Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы

Кулиш, Михаил Иванович

Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Кулиш, Михаил Иванович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Черноголовка МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы»

Автореферат диссертации на тему "Тормозная способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы"

На правах рукописи

Кулиш Михаил Иванович

ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УДАРНО-СЖАТОЙ ПЛАЗМЫ

01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005537954

1 г,ял 7пп

1 і і.^',1

Черноголовка - 2013

005537954

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем химической физики Российской академии наук.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физ.-мат. наук Минцев Виктор Борисович

Официальные оппоненты: кандидат физ.-мат. наук

Москвин Юрий Леонидович, ведущий научный сотрудник, ФГБУН Филиал института энергетических проблем химической физики им. В. Л. Тальрозе РАН

Доктор физ.-мат. наук Долгобородов Александр Юрьевич, старший научный сотрудник, ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Ведущая организация: ФГБУН Институт общей физики

им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится «5 2>g^<y>52013 в /£. Ч. ЬС/ Мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.082.01 при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, г. Черноголовка, Московская область, проспект Академика Н. Н. Семенова, д. 1, КОН, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химической физики Российской академии наук.

Автореферат разослан «. 2013

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.082.01 „

кандидат физико-математических наук (CsjU' fit/ Безручко Г. С.

©Кулиш М. И., 2013 © Институт проблем химической физики РАН, 2013

Общая характеристика работы

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

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

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

Задачи работы: разработка и оптимизация взрывных генераторов плотной неидеальной плазмы инертных газов и металлов и экспериментальное определение тормозной способности и оптических свойств получаемой неидеальной плазмы.

Научная новизна состоит в следующем: исследовано влияние сильного кулоновского взаимодействия на тормозную способность и оптические свойства ударно-сжатой плазмы с помощью разработанных взрывных генераторов плотной неидеальной плазмы. Исследованная область параметров по плотности числа электронов расширена на порядок в сторону увеличения плотности и повышения параметра неидеальности Г. Изучены тормозные потери быстрых ионов в плазме при параметре неидеальности Г~1. Проведено измерение коэффициентов поглощения плотной плазмы ксенона при коэффициенте поглощения, приближающемся к 2000 см'1.

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

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

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

Личный вклад автора. Лично автором или при его непосредственном участии осуществлялись постановка и обоснование задач по оптимизации параметров компактных взрывных генераторов, определению тормозных потерь энергии быстрых ионов в плотной плазме и определению оптических свойств плазмы. Лично автором подготавливались экспериментальные сборки для взрывного эксперимента и при его непосредственном участии проводились взрывные эксперименты, обработка полученных данных, формулировки основных выводов и написание научных публикаций. Примененные экспериментальные стенды и основные методики проведения экспериментов создавались и разрабатывались при личном участии автора. Автором были созданы программы для обработки данных

скоростной пирометрической методики для оптических измерений и для обработки данных времяпролетной методики измерения тормозных потерь ионов.

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

Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с Голубевым А. А., К. Вайрех, Грязновым В. К. (ИПХФ РАН, Черноголовка) и научным руководителем Минцевым В. Б.

Апробация работы. Основное содержание отражено в 16-ти статьях, 9 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК; результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 1995), Международной конференции «International Conference of the Physics of Strongly Coupled Plasmas» (Binz, Germany, 1995), XI Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Нальчик, 1996), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Терскол, 1997 и 1998), Международной конференции «XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Toulouse, 1997), Международном симпозиуме «12th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion» (Heidelberg, Germany, 1997), Международном симпозиуме «14th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion» (Москва, 2002), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2001, 2003 и 2005), Международной конференции «Strongly Coupled Coulomb Systems» (Москва, 2005), Международном совещании «12th International Workshop on the Physics of Non-Ideal Plasma» (Darmstadt, Germany, 2006), Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус, 2002, 2006 и 2010), Международной конференции «Shock Compression of Condensed Matter» (Amherst, 1997; Chicago, 2011), а также на научных семинарах ИПХФ РАН, ИТЭФ, GSI (Дармштадт).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения с основными результатами работы и списка литературы. Объем диссертации составляет 107 страниц, включая 63 рисунка, 2 таблицы и библиографию из 77 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность исследованных проблем, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

