Моделирование излучения плотной высокотемпературной плазмы и физических процессов, протекающих при имплозии Z-пинчей

• Автор: Орешкин, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 263 с. : ил.

Глава 1. Излучение плазмы, образованной при имплозии плазменных лайнеров. Методы

расчёта излучения

1.1. Ударио-излучательная модель

1.2. Расчёт поля излучения с помощью факторов ускользания

1.2.1. Учет реабсорбции излучения с помощью факторов ускользания

1.2.2. Расчёт поля излучения

1.2.3. Коэффициент поглощения и функция источников в спектральных линиях и сплошном спектре
1.2.4. Сравнение результатов численных расчётов излучения плазмы с результатами других авторов

1.3. Расчёт ноля излучения с учетом резонансного рассеяния фотонов

1.3.1. Моменты уравнения переноса излучения

1.3.2. Функция источников в спектральных линиях при учете резонансного рассеяния фотонов
1.3.3. Алгоритм численного решения уравнений переноса излучения
1.4. Расчёт инверсии на переходах пеоноподобных ионов
Выводы
Глава 2. Определение параметров плазмы по нзлучательным характеристикам
2.1. Определение параметров плазмы нипча, образующегося при сжатии алюминиевой многопроволочиой сборки
2.2. Определение параметров плазмы трехкаскадного криптонового лайнера
2.3. Определение параметров плазмы но отношению интенсивностей спектральных линий
Выводы
Глава 3. Уравнения магнитогидродинамики с учетом диффузии ионов
3.1. Магнитогидродинамическая модель с учетом диффузии различных веществ
3.2. Алгоритм численного решения МРГД-уравнеиий
3.3. Диффузия в многокомпонентных лайнерах
3.4. Мапштогидродинамическая модель с учетом диффузии ионов различной кратности ионизации
3.5. Диффузия ионов при прохождении ионизирующей ударной волны через плазму
Выводы
Глава 4. Радиационно-мапштогидродипамическое моделирование имплозии плазменных
лайнеров
4.1. Радиационный коллапс в Z-пинчах
4.2. Моделирование излучения К-линий
4.2.1. Моделирование выхода К-излучення двухкаекпдпмх аргоновых лайнеров, ускоряемых на установке DOUBLE EAGLE
4.2.2. Моделирование имплозии двухкаскадных проволочных лайнеров, ускоряемых на генераторе Z
4.2.3. Почему одномерное МРГД-моделирование выходов К-излучения дает хорошее согласие с экспериментальными результатами?
4.3. Моделирование излучения двухкаскадных лайнеров, состоящих из Аг-Н2 смеси
4.3.1. Расчёт истечения газа из сверхзвуковых сопел Лаваля
4.3.2. Радиацишпю-магнитогидродинамические расчёты выхода излучения в К-лиииях аргона
4.4. Имплозия газовых лайнеров в присутствии аксиального магнитного поля

4.2. Моделирование экспериментов по сжатию малоплотной конденсированной пены
многопроволочным лайнером на установке Ъ
Выводы
Глава 5. Влияние крупномасштабных неустойчивостей на формирование излучения
5.1. Квазидвумерная модель «снежного плуга»
5.2. Квазидвумерная гидравлическая модель
5.3. Моделирование выхода К-излучения
Выводы
Глава 6. Генерация излучения в рекомбинационном континууме
водородо- и гелнеподобных ионов
6.1. Аналитические оценки выхода излучения в рекомбинационном континууме
6.2. Сопоставление выходов рекомбинационного излучения с выходами излучения
в К-линиях
6.3. Моделирование рекомбинационного излучения для условий генератора Ъ
6.3.1. Моделирование выхода рекомбинационного излучения алюминиевых двухкаскадных лайнеров
6.3.2. Моделирование выхода рекомбинационного излучения титановых двухкаскадных лайнеров
6.3.3. Моделирование выхода рекомбинационного излучения аргоновых двухкаскадных лайнеров. Сравнение с экспериментом
6.4. Исследование рекомбинационного излучения на установке ГИТ
Выводы
Глава 7. Моделирование электрического взрыва микропроводников
7.1. Классификация ЭВГ1
7.2. Исследование взрыва микропроводников в жидком диэлектрике
7.2.1. Магнитогидродинамическая модель
7.2.2. Уравнения состояния и транспортные свойства вещества
7.3.3. Сравнение и обсуждение экспериментальных и расчётных результатов
7.3. Образование страт при взрыве проводников в вакууме
7.3.1. Численная модель
7.3.2. Начальные условия
7.3.3. Результаты двумерного моделирования
Выводы
Заключение
Список литературы

