Введение к работе
Актуальность темы. Динамическое сжатие широко используется для построения уравнений состояния конденсированного вещества в области высоких давлений и температур. Эффективным инструментом для исследования состояния вещества и генерации больших плотностей энергии являются электромагнитные методы. Кратковременность динамического воздействия приводит к необходимости учета переходных электродинамических процессов при сжатии вещества. Так, время релаксации электромагнитного поля в медной пластине толщиной 1 мм составляет около 75 мкс, что много больше характерного времени ударно-волнового эксперимента с использованием конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) (~1 мкс). Методы регистрации электромагнитных характеристик вещества при динамическом сжатии ограничены простейшими схемами, в которых преобладает электротехническое приближение и интегральный подход.
В настоящее время отсутствуют модели электродинамических процессов для ударного сжатия конденсированных сред. Не ясна общая электромагнитная картина и структура возникающих индукционных токов, неизвестны управляющие параметры, характерные времена и длины. Отсутствие моделей затрудняет или делает невозможным экспериментальные исследования большого класса материалов. Среди таких материалов - проводники значительной толщины, металлизующиеся при сильном сжатии диэлектрики и полупроводники, ВВ, дающие высокопроводящие продукты детонации и т.д. Для использования на практике явления ударно-индуцированной проводимости необходимо знать такие характеристики перехода, как пороговое давление и фаза металлизации, величина электропроводности в сжатом состоянии, зависимость электропроводности от ударного давления, поведение при разгрузке. Отсутствие адекватных моделей является препятствием для развития новых методов управления потоками электромагнитной энергии. Задачи получения высоких плотностей электромагнитной энергии, управления мощными электрическими токами, генерации импульсов электромагнитного излучения требуют анализа электродинамических процессов при динамическом сжатии. Построение моделей таких процессов является актуальной научной задачей.
Цель работы состоит в разработке моделей электродинамических процессов при ударном сжатии конденсированных сред. Наибольший практический интерес представляют переходы вещества с резкими изменениями электрофизических свойств, поэтому им уделено основное внимание.
Основные научные задачи настоящего исследования:
построение физических моделей электродинамических процессов и определение структуры токовых волн, генерируемых ударным сжатием конденсированного вещества;
разработка, на основе построенных моделей, новых методов исследования конденсированного вещества и определение с их помощью физических характеристик ряда перспективных материалов;
создание новых методов управления потоками электромагнитной энергии и построение моделей соответствующих электродинамических процессов.
На защиту выносятся:
физические модели электродинамических процессов при ударном сжатии конденсированного вещества, результаты анализа структуры токовых волн при переходах диэлектрик-металл, металл-металл, магнетик-магнетик в ударной волне;
электромагнитные методы исследования состояния конденсированного вещества при ударном сжатии, основанные на учете переходных электродинамических процессов;
экспериментальные данные, полученные для исследованных веществ (кремний, селен, алюминий, иттербий, никель, константан, сплав 80НХС, конденсированные взрывчатые вещества и др.), в том числе, пороговое давление металлизации и параметры ударно-сжатого металлического состояния, зависимости электропроводности от давления ударной волны, вероятные механизмы переходов, особенности поведения вещества при сжатии и разгрузке;
методы генерации и управления потоками электромагнитной энергии с использованием волн проводимости, генерируемых ударными и детонационными волнами, в том числе, ударно-волновая техника генерации сверхсильных магнитных полей и соответствующих плотностей электромагнитной энергии, кумуляция магнитного поля детонационной волной, коммутация электрического тока.
Теоретическая значимость полученных результатов состоит в выявлении закономерностей электродинамических процессов при ударном сжатии конденсированного вещества (нахождение специфических управляющих параметров, характерных времен и размеров, определение структуры токовых волн).
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что
разработанные электродинамические модели являются основой для анализа результатов динамических экспериментов;
новые экспериментальные методы обладают лучшим временным разрешением и диапазоном измерений (до двух порядков величины), дают недоступную ранее информацию о свойствах вещества; полученные экспериментальные данные могут быть использованы для тестирования физических моделей состояния вещества, разработке устройств для управления потоками электромагнитной энергии;
предложенные методы управления потоками электромагнитной энергии
облегчают генерацию сверхсильных магнитных полей и коммутацию электрического тока. Научная новизна. Все результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми. В частности, впервые
получены управляющие электродинамические параметры, характерные времена и длины, специфичные для ударного сжатия;
разработан метод решения краевых задач уравнения теплопроводности в области с подвижной границей, основанный на расширении рабочей области;
разработаны методы измерений, основанные на учете переходных электродинамических процессов при динамическом сжатии;
разработана адекватная физическая модель ударно-волновой магнитной кумуляции.