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

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

На Рис. 1 представлено схематическое изображение линейного взрывного генератора. В качестве ВВ были применены таблетки гексогена диаметром 20 мм и длиной 100 мм. Между ВВ и газовым объемом располагались стальные или майларовые фольги. Продукты детонации ускоряли фольги до характерных скоростей (6-8) км/с и создавали в газе слой ударно сжатой плазмы [3]. Скорость распространения ударной волны по газу измерялась базовым методом либо двумя световодными датчиками, расположенными на боковой поверхности ударной трубы, либо скоростной камерой ВФУ-1 (сверхскоростным фоторегистратором). С помощью генератора были получены плазменные пробки толщиной до 10 мм и диаметром 20 мм в воздухе, аргоне, ксеноне. Плазма стабилизирована стенками трубки [4], которые за время ~10 мкс не успевают заметно сместиться в радиальном направлении.

100мм

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

Для увеличения скорости ударной волны линейный взрывной генератор был модифицирован. На Рис. 2 представлено схематическое изображение генератора плазмы с конической проставкой [5]. При прохождении конической части 2, подобной использованной в работе [6], плазменный слой частично попадает в трубку 1В диаметром 6 мм, что вызывает увеличение его скорости и длины пробки X.

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

Полученные в эксперименте значения скоростей ударных волн были входными параметрами для расчета термодинамических параметров плазмы. Расчеты проводились по программе БАНА [7] в рамках химической модели плазмы. Сравнение расчета и экспериментов, проведенных на многоканальном быстродействующем пирометре [8], показывает, что в широкой области параметров - скоростей и начальных давлений газа, за исключением области экранировки излучения [3], измеренные температуры плазмы совпадают с расчетными в пределах точности измерений.

Нами было проведено испытание генераторов Войтенко [6] сферической и конической конфигурации. Применялись заряды диаметром 40 мм из А 1Х-1 массой до 200 г. Были получены скорости - 13 км/с, в то время как при диаметре заряда 80 мм в аналогичных конструкциях наблюдалась скорость до 50 км/с. Таким образом, для расширения диапазона скоростей генератор Войтенко с небольшим зарядом ВВ нуждается в доработке.

В линейных взрывных генераторах плазмы существует естественное ограничение по скорости, связанное со скоростью разлета продуктов детонации. В работах [9,10] был указан перспективный путь получения требуемых высоких скоростей. Это интересный аспект известного кумулятивного эффекта. Наиболее часто это явление служит в военных целях [11]. Необходимо отметить разделение кумулятивной струи на две части: высокоскоростную и основную. В работе [10] было доказано, что подобное разделение есть истечение обжатого металла облицовки кумулятивной выемки в виде жидкости и пара. Принцип работы кумулятивного генератора заключается в том, что вначале кумулятивным способом формируется высокоскоростная струя пара металла, которая при столкновении с преградой формирует отраженную ударную волну, за которой образуется высокоионизированная плазма за счет перехода большой удельной кинетической энергии во внутреннюю. В работе [9] был исследован ряд элементов (Таблица 1), испаряемых цилиндрическим обжатием. Применялись заряды ВВ массой более 1 кг. В таблице показаны экспериментально определенная скорость потока и и расчетные значения удельной внутренней энергии £,■ в мегаджоулях на грамм и в электронвольтах на атом. Также показаны расчетные температура Т и плотность числа электронов

Таблица 1

Элемент Ве С Мё АІ Ті Ре Та

Ат. вес 9 12 24,3 27 50 56 108 181 184

Максимальная скорость потока

и, км/с 90 86 80 81 42* 75 39,4* 62 52 48

Оценка параметров в отраженной волне р=1мг/см3)

Еі, МДж/г 4.06 3.70 3.20 3.28 0.88* 2.80 0.80* 1.92 1.34 1.14

Е,, эВ/а 378 460 806 920 246* 1460 480* 2149 2154 2200

Т*1(Г6,К 0.4 0.4 0.13* 0.2*

N. *10"2и1/см3 2 1.3 0.8* 0.6*

*заряд ВВ -0.1 кг.