В настоящее время наиболее эффективным способом получения плотной высокотемпературной плазмы является электромагнитное сжатие вещества под действием протекающего через вещество тока. В природе вещество с высокой плотностью существует в недрах звезд как результат гравитационного сжатия тел большой массы. Однако электромагнитные силы на много порядков превосходят гравитационные, поэтому для достижения давлений, сравнимых с давлением в центре звезд, при электромагнитном сжатии потребовалось бы всего около миллиграмма материи. Вследствие этого электромагнитное сжатие вещества собственным током (иинч-эффект) позволяет получать и исследовать в условиях лабораторного эксперимента как плотную, нагретую до высоких температур плазму, так и сверхсильные магнитные поля.
Первые работы по пппч-эффекту относятся к началу 20-го века [1,2], когда были начаты исследования сильноточных электрических разрядов в газах. Важные результаты были получены в середине 30-х годов Беннетом [3], который изучал условия равновесия плазмы и магнитного поля, создаваемого протекающим через плазму током. Им было сформулировано условие, определяющее температуру пннча при заданных значениях тока и погонной массы, которое и сегодня широко применяется в исследованиях пинч-эффекта, а также найден характер радиальной зависимости плотности вещества в стационарном иинче.
Систематические и широкомасштабные исследования 2-пннчей были начаты в начале 50-х годов прошлого столетия в связи с вознпковением проблемы управляемости термоядерным синтезом (У ГС). Эти исследования проводились на установках с токами от нескольких десятках килоамнер до 2 МЛ, при временах нарастания тока КГ5 - КГ6 с [4]. В экспериментах использовались разрядные трубки, которые представляли собой цилиндры, изготовленные из диэлектрических материалов и закрытые металлическими фланцами, между которыми происходил разряд. Длина трубок варьировалась от нескольких сантиметров до двух метров, а диаметр - от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Трубки заполнялись газом с давлением от 5-Ю"3 до нескольких десятков миллим с іров ртутного столба. В то время исследования Z-нинчeй велись в основном в СССР, в Институте атомной энергии, в СШЛ в Лос-Аламосе и Ливерморе («Проект Шервуд» [5]), а также в Англии, Франции и некоторых других странах. Изначально эти работы были засекречены, и отрытыми они

Глава 2. Определение параметров плазмы по нзлучательиым
характеристикам
Важным свойством излучения является его способность выносить информацию о состоянии вещества в плазме. Это служит основой для создания различного рода диагностик, которые в сочетании с моделированием позволяют определить такие важные характеристики плазмы, как температура, концентрация, ионный состав и т.д. [127]. Наибольший интерес в этом плане представляет спектральное распределение излучения. Диагностика лайнерной плазмы усложняется несколькими обстоятельствами. Во-первых, в плазме лайнеров вещество за короткое время (5-20 не) достигает' экстремальных состояний с высокой температурой и плотностью, что вносит существенные экспериментальные трудности в измерение ее излучательных характеристик. Во-вторых, при параметрах плазмы, типичных для лайнеров, излучение в спектральных линиях заперто, то есть плазма для линейчатого излучения не является оптически прозрачной. Ввиду этого для определения интенсивности линий, кроме знания обычной спектроскопической информации, необходимо решать уравнения переноса излучения совместно с уравнениями ударно-излучателыюй модели.
Для целей диагностики плотной высокотемпературной плазмы была создана компьютерная программа ЯРЕС'ПШМ-П, позволяющая рассчитывать спектр излучения однородной плазмы простых геометрий (цилиндр, шар) [106]. Программа основана на методике расчёта излучения с помощью факторов ускользания, описанной в разд. 1.2. Эта программа построена следующим образом: на первом этане в каждой точке пространственного разбиения решается система уравнении зарядовой кинетики (1.5) в её стационарном варианте; затем рассчитываются факторы ускользания, релаксационная матрица переписывается с их учетом и снова решается (1.5) и так до схождения итераций. Затем при известном распределении ионов по зарядовому составу и по возбужденным уровням рассчитывается поле излучения путем решения уравнения переноса вдоль различных направлений и для различных частот, после чего находятся интегральные характеристики излучения. Программа позволяет рассчитывать спектры веществ от водорода до криптона (заряд ядра от 1 до 36).
Для определения термодинамических параметров плазмы по результатам измерений излучательных характеристик и расчётов с помощью ударно-излучателыюй модели используется следующая процедура. В расчётах присутствуют три независи-