Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока

Представлены результаты моделирования с помощью формализма Эйлера динамики параметров алюминиевой мишени под воздействием мощного ионного пучка. Предложен новый подход к постановке начальных и граничных условий, основанный на использовании энергетического критерия стационарного состояния системы. Пр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вопросы атомной науки и техники
Дата:	2003
Автори:	Бойко, В.И., Данейкин, Ю.В., Юшицин, К.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Теми:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110929
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока / В.И. Бойко, Ю.В. Данейкин, К.В. Юшицин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 133-137. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110929
record_format	dspace
spelling	Бойко, В.И. Данейкин, Ю.В. Юшицин, К.В. 2017-01-07T08:15:38Z 2017-01-07T08:15:38Z 2003 Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока / В.И. Бойко, Ю.В. Данейкин, К.В. Юшицин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 133-137. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110929 539.234 Представлены результаты моделирования с помощью формализма Эйлера динамики параметров алюминиевой мишени под воздействием мощного ионного пучка. Предложен новый подход к постановке начальных и граничных условий, основанный на использовании энергетического критерия стационарного состояния системы. Представлені результати моделювання за допомогою формалізму Ейлера динаміки параметрів алюмінієвої мішені під впливом потужного іонного пучка. Запропоновно новий підхід до поставлення початкових та граничних умов, заснований на використанні енергетичного критерію стаціонарного стану системи. The results of Eiler formalism simulation of aluminium target parameters under the intensive ion beam effect are presented. The new approach to the formulation of initial and terminal conditions is proposed; this approach is based on the use of stationary system state energy criterion. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока Числовий опис процесів генерації хвильового збурення, обумовленого впливом на металеву мішень імпульсного енергетичного потоку Numerical description of wave disturbance processes caused by pulsed energy flow effect on the metal target Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
spellingShingle	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока Бойко, В.И. Данейкин, Ю.В. Юшицин, К.В. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
title_short	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
title_full	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
title_fullStr	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
title_full_unstemmed	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
title_sort	численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока
author	Бойко, В.И. Данейкин, Ю.В. Юшицин, К.В.
author_facet	Бойко, В.И. Данейкин, Ю.В. Юшицин, К.В.
topic	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
publishDate	2003
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
title_alt	Числовий опис процесів генерації хвильового збурення, обумовленого впливом на металеву мішень імпульсного енергетичного потоку Numerical description of wave disturbance processes caused by pulsed energy flow effect on the metal target
description	Представлены результаты моделирования с помощью формализма Эйлера динамики параметров алюминиевой мишени под воздействием мощного ионного пучка. Предложен новый подход к постановке начальных и граничных условий, основанный на использовании энергетического критерия стационарного состояния системы. Представлені результати моделювання за допомогою формалізму Ейлера динаміки параметрів алюмінієвої мішені під впливом потужного іонного пучка. Запропоновно новий підхід до поставлення початкових та граничних умов, заснований на використанні енергетичного критерію стаціонарного стану системи. The results of Eiler formalism simulation of aluminium target parameters under the intensive ion beam effect are presented. The new approach to the formulation of initial and terminal conditions is proposed; this approach is based on the use of stationary system state energy criterion.
