрии системы (магнитопдазменный компрессор МПК).

Примечательно, что эти два режима НДР реализуются в установках, зачастую не имеющих очевидных пришцшиальных отличий. При этом часто работа плазмодинамичеекого устройства в другом, нерасчетном режиме приводит к потере его работоспособности. Поэтому и с научной, и с практической точек зрения важно определить причины и критерии существования того или иного типа разряда, выявить способы управления границами режимов ЦЦР.

В главе 1 границы основных режимов ПДР рассмотрены в терминах проявления магнитогазодинамического (МГД) шунтирования токового распределения ЦЦР с ТС - нового эффекта, который приводит к переходу между различными режимами НДР. Он изучен аналитически и численно, теоретические выводы подтверждены анализом известных экспериментов.

Аналитически и численно изучена и конечная магнитотоковая конфигурация МГД шунтирования - ПДР с КПП, в частности, ПДР с КПП и светоэрозионным плазмообразованием. Такие разряды, по-видимому, являются экстремально мощными среди разрядов постоянно