Достоверность результатов работы подтверждается:
адекватностью физико-математической модели электродинамических процессов при ударном сжатии;
строгостью используемого теоретического аппарата при решении электродинамических задач (метод функции Грина, операционное исчисление, численные методы); совпадением решений задач разными методами (аналитически и численно);
непротиворечивостью результатов анализа; сведением полученных решений в случае большого времени к классическим задачам диффузии магнитного поля; качественным соответствием полученных решений физическому смыслу задачи и аргументированным ожиданиям;
внутренней согласованностью результатов измерений; разумным соответствием результатов экспериментов с данными других авторов (в том числе полученным с использованием иных схем измерений и условий сжатия);
выполненными оценками погрешностей измерений (в том числе для процедуры решения обратной краевой задачи);
положительными результатами использования метода ударно-волновой магнитной кумуляции в других научных центрах: университеты г. Кумамото, г. Фукуока (Япония), лаборатория Кавендиша (Великобритания), университет Лоусбороу (Великобритания), исследовательский центр FOA (Швеция).
Методы исследования. В работе используются аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Для аналитического решения краевой задачи уравнения теплопроводности с подвижной границей используется новый метод. Численное решение проблем магнитной диффузии основывается на апробированных разностных схемах. Основной массив экспериментальных исследований (около 1000 взрывных экспериментов) выполнен при помощи методов измерений электропроводности, массовой и
волновой скорости, основанных на развитых электродинамических моделях.
Апробация работы. Основные положения настоящей работы докладывались на следующих научных конференциях: III, IV, VII, XI, ХП Международная конференция "Генерация мегагауссных магнитных полей и родственные эксперименты" (Новосибирск, 1983; Сайта Фе, США, 1986; Саров, 1997; Лондон, Великобритания, 2006; Новосибирск, 2008), Ш Всесоюзная конференция "Импульсные источники энергии" (Ленинград, 1989), Всесоюзная школа-семинар "Фундаментальные проблемы физики ударных волн" (Азау, 1987), IV Всесоюзное совещание по детонации (Телави, 1988), III Всесоюзная школа-семинар "Физика взрыва и применение взрыва в эксперименте" (Новосибирск, 1984), Международная конференция "Ударные волны в конденсированных средах" (Петербург, 1994, 1996, 2002, 2006), Международная конференция "Металлургические и материаловедческие применения ударных волн и высокоскоростных явлений" (Эль Пасо, США, 1995), IX, X конференция Американского физического общества "Ударное сжатие конденсированного вещества" (Сиэтл, 1995; Амхерст, 1997, США), V Международная конференции "Механическое и физическое поведение материалов при динамическом сжатии" (Толедо, Испания, 1997), VIII Международная конференция "Физика полупроводников при высоком давлении" (Салоники, Греция, 1998), "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Новосибирск, 2000, 2005), III Харитоновские научные чтения (Саров, 2001), VI, VII, VIII Забабахинские научные чтения (Снежинск, 2001, 2003, 2005), XII Международный симпозиум по детонации (Сан Диего, США, 2002), Всероссийская конференция "Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва" (Новосибирск, 2007).
Тема диссертационной работы соответствует "Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации" - "Энергетика и энергосбережение" (утверждены указом президентом России от 21.05.2006), а также "Основным направлениям фундаментальных исследований Российской академии наук" - "2.2.2 - Механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред; 2.2.3 - Физико-химическая газодинамика и процессы при высоких плотностях энергии: горение, детонация, взрыв, высокоскоростной удар и взаимодействие потоков направленной энергии с веществом" (утверждены постановлением Президиума РАН от 01.07.2003).
Тема диссертационной работы связана с темами НИОКР Института гидродинамики СО РАН: "Исследование задач импульсной электрофизики с целью создания новых методик ударно-волнового эксперимента" (государственный регистрационный номер №01970003579, 1997-1998 гг.), "Нестационарные течения и свойства гетерогенных сред при интенсивных потоках механической, тепловой и электромагнитной энергии" (программа СО РАН "Нестационарные процессы при высоких плотностях энергии в гидродинамике однородных и многофазных сред (структура течений, синтез
наноструктурных соединений, волновые процессы)" (государственный регистрационный номер №01.2.007.06894, 2007-2009 гг.).
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 94-02-04022-а, 1994-1995 гг.; №99-02-16807-а, 1999-2001 гг.; №03-03-33175-а, 2003-2004 гг.; №05-02-16398-а, 2005-2007 гг.).
Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 42 статьях. Из этого количества 31 статья опубликована в научных журналах из списка ВАК для публикации результатов докторских диссертаций (27 статей - в отечественных журналах, 4 статьи - в ведущих зарубежных журналах). 9 научных работ опубликовано в трудах международных конференций. Имеется два авторских свидетельства на изобретения в области исследований.
Личный вклад автора в научные результаты диссертации является определяющим. Без соавторов опубликовано 14 статей в журналах из списка ВАК. Информация о вкладе автора в совместных работах приведена в приложении к диссертации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы 235 страниц, имеется 12 таблиц, 88 рисунков. Библиографический список включает 305 наименований.