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110929
citation_txt	Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока / В.И. Бойко, Ю.В. Данейкин, К.В. Юшицин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 133-137. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT boikovi čislennoeopisanieprocessovgeneraciivolnovogovozmuŝeniâobuslovlennogovozdeistviemnametalličeskuûmišenʹimpulʹsnogoénergetičeskogopotoka AT daneikinûv čislennoeopisanieprocessovgeneraciivolnovogovozmuŝeniâobuslovlennogovozdeistviemnametalličeskuûmišenʹimpulʹsnogoénergetičeskogopotoka AT ûšicinkv čislennoeopisanieprocessovgeneraciivolnovogovozmuŝeniâobuslovlennogovozdeistviemnametalličeskuûmišenʹimpulʹsnogoénergetičeskogopotoka AT boikovi čisloviiopisprocesívgeneracííhvilʹovogozburennâobumovlenogovplivomnametalevumíšenʹímpulʹsnogoenergetičnogopotoku AT daneikinûv čisloviiopisprocesívgeneracííhvilʹovogozburennâobumovlenogovplivomnametalevumíšenʹímpulʹsnogoenergetičnogopotoku AT ûšicinkv čisloviiopisprocesívgeneracííhvilʹovogozburennâobumovlenogovplivomnametalevumíšenʹímpulʹsnogoenergetičnogopotoku AT boikovi numericaldescriptionofwavedisturbanceprocessescausedbypulsedenergyfloweffectonthemetaltarget AT daneikinûv numericaldescriptionofwavedisturbanceprocessescausedbypulsedenergyfloweffectonthemetaltarget AT ûšicinkv numericaldescriptionofwavedisturbanceprocessescausedbypulsedenergyfloweffectonthemetaltarget
first_indexed	2025-11-25T20:40:22Z
last_indexed	2025-11-25T20:40:22Z
_version_	1850526133824520192
fulltext	УДК 539.234 ЧИСЛЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ ВОЛНОВОГО ВОЗМУЩЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ МИШЕНЬ ИМПУЛЬСНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТОКА В.И. Бойко, Ю.В. Данейкин, К.В. Юшицин Политехнический институт, г. Томск, Россия Представлены результаты моделирования с помощью формализма Эйлера динамики параметров алюминиевой ми- шени под воздействием мощного ионного пучка. Предложен новый подход к постановке начальных и граничных усло- вий, основанный на использовании энергетического критерия стационарного состояния системы. 1. ВВЕДЕНИЕ В исследованиях в области модификации свойств материалов с применением радиационно- пучковых технологий большое значение имеет компьютерное моделирование. В частности, интерес представляют [1]: − расчеты температурных полей при различ- ных видах воздействия и выбор режима об- работки; − расчеты распределений механических и тер- мических напряжений по объему мишени; − моделирование процессов плазмообразова- ния на поверхности мишени с учетом ее раз- лета, формирования импульса отдачи и дру- гих сопровождающих процессов. Для численного решения этих задач применяют- ся различные модели сплошной среды. Существует два принципиально разных подхода – эйлеров и ла- гранжев формализм рассмотрения динамики сплош- ной среды. Кроме того, модели отличаются различ- ной степенью подробности описания термодинами- ческих свойств реального вещества. Большое значе- ние при разработке модели имеют вопросы, связан- ные с корректным описанием процессов преобразо- вания концентрированного потока энергии (КПЭ) во внутреннюю энергию вещества мишени. При этом необходимо учитывать амплитудно-временные па- раметры импульсного воздействия, характерные для реальных пучков заряженных частиц, кластеров и потоков плазмы. Задача моделирования системы «КПЭ – конден- сированное вещество» является многопараметриче- ской. При формировании модели необходимо учи- тывать, что динамика термодинамических парамет- ров мишени обусловлена мощным неоднородным энерговыделением в локальной пограничной обла- сти, размер которой значительно меньше толщины мишени. При этом уровень энерговыделения может обуславливать интенсивное развитие фазовых пере- ходов. В рамках одной модели необходимо одновре- менное описание процессов, протекающих в веще- стве мишени, находящемся в различных агрегатных состояниях. Интенсивное энергетическое воздей- ствие на сплошную среду может вызывать генера- цию ударно–волновых процессов. 