Нелинейная динамика токонесущих плазмоподобных сред

• Автор: Волков, Николай Борисович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 317 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Плазменная модель металла. Локально-равновесные фазовые переходы
при высоких плотностях энергии
1.1. Анализ проблемы, динамические уравнения
1.2. Основные положения плазменной модели
1.2.1. Термодинамические функции
1.2.2. Электронные коэффициенты переноса
1.2.3. Эффективный модуль сдвига и время релаксации ионной компоненты
1.2.4. Обсуждение
1.3. Сверхбыстрый электрический взрыв проводников и скин-слоя
1.3.1. Электрический взрыв проводников: анализ проблемы
1.3.2. Мощная МГД ударная волна и электрический взрыв скин-слоя
1.3.3. Наносекундный электрический взрыв тонкой проволочки
1.4. Магнитная кумуляция энергии
1.4.1. Качественное рассмотрение физических процессов, сопутствующих магнитной кумуляции
1.4.2. Изучение стадии захвата магнитного потока при магнитодинамической кумуляции
1.4.3. Анализ экспериментов по магнитной кумуляции
1.5. Характеристики плазмы, получаемой при воздействии на металлы интенсивных потоков заряженных частиц и излучения
1.6. Основные результаты Главы
Глава 2. Ламинарно-турбулентный переход в токонесущих плазмоподобных средах
2.1. Анализ проблемы, исходные уравнения
2.1.1. Исходные динамические уравнения для описания ламинарно-турбулентного перехода в плазмоподобных средах
2.1.2. Исходные динамические уравнения для описания ламинарнотурбулентного перехода в плотной двухтемпературной плазме

2.2. Маломодовые модели начальных стадий ламинарно-турбулентного перехода
2.3. Вычислительный эксперимент: динамика вихревых гидродинамических и токовых структур
2.4. Модели начальных стадий дробления пространственного масштаба вихревых структур (стратификации проводника с током)
2.5. Крупномасштабные вихревые структуры и электрический взрыв: сравнение с экспериментом
2.6. Динамическое прерывание электрического тока как неравновесный фазовый переход
2.7. Модель двухтемпературной плотной плазмы с сильной крупномасштабной турбулентностью
2.7.1. Формулировка проблемы
2.7.2. Динамические уравнения
2.7.3. Термодинамические соотношения
2.7.4. Турбулентные транспортные коэффициенты. Обсуждение
2.8. Основные результаты Главы
Глава 3. Структурирование и локализация электрического тока на катоде в вакуумных разрядах
3.1. Основные физические причины локализации и структурирования электрического тока. Условие существования горячих точек в поверхностном слое катода
3.2. Изотермический разлет металлической сферы в вакуум как модельная задача о точечном взрыве эмиссионного центра
3.3. Основные результаты Главы
Заключение: основные результаты диссертационной работы
Публикации, в которых отражены основные результаты диссертационной работы
Библиография