Из приведеных в таблице данных видно, что величина удельной внутренней энергии Е-, достигает мегаджоуля на грамм даже для массы заряда в сборке ~0.1 кг.

Схема кумулятивной сборки аналогична описанной в работе [9] и показана на

Рис. 3.

Рис. 3. Схема кумулятивного устройства. 1-место инициирования детонации; 2-инертный материал; 3-слой ВВ; 4-основной заряд ВВ; 5-фронт сходящейся детонационной волны; 6-алюминиевая трубка (облицовка) внутренним диаметром 10 мм; 7-выходящий скоростной поток. диаметр инициирования тороидальной детонационной волны

Измерение степени сжатия облицовки было проведено в работе [10] для заряда массой ~100 г. Методом рентгенографирования было найдено, что степень сжатия <т алюминия равна 1.9. Полученное значение позволило оценить [10]

параметры вещества в сжатом состоянии: давление Р=2.34*102 ГПа и температура Т=7100 К. На фазовой диаграмме алюминия в координатах удельная энтропия - давление точка с указанными параметрами находится над критической точкой {Рис. 4). Металл расширяется в вакуум по изэнтропе с энтропией, равной 8т=4.38 Дж/(г*К). Изэнтропа подходит к границе двухфазной области вблизи критической точки С, поэтому, расширяясь, металл будет частично испаряться. Это приводит к образованию двух потоков, наблюдаемых в эксперименте: наблюдаются скоростной поток малоплотного пара и поток жидкого металла, движущегося с меньшей скоростью, которые разделяются по мере движения в вакуумированный объем.

Рис. 4. Фазовая диаграмма алюминия. Н- ударная адиабата; М- область плавления; С- критическая точка; В- бинодаль

Для диагностики параметров струи помимо высокоскоростной фотографической установки ВФУ-1 применялись пирометрическая методика в оптическом диапазоне и лазерный интерферометер VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflector). С помощью ВФУ-1 были определены скорость

высокоскоростной струи пара металла и скорость основной жидкостной струи, 42 км/с и 37 км/с соответственно. С помощью пирометра были измерены температуры струи в процессе расширения и при образовании отраженной ударной волны при столкновении с преградой. При расширении струи была зарегистрирована температура 6300 К, близкая к температуре критической точки алюминия. В отраженной волне регистрируется высокая температура, достигающая -60*10? К при столкновении высокоскоростной струи с преградой и ~100*103 К при столкновении основной струи. Лазерный интерферометер VISAR был использован для определения давления и плотности плазмы, возникающей при столкновении высокоскоростной струи с преградой. Измеренное давление равняется 1.5к6ар, плотность плазмы равна 1 мг/см3. По программе SAHA был расчитан состав алюминиевой плазмы при указанных параметрах. Расчеты показывают, что алюминий сильно ионизован, в основном в составе присутствует третий ион Al IV.

Вторая глава содержит рассмотрение торможения быстрого иона в веществе на основе приближений Бора, Бете и Блоха. На основе классических представлений о столкновении частиц рассмотрены основные процессы, которые происходят с наибольшей вероятностью и при которых осуществляется наибольшая передача энергии, и приведено выражение для потерь энергии иона в плазме через прицельный параметр Ь. Приведены выражения для минимального значения переданного импульса в квантовом и классическом случаях и значение безразмерного параметра Г/, разделяющего области классического и квантового представления кулоновского рассеяния. Дано определение понятия эффективного заряда иона и рассмотрено его влияние на величину тормозных потерь.

Фундаментальный интерес к исследованию торможения тяжелых заряженных частиц в плотной неидеальной плазме связан с предсказаниями теоретических работ об изменении квадратичной зависимости удельных потерь энергии ионов от эффективного заряда dE/dx ~ (Zegf, a ~ 1,4 - 1,5 из-за сильного кулоновского взаимодействия частиц тормозящей среды [12] при достижении значения Г= Ze2/kTrd 2.1.