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ Выбор базовых принципов, заложенных в основу модели, описывающей процессы в системе «КПЭ – конденсированное вещество», может основываться на следующем. Размерность задачи определяется геометрически- ми параметрами мишени в сравнении с поперечны- ми размерами пучка частиц или плазменной струи. Если радиус последних существенно превышает толщину мишени, то хорошим приближением яв- ляется одномерная постановка задачи. Однако в ряде случаев плотность потока частиц неравномерна по радиусу, либо в технологических целях применя- ются сфокусированные КПЭ. В этом случае необхо- дима двухмерная постановка. Малые размеры области энерговыделения при воздействии на мишень КПЭ по сравнению с ее тол- щиной обуславливают необходимость применения неравномерных сеток. Это позволяет существенно уменьшить затраты машинной памяти и процессор- ного времени. При этом с целью детализации про- филя в области энерговыделения необходимы ячей- ки с размером порядка 10-6 м. Вне области энерговы- деления размер ячеек можно постепенно увеличи- вать. При этом отличие двух соседних ячеек на 3… 5% существенно не влияет на точность расчета. С точки зрения построения экономичной (по за- тратам памяти и времени расчета) расчетной схемы, предпочтительно использование уравнений динами- ки сплошной среды в форме Эйлера. Однако устойчивость эйлеровых расчетных схем сильно зависит от градиентов термодинамических параметров, в частности, давления. Поэтому при описании ударных волн (разрывов термодинамиче- ских параметров) необходимо в уравнение движе- ния вводить диссипативные члены – искусственную вязкость [2]. Эйлеровы модели не позволяют четко выделить границу вещества, определять положение границы между газовой и конденсированной фаза- ми. Например, метод крупных частиц (МКЧ) допус- кает лишенное физического смысла перетекание ве- __________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3. 133 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 133-137. щества из конденсированной области в газоплазмен- ную [3]. Расчетные схемы, построенные на уравнениях в форме Лагранжа, обладают большей устойчиво- стью. Например, лагранжевый метод Годунова по- строен на решении задачи о распаде произвольного гидродинамического разрыва [4]. Это позволяет по- лучать устойчивые решения при наличии в объеме мишени разрывов термодинамических параметров, обусловленных генерацией ударных волн, границ раздела фаз и др. К основным недостаткам лагранжевых моделей можно отнести искажение ячеек расчетного поля при пересчете в эйлеровы координаты. При плазмо- образовании на поверхности мишени и интенсивном ее разлете лагранжевы ячейки в области энерговы- деления имеют очень большие эйлеровы размеры, что существенно снижает точность расчета. Систему уравнений динамики сплошной среды необходимо замкнуть уравнением состояния веще- ства. Последнее должно корректно описывать связь термодинамических параметров в широком диапазо- не фазовой диаграммы. При этом необходимо мини- мизировать затраты на вычисление функций состоя- ния. Приемлемым является использование уравнения состояния в виде таблиц. Линейно-логарифмическая интерполяция между узлами таблицы обеспечивает достаточную точность. Особенно хорошие результа- ты получаются при применении в таблицах неравно- мерного шага с детализацией параметров в области конденсированных и переходных состояний, где термодинамические функции сильно меняются. Конечно, разностное представление краевой за- дачи подразумевает постановку граничных условий (ГУ) введением слоев фиктивных ячеек. Конкрет- ный вид аппроксимации ГУ влияет на точность и скорость сходимости численного метода, а также на устойчивость конечно-разностной схемы [5]. В конденсированной среде ГУ играют важную роль, например, при выведении поверхности метал- ла или вязкой жидкости из состояния равновесия силы поверхностного натяжения стремятся вернуть границу в прежнее состояние. В результате возни- кает возмущение, распространяющееся в виде вол- ны по объему мишени [6]. 