Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена решению проблем взаимодействия ионизующих ударных волн с магнитным полем, а также получения сверхсильных магнитных полей. В качестве примера вырожденной неидеальной плазмы еще Я. Б. Зельдовичем и Ю. П. Райзером [1] указывалось вещество, нагретое за фронтом ударной волны до температур порядка десятков-сотен тысяч градусов. При этом о таком состоянии вещества говорилось как об «очень плотном, высоконагретом газе, содержащем электроны». В. Е. Фортовым с коллегами было позднее показано, что вещества с высокой плотностью электронов, находящиеся на фазовой диаграмме выше кривой плавления, можно считать плазмой [2]. М. А. Либерман и А. Л. Великович описали ионизующие ударные волны в газах и плазме [3], а позднее исследовали взаимодействие сходящихся ионизующих ударных волн с магнитным полем в кристаллическом йодистом цезии [4, 5]. Йодистый цезий в ударной волне ведет себя аналогично бромистому цезию, в котором при ударном сжатии в 3,3 раза по объему
99 - ?
достигаются значения концентрации электронов проводимости порядка 10 см' [6, 7]. Было предложено формировать из ударно сжатого йодистого цезия цилиндрические слои неидеальной плазмы, с помощью которых предполагалось усиливать магнитные поля до рекордных значений напряженности 30-70 М/с [5, 8-10]. Это значительно ниже внутриатомных полей, но на порядок выше полей, известных в системах атомного масштаба (внутрикристаллические поля в некоторых ферримагнетиках) и в макросистемах (магнитные поля белых карликов). Из-за сложности описания уравнения состояния йодистого цезия, охватывающего область неидеальной плазмы, результаты авторов [4, 5, 8-10], предсказывавших достижимые в эксперименте экстремальные состояния вещества и предельные магнитные поля, не согласовывались между собой.
Механизм взаимодействия ионизующих волн с полем изучался в ударно сжатых газах [11], также исследовались ударные волны, «включающие» проводимость в порошках металлов [12]. Во всех случаях говорилось о торможении ионизующих ударных волн в сильном магнитном поле как механизме, уравновешивающем влияние градиента магнитного давления на стационарную ударную волну. При этом модель для газов рассматривала систему из двух и более стационарных ударных волн, тогда как в твердых телах исследовались одиночные стационарные и нестационарные волны. В диссертационной работе была разработана и представлена обобщенная модель
взаимодействия с сильным магнитным полем системы ионизующих ударных волн в диэлектриках. Проведены расчеты для рабочего тела из йодистого цезия.
Цели настоящей работы:
разработка физической модели и описание состояния вещества при ударном сжатии и нагреве;
оценка параметров образующейся при этом неидеальной плазмы; развитие методов математического описания распространения ионизующих ударных волн в присутствии сильных нестационарных магнитных полей;
изучение механизмов воздействия магнитного давления на ударные волны (торможение, отражение);
построение критериев для условий возникновения электрического пробоя перед ударной волной.
Положения, выносимые на защиту:
при скачкообразном профиле волнового фронта ионизующей ударной волны и быстром возрастании напряженности магнитного поля на финальной стадии фокусировки цилиндрической ударной волны происходит ее частичное отражение к поверхности рабочего тела в случае, если магнитное давление значительно превышает давление в волне; ударно сжатый йодистый цезий в подобных условиях является кулоновски слабонеидеальной (Г ~ 0,5) невырожденной плазмой (отношение электронной плотности к расчетной для вырожденной плазмы при заданной ударной температуре равно 0,15), число электронов в дебаевской сфере JVd=0,23;
при частичном отражении ударной волны должна возникать вторичная неионизующая ударная волна, продолжающая распространяться далее по несжатому веществу; амплитуда вторичной волны ограничена условием малой электропроводности вещества;
для веществ с высокой сжимаемостью и низкой электропрочностью в сильных магнитных полях существует вероятность развития пробойных явлений, что приводит к повышенным потерям потока из непроводящей зоны.
Научная новизна.
Все результаты, изложенные в оригинальной части диссертационной работы, получены впервые.
Практическая значимость. Полученные в ходе работы над диссертацией результаты исследований позволяют глубже понять механизм взаимодействия ионизующих ударных волн со сверхсильными магнитными полями в плотных средах. Таким образом, становится возможным дальнейшее развитие ударно-волнового метода усиления поля и расширение сферы его применения в фундаментальных и прикладных научных исследованиях и промышленности.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на 4 конференциях и семинарах, в числе которых:
Международная конференция «Мегагаусс-ГХ», Саров, 2002.
15-я международная конференция по импульсной электрофизике, Monterey, USA, 2005.
Международная конференция «Мегагаусс-XI», Новосибирск, 2008.
2-я евроазиатская конференция по импульсной электрофизике, Vilnius, Lithuania, 2008.
3-я евроазиатская конференция по импульсной электрофизике и 18-я международная конференция по мощным пучкам частиц, Jeju, Korea, 2010.
Достоверность результатов обеспечивается путем раздельного моделирования двух стадий работы генератора. На первой стадии схождение ударной волны происходит по закону гидродинамической кумуляции - это квазистационарный процесс. На второй стадии происходит торможение ударной волны, являющееся нестационарным процессом. Сложность производимых вычислений уменьшается за счет разбиения задачи на две подзадачи, решаемые независимо аналитически. В противном случае потребовалось бы численное решение полной системы МГД уравнений в частных производных совместно с уравнением состояния для системы ударных волн, влияющих друг на друга через магнитное поле. Получение достоверных результатов расчета таким методом представляется проблематичным. Сравнение полученных нами данных с результатами других авторов показало наличие согласия в
основных выводах. При этом в наших расчетах вместо температуры, измеряемой оптически с малой надежностью, использовалась удельная энергия вещества, связанная с гидродинамическими параметрами среды через условия на разрыве для ударных волн.
Личный вклад. Основные научные результаты, представленные в настоящей работе, получены лично соискателем.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 138 страниц. Список литературы содержит 98 наименований.