Пролетающий ион взаимодействует посредством электромагнитной силы с электронами и посредством ядерных сил с ядрами замедляющей среды. Отношение ядерного к атомному сечений порядка 70"'°, поэтому ядерным взаимодействием можно пренебречь. Как было показано Бете в 1930 г [13,14], для неупругих столкновений отношение энергии возбуждения атома к энергии затраченной на смещение атома порядка отношения массы атома замедляющей среды к массе

электрона. Следовательно, с точностью около 0.1% можно не учитывать упругое столкновения на фоне неупругих потерь на возбуждение и ионизацию атомов среды, называемых также ионизационными потерями. Таким образом, задача расчета тормозных потерь сводится к рассмотрению взаимодействия налетающей частицы с электронами мишени, связанными с бесконечно массивным ядрами атомов.

Чтобы найти ионизационные потери частицы на пути с?х в результате взаимодействия со всеми электронами среды, с которыми она взаимодействует, надо проинтегрировать по всем возможным значениям прицельного параметра от Ьтщ ДО Ьтах выражение [15]:

где 2г\л Аг - атомный номер и масса атома мишени, М0 - число Авогадро, V иг^- скорость и эффективный заряд быстрого иона.

В результате подстановки Ьт1п, Ьтах в логарифмическую часть выражения для удельных ионизационных потерь энергии выражение приобретает вид:

с1Е 2хе4рЫ0 2ту2

ск = т^Л2 "г Щ-{¡Г

где I - средний потенциал ионизации, р - релятивистская поправка. Выведенная для ионизационных потерь формула была предложена Н. Бором и называется его именем. Удельные потери энергии прямо пропорциональны числу электронов вещества и квадрату заряда частицы, теряющей энергию на ионизацию, и обратно пропорциональны квадрату скорости тяжелой частицы.

Большое количество экспериментальных данных собрано по торможению быстрых ионов в холодном веществе [13]. Очень незначительное количество данных получено для торможения ионов в плазме, где теория предсказывает увеличение кулоновских потерь энергии в столкновениях со свободными электронами плазмы.

Потери энергии нерелятивистского иона в частично ионизованном веществе можно представить в следующем виде [16,17]:

с!Е _ 4я-е"рАГ0 г

¿Ы. "■

где г' - средняя степень ионизации материала мишени, 2, и А, - атомный номер и масса атома мишени, Ы0 -число Авогадро, V, -тепловая скорость

(г.-гХ.+^т-к.

свободных электронов мишени, V и - скорость и эффективный заряд быстрого

иона, й] — - функция Чандрасекара.

Более глубокий анализ величины тормозных потерь в двух крайних случаях, полностью нейтрального газа и полностью ионизованной плазмы, приводит к двум основным эффектам. В плазме низкой плотности плазменная частота сор много меньше атомной частоты, определяемой средним потенциалом ионизации /, то есть свободные электроны «чувствуют» пролетающий быстрый ион на гораздо больших прицельных параметрах. В результате ионизация газов приводит к росту их тормозной способности, так как Х,/е > ЬЬе. Второй эффект связан с тем, что сечение захвата свободного электрона обычно гораздо меньше сечения захвата связанного электрона. В результате эффективный заряд быстрого иона , проходящего через ионизированный газ, смещается к большим значениям и приводит к дальнейшему росту величины тормозной способности.

Далее в главе дано описание установки по измерению тормозных потерь протонов, реализованной на НЧУ ИСТРА-36 (ИТЭФ). Приведены основные результаты измерения торможения протонов в плотной плазме и делается вывод о возможном влиянии плазменной неидеальности на зависимость тормозных потерь от плотности плазмы.