3. МОДЕЛЬ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Нестационарные процессы энергомассопереноса в объеме металлической мишени при импульсном энерговыделении описывались системой уравнений динамики сплошной среды, отражающих законы сохранения массы, импульса и энергии. В каждой точке сплошной среды напряженное состояние ха- рактеризуется симметричным тензором напряжений zzyzx yzyyx xzxyx HT σττ τστ ττσ = , где xσ , yσ , zσ – нормальные; yxxy ττ = , xzzx ττ = , zyyz ττ = – касательные напряжения на площадках, перпендикулярных к координатным осям x , y , z . Тензор напряжения можно разделить на две состав- ляющие: шаровой тензор, описывающий гидроста- тическое напряжение (среднее давление в точке p с обратным знаком), которое анизотропно; девиатор напряжений, характеризующий касательные напря- жения в данной точке [7] p p p T z y x H − − − = σ σ σ 00 00 00 0 ; p p p D zzyzx yzyyx xzxyx H + + + = σττ τστ ττσ , тогда HHH DTT += 0 . Часто при моделировании процессов в системе «КПЭ – металл» пренебрегают гидростатическим давлением в термоупругой задаче (при малых плот- ностях подводимой энергии) и девиатором напряже- ний при гидродинамическом подходе к описанию динамики параметров среды. При промежуточных плотностях мощности внешнего воздействия веще- ство мишени существует во всех агрегатных состоя- ниях, и в нашей модели мы использовали обе со- ставляющие тензора напряжений. Это позволило описать переход металла из упругого состояния в пластическое (по условию текучести Мизеса), при этом получив эффект расщепления упругой и пла- стической волн [8]. В свою очередь, гидростатическое давление p , а также удельная внутренняя энергия ε подразделя- ются на упругие и тепловые составляющие. Первые sp , sε связаны исключительно с силами межатом- ного взаимодействия, не зависят от температуры. Вторые Tp , Tε обусловлены тепловым движением атомов, являясь функциями температуры T и плот- ности ρ : ( ) ( ) ( )TppTp Ts ,, ρρρ += , ( ) ( ) ( ).,, TT Ts ρερερε += Такой подход позволяет учитывать преодоление сил межатомного взаимодействия при расширении вещества и фазовых переходах. Упругие и тепловые составляющие определялись по широкодиапазонно- му уравнению состояния. При нормальных условиях сплошная среда нахо- дится в невозмущенном стационарном состоянии, и должен выполняться энергетический критерий устойчивого равновесного состояния – потенциаль- ная энергия минимальна. Этот принцип положен в основу задания начальных и граничных условий в нашей модели. В металлах, находящихся в твердом и жидком состояниях, упругая и тепловая составляющие вну- тренней энергии сравнимы. Функция полной вну- тренней энергии всегда имеет экстремум 134 ρ , г/см 3 0,000 0,001 0,002 0,003 2,6685 2,6690 2,6695 2,6700 2,6705 2,6710 z, см 2,6705 2,6710 2,6715 0,000 0,00100,0005 0,0015 1 2 3 4 5 6 p, дин/см 2 z, см 0,000 0,001 0,002 0,003 0 1x107 2x107 3x107 4x107 6 5 4 3 2 1 1 - 0,5 нс; 2 - 1,0; 3 - 1,5; 4 - 2,0; 5 - 2,5; 6 - 3,0 (минимум). При подведении к системе энергии, зна- чительно превышающей энергию сублимации (ме- талл переходит в газоплазменное состояние), мини- мум смещается к бесконечности. Численным путем установлено, что с высокой степенью точности (не хуже точности численного определения экстремума) в точке минимума упругая компонента давления равна тепловой, а полное давление равно нулю. Например, для алюминия на адиабате, проходящей через точку 71,2=ρ г/cм3 (теоретическая плотность алюминия) и 300=T К, получены параметры среды в точке минимума: 0=p ; 293=T К; 68,2=ρ г/см3 (по- следнее значение соответствует справочным дан- ным для алюминия при нормальных условиях), ко- торые принимались в качестве начальных условий. При внесении в систему энергии вещество испы- тывает тепловое расширение и стремится к новому стационарному состоянию. Подведенная энергия переходит в кинетическую энергию расширяющего- ся вещества, в тепловую и упругую составляющие внутренней энергии. В рамках нашей модели новое стационарное состояние соответствует минимуму полной внутренней энергии, а параметры в точке минимума определяют граничные условия (граница раздела «вещество–вакуум»). При этом полное дав- ление на границе равно нулю, а плотность, темпера- тура, внутренняя энергия и скорость движения гра- ницы определяются из условия адиабатического расширения вещества. Такой подход позволяет бо- лее корректно определять все параметры состояния в фиктивной ячейке. