Комплексное численное исследование и оптимизация мощных импульсных плазменных электрофизических установок

• Автор: Калинин, Николай Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 328 с. : ил.

Глава 1. Термодинамические и кинетические характеристики металлов и

плазмы. Изменение физического состояния металла при

импульсном нагреве током большой плотности

1.1. Введение

1.2. Анализ фазовой диаграммы металлов. Локальное термодинамическое равновесие

1.3. Ионизация

1.4. Метастабильные состояния и объемное вскипание металлов при мощном импульсном нагреве электрическим током

1.5. Полуэмпирические широкодиапазонные уравнения состояния

1.6. Транспортные коэффициенты

1.7. Электрический взрыв проводников

1.8. Выводы
Глава 2. Сильноточная электровзрывная коммутация
2.1. Введение. Мощные импульсные источники с индуктивным накоплением энергии
2.2. Предельные возможности и реалии сильноточной электровзрывной коммутации
2.3. Высоковольтный плазменный фокус
2.4. Сильноточные ускорители электронов с импульсным индуктивным накоплением энергии
2.5. Выводы
Глава 3. Сильноточные разряды в газах высокого давления и плазме металлов, образованной при электрическом взрыве проводников
3.1. Введение
3.2. Классификация разрядов и основные характеристики
плазмы
3.3. Одномерная однотемпературная модель 2-разряда
3.4. Динамика электрического взрыва цилиндрических фольг,
переходящего в разряд. Самоприжатый 2-разряд
3.5. Расходящийся 2-разряд
3.6. Азимутальный самоприжатый разряд с захваченным
магнитным потоком
3.7. Вывода!
Глава 4. Создание высокотемпературной плазмы с неравновесным зарядовым составом в мощных электрических разрядах
4.1. Введение
4.2. Гидродинамическое приближение для высокотемпературной неравновесной плазмы мощных электрических разрядов
4.3. Управление спектром неравновесной плазмы многозарядных ионов
4.4. Электромагнитная имплозия плазменных оболочек
4.5. Формирование рекомбинационно-неравновесной плазмы в процессе разлета плазменного сгустка, образованного
при электрическом взрыве
4.6. Создание плотной высокотемпературной плазмы с неравновесным зарядовым составом в капиллярных разрядах
4.7. Формирование плазмы с неравновесным зарядовым составом
с помощью мощного 0-разряда
4.8. Выводы
Глава 5. Численное моделирование и оптимизация электроразрядных эксиплексных лазеров
5.1. Введение
5.2. Функция распределения электронов по энергиям, константы скоростей плазмохимических реакций и транспортные коэффициенты плазмы эксиплексных смесей
5.3. Самосогласованное моделирование разряда с различными внешними электротехническими цепями. Сравнение результатов расчетов и экспериментов
5.4. Ионизация эксиплексных сред тормозным рентгеновским излучением
5.5. Численное моделирование и оптимизация электроразрядного эксиплексного KrF-лазера
5.6. Выводы
Заключение
Приложение. Комплекс компьютерных кодов Список цитированной литературы

Диссертация посвящена решению проблем, связанных с математическим моделированием, численными исследованиями и оптимизацией мощных (Р>10 ГВт/г) импульсных электрофизических установок с различными типами плазменных нагрузок. Значительное внимание уделено плазменным источникам излучений ВУФ и ЭУФ спектральных диапазонов, основанных на сильноточных разрядах различных типов и конфигураций.
Мощные импульсные плазменные установки составляют широкий класс научно-исследовательских, технологических и промышленных установок. Принадлежность к нему определяется импульсной системой накопления и коммутации энергии в плазменные нагрузки, в которых в зависимости от конкретной задачи осуществляется преобразование энергии в другие виды - тепловую, возбуждения молекул или атомов, их ионизации, энергию электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов, заряженных частиц, ударных волн и т.д. Многообразие установок данного класса определяется различными типами как систем импульсного накопления и передачи энергии, так и нагрузок. Общей важной характеристикой всех подобных систем является эффективность передачи и преобразования энергии. В качестве примера мощных импульсных электрофизических плазменных установок отметим:
• сильноточные ускорители, в которых генерация электронных пучков осуществляется в диодах с взрывоэмиссионными катодами;
• импульсные газовые лазеры с электроразрядной и пучковой накачкой;
• плазменные источники электромагнитных излучений различных спектральных диапазонов,
• установки, предназначенные для электроразрядного преобразования энергии в энергию ударных волн в газовых и конденсированных средах
и целый ряд других. Установки этих типов находят широкое применение в самых разных областях перспективных научных исследований по физике, химии, биологии и медицине, в работах по созданию современных технологий, а также в промышленности [1-7]. Так, например, сильноточные ускорители электронов позволяют формировать интенсивные потоки тормозного рентгеновского излучения, осуществлять ионизацию и накачку активных сред газовых лазеров. Интенсивный импульсный нагрев вещества, осуществляемый сильноточным электронным пучком, дает возможность целенаправленно модифицировать поверхность, добиваясь достижения необходимых физико-химических свойств поверхности и т.п.
Установки, предназначенные для электроразрядного формирования ударных волн в жидких средах, применяются в промышленности для импульсной обработки материалов, в частности, для разрушения твердых пород и т.д.
Крупномасштабные эксиплексные лазеры ориентированы на исследования по управляемому термоядерному синтезу, а также на работы специального назначения. Эксиплексные импульсно-периодические лазеры с накачкой активной среды с помощью электрического разряда используются в разработках новых технологий, в частности, в области микроэлектроники [2].
Мощные электрические разряды различных типов и конфигураций рассматриваются в качестве источников электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов, включая ВУФ и ЭУФ [1,3-7]. Они используются для

Рис. 1.6. Расчет степени ионизации по модели Саха Зависимость степени ионизации от температуры при нескольких значениях концентрации тяжелых частиц Лг = 10н,10|6,10,8см'3
Рис. 1.7 Расчет ионизации по модели «среднего иона». Зависимость степени ионизации от температуры при различных значениях плотности р = 2 5,1,0 5,0 1,0 05,0 01 г/см3