Л'с х ю-", см-3 1.3 3.1 5.9 9.1 11.9

0 0.2 0,4 0.6 0,8 1.0 1.2 1.4

1>. 10-г г см-3

Рис. 5. Потери энергии протонов в зависимости от плотности плазмы при длине мишени 6 мм. 1-измерения анализирующим магнитом; 2-измерения времяпролетным методом; 3-полные потери в плазме; З'-потери на связанных электронах; 3"-потери на свободных электронах; 4-потери на холодном газе

Экспериментальные значения потерь энергии протонов [5] для различных значений начального давления газа в мишени приведены на Рис. 5 в зависимости от линейной плотности и плотности числа электронов. Из рисунка видно, что с ростом плотности плазмы возникает тенденция к различию между экспериментальными данными и результатами расчетов, проведенных по программе Э!Ч1М (http://www.srinn.orQ).

Далее в главе описана конструкция экспериментального стенда, примененного для измерения потерь энергии тяжелых ионов на ускорителе иЫИ-АС в вБ! (Дармштадт, Германия). Рассмотрена конструкция модифицированного для экспериментов с тяжелыми ионами компактного взрывного генератора. Приведены результаты измерений потерь энергии ионов углерода, аргона и ксенона с начальной энергией Е = 5.9МэВ/н и Е=\\АМэВ/н. Обсуждается влияние эффективного заряда быстрого иона на полученные результаты. В результате анализа экспериментальных данных сделан вывод о том, что величина тормозных потерь тяжелых ионов в пределах точности эксперимента соответствует величине потерь в идеальной плазме.

В экспериментах наблюдалось превышение потерь в плазме по отношению к холодному веществу. Превышение потерь тяжелых ионов углерода, аргона и ксенона с энергией 5.9 МэВ/нукпон в плазме показано на Рис. 6 в относительных единицах, рассчитанных по формуле:

гашиие . р,

АЕ

По оценке погрешность определения А£„,„„„ из измерений составляет величину ±10%. На Рис. 6 приведены также расчетные значения (синие треугольники) потерь в плазме аргона, полученные по программе ЭДНА [18]. Расчетные значения лежат выше значений для холодного газа на величину (7ч-Ю)%. Расчет тормозных потерь по программе ЭАНА проводится без учета неидеальности плазмы.

Сопоставляя данные экспериментов и расчетные данные, можно сделать вывод о том, что экспериментальные значения потерь в плазме аргона совпадают в пределах ошибки эксперимента с расчетными значениями, полученными по. модели идеальной плазмы.

25-, 24 23 22 21 20 19 - 18 ! 17

8 16 ' 15 14

с 12

цР 11 4 10 9 8 7 6 5

—т—

С (5.9 МеВ/н) Аг (5 9 МеВ/н) Хе (5.9 МеВ/н) Хе. теория (код Грязновэ)

1.0

-Г—

—Г-

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 Линейная плотность, мг/см^

—,—

4 0

—I

4.5

0.2

10 2

0.4

9.7

0.6

9.35

0 8 Давление, бер

9.1 Степень сжатия

0.524 0.47 0.4.25 0.4 е'/Ах^

Рис. 6. Относительные потери ионов углерода, аргона и ксенона с энергией 5.9 МэВ/нуклон в плазме аргона. Синие треугольники - расчет по программе БАНА. На нижних осях показаны: начальное давление газа, степень сжатия в ударной волне, е-/Аг(п+0-степень ионизации плазмы

Третья глава содержит результаты экспериментов по оптическим свойствам плотной неидеальной плазмы аргона и ксенона и плазмы металлов, полученные с использованием высокоскоростных методик измерения. В главе содержится описание экспериментального измерительного стенда, взрывного генератора и экспериментальной сборки. Для аргона получены коэффициенты поглощения плазмы в диапазоне плотностей числа электронов 2*10"слГ3 < ДО, < 1* 10мсм"3 в видимой и ИК-области. Полученные данные сравниваются с результатами других экспериментов. Обсуждается наблюдающееся расхождение в данных разных экспериментов. Делается вывод об отсутствии эффекта нереализации верхних уровней атома аргона в плотной плазме.

Для ксеноновой плазмы исследованная область была расширена почти на порядок по плотности числа электронов. Впервые получены коэффициенты поглощения ксенона в области Л^ <2*1020слГ3. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с данными других авторов на основе сравнения безразмерного ^-фактора Бибермана-Нормана [19]. Сопоставление ^-фактора, полученного в различных экспериментах, взятых из обзора [20], приведено на Рис. 7.