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Рассмотрим результаты моделирования динами- ки параметров алюминиевой мишени под воздей- ствием мощного ионного пучка (МИП), при кото- рых 60% составляют протоны, а 40% – ионы углеро- да. Использовались следующие параметры пучка: 660max =U кэВ; 5,0max =J кА; 120=τ нс, формы им- пульсов ускоряющего напряжения и плотности ионного тока соответствовали данным, приведен- ным в [9]. Традиционные представления о динамике про- цессов, определяющих генерацию импульса механи- ческого возмущения вблизи облучаемой поверхно- сти, основываются на следующих положениях: − энерговыделение в пограничной области обуслав- ливает повышение давления; − отрицательный градиент давления на границе обла- сти энерговыделения определяет рост массовой ско- рости вещества в положительном направлении оси z : z p z uu t u ∂ ∂−= ∂ ∂+ ∂ ∂ ρ 1 ; − положительное направление массовой скорости, в свою очередь, обуславливает повышение плотности и сжатие вещества на границе области энерговыде- ления; − развитие этих процессов во времени определяет формирование волны сжатия, распространяющейся в глубь мишени; − разгрузка вещества на свободную поверхность вы- зывает формирование волны разрежения, которая распространяется вслед за импульсом сжатия. Такое поведение вещества вблизи облучаемой поверхности наблюдается в численных эксперимен- тах, когда в уравнении движения не учитываются компоненты девиатора напряжений (рис. 1, 2). Рис.1. Динамика импульса давления на начальном этапе воздействия МИП на алюмини- евую мишень Рис. 2.Динамика изменения плотности вещества вблизи облучаемой поверхности Результаты моделирования, полученные в рам- ках модели, в которой учитываются все составляю- щие тензора напряжений, отличаются от представ- ленных выше. Увеличение давления в области энер- говыделения вызывает разгрузку вещества на сво- бодную поверхность. В самом начале взаимодей- ствия (первые наносекунды) размер области энерго- выделения составляет 3…5 мкм, так как ускоряю- щее напряжение (следовательно, и энергия ионов) еще только нарастает и в этот момент составляет ве- личину порядка 100…200 кэВ. Разрежение при раз- грузке вещества обуславливает положительный рост осевого компонента девиатора напряжений. Послед- ний определяется законом Гука и растет быстрее, чем давление вследствие нагрева вещества (рис. 3). В уравнении движения отрицательный градиент осевого компонента девиатора обуславливает рост скорости в направлении, обратном оси координат: . z S z p z uu t u z ∂ ∂+ ∂ ∂−= ∂ ∂+ ∂ ∂ ρρ 11 135 10 нс 20 40 60 140100 200 z, см P, 10 дин см 9 2 -0,05 0 0,05 0,1 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 Рис.3. Сравнение давления и осевого компонен- та девиатора напряжений (2 нс после начала взаимодействия) движения В результате, на границе области энерговыделе- ния вещество расширяется, и формируется волна разрежения. При тщательном рассмотрении ре- зультатов моделирования (рис. 4, 5) впереди волны разрежения можно обнаружить импульс сжатия. Но последний мал как по амплитуде, так и по времени. Причем его параметры зависят от шага по времени, следовательно, наблюдаемый импульс сжатия – это счетный эффект, определяемый дискретностью ко- неч- но– раз- ност- ной моде- ли. Р движения Рис.4. Динамика импульса полного давления на на- чальном этапе взаимодействия при учете девиатора напряжений в уравнении Рис. 5. Динамика изменения плотности вещества вблизи облучаемой поверхности при учете