Введение
Прохождению электрического тока через плазмоподобные среды1 сопутствует большое многообразие физических явлений, таких как: фазовые переходы ”твердое тело-жидкость” и ”жидкость-пар”, различного типа неустойчивости [1, 2, 3], электрический взрыв проводников, локализация электромагнитной энергии в малых объемах и образование горячих точек, высокоскоростные плазменные струи [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18], формирование и разрушение гидродинамических и электромагнитных разрывов[19], кратковременное электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне длин волн[11, 20], пространственные диссипативные структуры и их хаотическая динамика [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32] и т.п.
Указанные явления не только определяют срок службы сильноточной электронной аппаратуры, но и широко используются в экспериментальной практике для достижения высоких параметров этой аппаратуры. Особую важность при этом имеет исследование физических процессов, сопровождающих прохождение тока через границы плазмоподобных сред с различными физическими свойствами, а также границу ’’плазмоподобпая среда-вакуум”. Последняя проблема представляет несомненный научный интерес для физики процессов на катоде и в прикатодной области и объяснения зажигания и поддержания горения вакуумной дуги.
Для упомянутых процессов характерным является локализация энергии с высокой плотностью в малых объемах и выделение ее за времена от единиц или долей наносекунд до единиц микросекунд и, как следствие этого, — изменение параметров вещества в широком диапазоне температур и давлений: его состояние меняется от конденсированного до плазменного. Поэтому проведение теоретических исследований с целью прогнозирования результатов экспериментов и создания сильноточной электронной аппаратуры с высокими энергетическими и временными характеристиками требует построения моделей токонесущих плазмоподобных сред, применимых для описания поведения вещес тва при высоких плотностях энергии.
Размеры образующихся в результате неустойчивостей пространственных структур (£в) могут быть как порядка размеров области (£<*), занятой плазмоподобной средой, так и существенно меньше. При этом имеют место два случая: 1а -С Ь3 и 1а ~ Ь3 {1а — длина свободного пробега частицы сорта а). В первом случае, характерном для континуального приближения, можно вести речь о локально-равновесном неравновесном фазовом переходе (НФП), когда локальные свойства токонесущих плазменных сред остаются такими же как и в случае отсутствия пространственных структур.
гВ предлагаемой работе иод плазмоподобными средами понимаются немагнитные проводящие квазинейтральные, одно- или двухтемпературные, среды, к которым можно отнести непереходные твердые и жидкие металлы, а также — плазму (низкотемпературную или высокотемпературную) с высокой плотностью.

Выражения (1.31), (1.32), (1.33), (1.42)-(1.45), (1 -65)—(1 -69) при д > д0 и (1.31), (1.32), (1.33), (1.54)—(1.58), (1.65)—(1.69) при д < до определяют термодинамические функции плазмоподобной среды в широком диапазоне изменения температуры и давления. Выражения (1.54)—(1.58) требуют информации о функции распределения по мгновенным конфигурациям. Для получения этой информации необходимо иметь теоретическую модель жидкого состояния плазмоподобной среды.
1.2.2 Электронные коэффициенты переноса.
При нахождении электронных коэффициентов переноса плазмоподобных сред можно не учитывать, как показано в работах [205, 206, 207], коллективное взаимодействие электронов проводимости, т. е. можно, как это и принято в плазменной модели металла, ограничиться рассмотрением идеального газа квазичастичных возбуждений (Ферми-газа электронов проводимости) вместо Ферми-жидкости. В пятидесятых годах обсуждалась также проблема нелинейности электронных коэффициентов переноса в сильных электрических полях [208, 209, 210, 211, 212]. При этом в работах [208, 209, 210, 212] при теоретическом анализе использовалось фактически кинетическое уравнение, предложенное Б. И. Давыдовым [213, 214, 215, 216] и обобщенное в [208] на случай на случай вырожденного электронного газа в металлах. Легко показать на примере однородного электронного Ферми-газа в сильном электрическом поле, что для того, чтобы в металле образовались ’’горячие” электроны в отсутствие дополнительного к джоулеву источника нагрева, необходимо снять вырождение электронов проводимости, т. е. чтобы эффективная температура электронов (Те) превысила температуру Ферми (Те > Тр). В статических электрических полях это практически невозможно. Поскольку в предлагаемой работе мы ограничиваемся приближением квазистационарного электромагнитного поля, справедливым при выполнении условия сэ/ < ~ и>т < в предлагаемой работе рассматриваются
коэффициенты перноса для случая слабых электрических полей. При рассмотрении гальваномагнитыых свойств илазмоподобньтх сред мы ограничимся приближением гсе > гд (В < В, = с(12я2дте(МА)~1)1'2, гсе — ларморовский радиус электрона), что позволит нам не учитывать влияние магнитного поля на электрон-ионные столкновения.
Для нахождения электронных коэффициентов мы используем кинетическое уравнение для электронов проводимости, полученное в работе [208]:
~ + »V* + — н х,£, +
01 Ор тес
(1.75)
где /о, Н = рр 1Д — соответственно, симметричная и несимметричная части функции распределения электронов проводимости; р — импульс (квазиимпульс) электро-