4 2 1

0.8 0.6

0.4 0.2 0.1

▼ [10] ^ Л о [И] О [14] ■ [15]

V [16] А [17] X [18] + [19]

□ [20,21]

• Р2] настоящая работа:

• Т=1-1.5эВ Т=2-3 эВ

—1-1-1—I I II I I

см""

ч!-0.1

Рис. 7. ^-фактор ксенона. 1 - [21]; 2 - [22]; 3 - [23]; 4 - [24]; 5 - [25]; 6 - [26]; 7 - [27]; 8 - [28]; 9 - [29]; 10 -[30]; 11-[31]. Линии 1 и 2 - доля поглощения на свободно-свободных переходах (X = 975 нм, правая ось) для экспериментов в интервалах Т = 1-4-1.5 эВ и Т = 2+ЪэВ

Как показано на Рис. 7, экспериментальные данные до плотности числа электронов Мг -10181/см3 хорошо согласуются друг с другом, показывая заметный разброс при Ые >10" IIсм1. В диапазоне 2*10181/см3 <3*10" 1/см3 величина ^-фактора в среднем снижается. Некоторые данные, например [28-30], обнаруживают снижение до величин, выпадающих из массива данных. Для величин плотности числа электронов >3*10" Нем1 величина ^-фактора испытывает рост.

На графике также приведены значения отношения коэффициента поглощения свободно-свободных переходов к сумме свободно-свободных кг_г и связанно-

свободных (кг, +кь,/) коэффициентов поглощения для двух характерных

температурных диапазонов. Сравнивая величину к1_[!(к1_{ (правая ось

графика Рис. 8) с величиной ^-фактора, можно сделать вывод о том, что экспериментально полученные коэффициенты поглощения содержат в себе заметную долю, связанную со связанно-свободными кь_г переходами. Таким образом, как и в случае с аргоном, не происходит полного «растворения» спектральных линий и нереализации связанно-свободных кь_г переходов. Однако частичное снижение величины ^-фактора для ксенона наблюдается в диапазоне 3*10" \1 смг < < Ю201/см3, когда основную долю в составе плазмы представляет нейтральный атом Хе1 при параметре неидеальности Г ~ 1. Рост ^-фактора при плотности электронов Ие > 1020 1 /смъ, возможно, связан с тем, что основная доля в составе плазмы в этом случае представлена одно- и двухзарядными ионами Хе11, ХеШ с отличными от нейтрального атома оптическими свойствами. В диапазоне 2*10181/см3<^е<3*10"1/сл*\ когда основную долю в составе плазмы представляет нейтральный атом Хе1, величина ^-фактора в среднем снижается при параметре неидеальности Г-1. Сделан вывод о частичной нереализации верхних уровней атома ксенона.

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

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

Как показано на Рис. 8, в спектре наблюдались уширенные и смещенные Штарк-эффектом линии алюминия А11 394.4 нм и 396.1 нм (переходы 3з23р-3з24з).

6 Г

1---1-'-'

350 375 400 425 450

X, нм

Рис. 8. Профили резонансных линий А1 I 394.4 нм и 396.1 нм в зависимости от электронной концентрации Ы, плазмы ксенона. Пунктирные вертикальные линии указывают положение несмещенных линий алюминия.

Расчетные профили на Рис. 8 (пунктирные кривые) получены по табличным данным по уширению и сдвигу линий нейтрального алюминия из работы [32]. При Ые>101д 1/см3 линии дублета не разрешаются, поэтому наблюдается один уширенный контур. Спектр, показанный на Рис. 8 как спектр идеальной плазмы, был получен от плазмы искрового разряда с низкой плотностью Ые. Значения электронной плотности Ме в экспериментах получены по уже описанному методу измерения скорости ударной волны й в исследуемом газе и расчету параметров плазмы по химической модели в программе ЭДНА (В. К. Грязное).