девиатора напряжений в уравнении движения Таким образом, за границей области энерговыде- ления наблюдается «холодное» разрежение веще- ства, при котором упругая составляющая давления отрицательна и по модулю превышает тепловую. С учетом осевой компоненты девиатора напряжения полное давление в начале формирующегося импуль- са отрицательно. Представленные результаты получены с помощью эйлеровой модели динамики сплошной среды. Нам не удалось получить устойчивого численного реше- ния при моделировании распространения импульса механических возмущений в глубь мишени. Поэто- му для рассмотрения генерации и эволюции волно- вых процессов в объеме металла использовалась ла- гранжева модель, базирующаяся на методе Годуно- ва. Закономерности, наблюдаемые при численном мо- делировании системы «МИП– ме- талл», можно резюмиро- вать следую- щим образом (рис. 6) Рис.6. Генерация импульса механического возмущения в алюминиевой мишени при воздействии МИП 1. Вблизи облучаемой поверхности вследствие воздей- ствия МИП генерируется биполярный импульс, име- ющий в первом полупериоде волну разрежения и волну сжатия – во втором. 2. Полупериод разрежения обусловлен разгрузкой ве- щества на облучаемую поверхность, что связано с приповерхностным характером поглощения энергии МИП и упругим межатомным взаимодействием в металле. 3. Нарушение межатомных связей при интенсивном расширении вещества, а также распространение теп- ловой волны из области энерговыделения в глубь мишени определяют формирование второго полупе- риода сжатия. 4. При превышении амплитуды давления (напряжения) предела упругости происходит расщепление им- пульса разрежения на две волны – упругую и пла- стическую. Упругая волна обладает большей скоро- стью и опережает пластическую. Формируется устойчивая конфигурация двух волн. 5. Распространение в объеме металла пластической волны сопровождается диссипативными процессами и наблюдается ее вырождение. Глубина вырождения составляет порядка 50…100 мкм и зависит от плот- ности мощности МИП. Полученные результаты моделирования процес- са генерации механического возмущения вблизи об- лучаемой поверхности хорошо согласуются с ре- зультатами, полученными в эксперименте, как по форме биполярного возмущения, так и по амплитуд- но–временным параметрам импульса [10]. Однако при описании процессов формирования и разлета га- зоплазменного облака, образующегося на поверхно- сти мишени, точность результатов, полученных в рамках лагранжевой модели, невысока. Это обу- словлено большой деформацией лагранжевых ячеек при пересчете на эйлерову сетку. 5. ВЫВОДЫ 136 0,000 0,001 0,002 0,003 -1,2x108 -8,0x107 -4,0x107 0,0 4,0x107 8,0x107 1,2x108 p, дин/см2 z, см sz p p-sz 0,000 0,001 0,002 0,003 2,6685 2,6690 2,6695 2,6700 2,6705 2,6710 ρ , г/см 3 z, см 1 2 3 4 5 6 0,000 0,0010 0,0015 2,6705 2,671 z, см p-S , дин/см z 2 0,000 0,001 0,002 0,003 -2,0x108 -1,5x108 -1,0x108 -5,0x107 0,0 1 - 0,5 нс; 2 - 1,0; 3 - 1,5; 4 - 2,0; 5 - 2,5; 6 - 3,0 1 2 3 4 5 6 1. Численное описание многопараметрический систе- мы «КПЭ – металл» требует учета всей совокупно- сти взаимообусловленных процессов, протекающих в области энерговыделения, в объеме металлической мишени. В том числе, необходимо учитывать все со- ставляющие тензора напряжений, характеризующие упругие и пластические свойства твердого тела. 2. Сильно меняющиеся параметры состояния металлов в конденсированном веществе определяют неустой- чивость численного решения уравнений, записан- ных в рамках формализма Эйлера. Численные схе- мы, построенные на уравнениях в форме Лагранжа, обладают большей устойчивостью, но имеют неу- довлетворительную точность при моделировании процессов в газоплазменном факеле, образующемся на поверхности мишени. Приемлемым, на наш вз- гляд, является следующий подход. Исследовать ди- намику процессов генерации импульсов механиче- ского возмущения и их эволюцию в объеме мишени в рамках лагранжевых моделей. При образовании на поверхности мишени газоплазменного факела опи- сание динамики его разлета можно выделить в отдельную задачу и решать ее в рамках уравнений в форме Эйлера. 