Экспериментальные значения ширины линий и их сдвига в сравнении с теорией приведены на Рис. 9. Показаны сдвиг линии как смещение центра линии на полувысоте относительно несмещенного положения и полная ширина линии на полувысоте (Р\Л/НМ).

16 14

10 1 8 6 4 2 0

12 3 4

N /1019, см"3

Рис. 9. Ширина и сдвиг резонансных линий А1 I 394.4 нм и 396.1 нм в зависимости от электронной концентрации плазмы ксенона. Пунктирные линии - расчет по табличным данным [32]

Как видно на приведенном рисунке, величины ширины и сдвига линий совпадают с расчетными значениями до значений Ые<1.5-101а см'3, а при больших значениях они меньше теоретических значений приблизительно в два раза. Наблюдаемое отличие экспериментальных данных от теоретических при больших плотностях плазмы следует учитывать в диагностике плазмы по величине Штарк-эффекта.

Плотность числа атомов алюминия, участвующих в поглощении, может быть оценена по величине коэффициента поглощения в центре линии. Экспериментально получено значение коэффициента поглощения в центре линии порядка 10 смпри ширине линии до АЯ=15нм. Используем выражение для профиля линии [32]:

к\(0) = 2 я\с/М - ехр Д®),

где го - классический радиус электрона, f - сила осциллятора данных переходов (в данном случае Ы0.1), N - плотность числа атомов в нижнем состоянии

перехода, Ца>) - контур линии. Нижний уровень наблюдаемых переходов совпадает с основным состоянием атома. Для величины Цсоо) в центре линии запишем:

0 Аа> 2ксАХ

где Асо и АЛ - ширина линии на полувысоте в обратных секундах и метрах соответственно. Подставляя имеющиеся величины в выражение для профиля линии, получим оценку для плотности числа атомов алюминия в основном состоянии ЛМО17 см"3, что на два порядка меньше плотности ионов ксенона в плазме. Следовательно, доля алюминия в плазме ксенона не превышает нескольких процентов, и расчет состава плазмы по химической модели без учета малой доли примеси алюминия можно считать оправданным.

Экспериментально обнаружено, что при выходе волны из ударно нагруженного образца в процессе его разгрузки помимо пылевого потока образуется плазма металла. Приведены описание постановки и результаты экспериментов по генерации плазмы меди при выходе ударной волны на свободную поверхность мишени. Генерация медной плазмы происходила при разгрузке медной мишени в вакуум или атмосферу гелия. Описаны результаты измерения температуры плазмы меди, полученной из соотношения интенсивности излучения спектральных линий атомарной меди методом графиков Больцмана. Делается вывод о том, что измеренная температура превышает температуру буферного газа (гелия) и температуру ударно-сжатой меди. Приведена оценка скорости движения потока плазмы, которая оказывается высокой и составляет величину не менее 10км/с.

Результаты и выводы

1. Для экспериментальных исследований взаимодействия пучков быстрых ионов с плазмой высокой плотности с удельной внутренней энергией порядка 1 МДж/г создана серия компактных взрывных генераторов плотной сильноионизованной плазмы.

2. Впервые проведены исследования потерь энергии пучка быстрых протонов в плотной ксеноновой плазме. Обнаружена тенденция к

снижению тормозных потерь с ростом плотности плазмы по сравнению с потерями в идеальной плазме.

3. Проведены измерения потерь энергии тяжелых ионов углерода, аргона и ксенона в плотной аргоновой плазме. Обнаружено, что потери энергии в плотной плазме совпадают в пределах погрешности эксперимента с потерями в идеальной плазме.

4. Выполнены измерения оптического коэффициента поглощения в неидеальной плазме ксенона, в которой плотность числа электронов достигает величины Ne=2*1O201/cM3. Установлено, что снижение ^-фактора в частичноионизованной неидеальной плазме ксенона может быть связано с частичной нереализацией высоковозбужденных атомных уровней.

5. Определены величины штарковского уширения и сдвига линий алюминия в плотной ксеноновой плазме. При повышении степени неидеальности наблюдается двукратное занижение ширины и сдвига в сравнении с теоретическими величинами.