3. Предложен новый подход к постановке начальных и граничных условий, который основывается на ис- пользовании энергетического критерия стационар- ного состояния системы. Это позволило корректно описать процесс адиабатического разрежения веще- ства от возбужденного до стационарного состояния и определить параметры в фиктивных ячейках, в том числе скорость движения границы. 4. Приповерхностный характер энерговыделения в си- стеме «МИП – металл» обуславливает значимую роль процесса разгрузки вещества на облучаемую поверхность, который определяет первоначальной фазу разрежения в биполярном импульсе, генериру- емом в пограничной области. Разгружающееся на переднюю границу вещество приобретает кинетиче- скую энергию и начинает двигаться навстречу пуч- ку, увлекая за собой посредством действия меж- атомных сил внутренние области мишени, непод- верженные энергетическому воздействию. 5. Развитие фазовых переходов, сопровождающихся нарушением межатомных связей и распространение тепла из области энерговыделения, определяют фор- мирование второго полупериода сжатия. 6. Амплитудные параметры во фронте импульсного возмущения, генерируемого у облучаемой поверх- ности при воздействии МИП с плотностью мощно- сти, большей чем 107 Вт/см2, превышают напряже- ние пластических деформаций. Во фронте волны могут протекать необратимые структурные измене- ния, вызывающие модификацию свойств металла. Диссипативные процессы при пластических дефор- мациях обуславливают вырождение пластической волны. Глубина вырождения составляет 50…100 мкм для ионных пучков длительностью порядка 100 нс. ЛИТЕРАТУРА 1.Б.А. Калинкин. Перспективные радиационные тех- нологии в материаловедении //Инженерная физика. 1999, № 1. 2.О.М. Белоцерковский, Ю.М. Давыдов. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: «Наука»,1982, 392 с. 3.Г.А. Блейхер, В.П. Кривобоков, О.В. Пащенко. Тепломассоперенос в твердом теле под воздействи- ем мощных пучков заряженных частиц. Новоси- бирск: «Наука», 1999, 176 с. 4.Р. Рихмайер, К. Мортон. Разностные методы ре- шения краевых задач. М.: «Мир», 1972. 5.О.М. Белоцерковский. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: «Наука», 1984. 6.Л.М. Бреховский, В.В. Гочаров. Введение в меха- нику сплошных сред. М.: «Наука», 1982. 7.Ф.А. Баум, В.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. Физика взрыва /Под ред. К.П. Станюковича. М.: «Наука», 1975. 8.Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: «Наука», 1966. 9.В.М. Быстрицкий, В.И. Бойко, С.Н. Волков и др. Генерация и фокусировка мощного ионного пучка в магнитоизолированном диоде //Физика плазмы. 1989, т. 15, вып. 11, с. 1337. 10.В.И. Бойко, И.В. Шаманин, К.В. Юшицин и др. Описание ударного нагружения металла им- пульсным ионным пучком в совмещенной упругой гидродинамической модели //ФиХОМ. 1997, №2, с. 5–11. ЧИСЛОВИЙ ОПИС ПРОЦЕСІВ ГЕНЕРАЦІЇ ХВИЛЬОВОГО ЗБУРЕННЯ, ОБУМОВЛЕНОГО ВПЛИВОМ НА МЕТАЛЕВУ МІШЕНЬ ІМПУЛЬСНОГО ЕНЕРГЕТИЧНОГО ПОТОКУ В.І. Бойко, Ю.В. Данейкін, К.В. Юшицін Представлені результати моделювання за допомогою формалізму Ейлера динаміки параметрів алюмінієвої мішені під впливом потужного іонного пучка. Запропоновно новий підхід до поставлення початкових та граничних умов, заснований на використанні енергетичного критерію стаціонарного стану системи. NUMERICAL DESCRIPTION OF WAVE DISTURBANCE PROCESSES CAUSED BY PULSED ENER- GY FLOW EFFECT ON THE METAL TARGET V.I. Boyko, U.V. Daneykin, K.V. Ushitsin The results of Eiler formalism simulation of aluminium target parameters under the intensive ion beam effect are presented. The new approach to the formulation of initial and terminal conditions is proposed; this approach is based on the use of station- ary system state energy criterion. 137 138

Численное описание процессов генерации волнового возмущения, обусловленного воздействием на металлическую мишень импульсного энергетического потока

Репозитарії

Схожі ресурси