6. При выходе ударной волны на свободную поверхность металлической мишени обнаружено образование сверхскоростного потока плазмы материала мишени с температурой порядка 1 эВ.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих

публикациях в журналах, рекомендованных ВАК:

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Ni P. A., Kulish M. I., Mintsev V. В., Nikolaev D. N., Ternovoi V. Ya., Hoffmann D. H. H., Udrea S„ Hug A., Tahir N. A., Varentsov D. Temperature measurement of warm-dense-matter generated by intense heavy-ion beams // Laser and Particle Beams. 2008.

' Vol. 26. No. 4. P. 583.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

3. Цикулин М. А., Попов Е. Г. Излучательные свойства ударных волн в газах // Наука. М. 1977.

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

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

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

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

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

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

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

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

12. Gericke D. О., Schlanges M. Beam-plasma coupling effects on the stopping power of dense plasmas // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 60. No.1. P. 904-910.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

22. BergeO. Е., BohmA., RehderL.//Z. Naturforsch. 1964. Vol. 20a. No. 1. P. 120.

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

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

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

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

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

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

29. Гаврилов В. Е., Гаврилова Т. В. // Опт. Спектроск. 1990. Т. 69. № 1. С. 42.

30. Гаврилов В. Е. // Опт. Спектроск. 1985. Т. 59. № 5. Р. 1012.

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

32. Грим Г. Спектроскопия плазмы //Атомиздат. М. 1969.

Сдано в печать 30.10.13. Подписано в печать 31.10.13. Формат 60x90 1/16 Объем 1,5 п. л. Заказ 180. Тираж 100

Отпечатано в типографии ИПХФ РАН 142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т ак. Семенова, 5 Тел.: 8(49652)2-19-38

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кулиш, Михаил Иванович, Черноголовка

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

Кулиш Михаил Иванович ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УДАРНО-

СЖАТОЙ ПЛАЗМЫ

04201452835 01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор физ.-мат. наук Минцев В. Б.

Черноголовка - 2013

Оглавление

Введение..............................................................................4

Глава 1 Компактные взрывные генераторы..............................................11

Введение..................................................................................11

1.1 Компактный линейный взрывной генератор

- взрывная ударная труба............................................................12

1.2 Модифицированный генератор плазмы с конической проставкой.....20

1.3 Генератор Войтенко...............................................................23

1.4 Кумулятивные взрывные генераторы плазмы..............................25

1.5 Устройство кумулятивного взрывного генератора плазмы...............29

1.6 Способы измерения параметров потока.......................................35

Глава 2 Тормозные потери в плотной плазме............................................39

Введение.................................................................................39

2.1 Торможение ионов в веществе..................................................39

2.2 Экспериментальная установка для экспериментов с протонами.........48

2.3 Результаты измерений торможения протонов...............................53

2.4 Экспериментальная установка для экспериментов

с тяжелыми ионами.....................................................................54

2.5 Результаты измерений торможения и зарядового

состава тяжелых ионов................................................................60

Глава 3 Оптические свойства плазмы инертных газов и металлов..................67

Введение..................................................................................67

3.1 Техника эксперимента............................................................68

3.2 Результаты экспериментов с плазмой аргона................................77

3.3 Результаты экспериментов с плазмой ксенона..............................78

3.4 Сдвиг и уширение линий алюминия...........................................84

3.5 Образование плазмы при выходе ударной волны на свободную

поверхность..........................................................................88

Заключение......................................................................................99

Литература.....................................................................................100

Введение

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

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

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

Во введении описана структура диссертации.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В заключении сформулированы основные результаты работы.

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

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

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава 1

Компактные взрывные генераторы

Введение

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

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

19 /~\22 3

пе>(10 - 1и ) 1/см и параметром неидеальности Г =1-5. Для использования стандартных взрывных генераторов плазмы в комлексе с ускорителем частиц необходимо создавать сложные, больших размеров взрывные камеры, способные при работе с зарядами большой мощности защищать оборудование ускорителей, при этом попутно решая проблему подвода ионного пучка к создавае