Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-02-17952).

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2000
Main Authors:	Грабовский, Е.В., Дябилин, К.С., Петровский, В.П., Смирнов, В.П., Фортов, В.Е., Холод, С.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Series:	Вопросы атомной науки и техники
Subjects:	Инерциальный термоядерный синтез
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81629
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы / Е.В. Грабовский, К.С. Дябилин, В.П. Петровский, В.П. Смирнов, В.Е. Фортов, С.В. Холод // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81629
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-816292025-02-09T16:35:25Z Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы Грабовский, Е.В. Дябилин, К.С. Петровский, В.П. Смирнов, В.П. Фортов, В.Е. Холод, С.В. Инерциальный термоядерный синтез Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-02-17952). 2000 Article Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы / Е.В. Грабовский, К.С. Дябилин, В.П. Петровский, В.П. Смирнов, В.Е. Фортов, С.В. Холод // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81629 533.9 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Инерциальный термоядерный синтез Инерциальный термоядерный синтез
spellingShingle	Инерциальный термоядерный синтез Инерциальный термоядерный синтез Грабовский, Е.В. Дябилин, К.С. Петровский, В.П. Смирнов, В.П. Фортов, В.Е. Холод, С.В. Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы Вопросы атомной науки и техники
description	Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-02-17952).
format	Article
author	Грабовский, Е.В. Дябилин, К.С. Петровский, В.П. Смирнов, В.П. Фортов, В.Е. Холод, С.В.
author_facet	Грабовский, Е.В. Дябилин, К.С. Петровский, В.П. Смирнов, В.П. Фортов, В.Е. Холод, С.В.
author_sort	Грабовский, Е.В.
title	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
title_short	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
title_full	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
title_fullStr	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
title_full_unstemmed	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
title_sort	численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2000
topic_facet	Инерциальный термоядерный синтез
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81629
citation_txt	Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы / Е.В. Грабовский, К.С. Дябилин, В.П. Петровский, В.П. Смирнов, В.Е. Фортов, С.В. Холод // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 1. — С. 149-151. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT grabovskijev čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT dâbilinks čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT petrovskijvp čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT smirnovvp čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT fortovve čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT holodsv čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdejstviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy
first_indexed	2025-11-28T00:52:40Z
last_indexed	2025-11-28T00:52:40Z
_version_	1849993372180152320
fulltext	Раздел пятый ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2000. №1. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2), с. 149-151. 149 УДК 533.9 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЛАЗМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА НИЗКОПЛОТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Е.В. Грабовский, К.С. Дябилин, В.П. Петровский, В.П. Смирнов, В.Е. Фортов, С.В. Холод** Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Россия Институт теплофизики экстремальных состояний РАН, Москва, Россия *Центральный физико-технический институт МО РФ, Сергиев Посад., Россия В настоящее время представляет значительный практический интерес действие высокоинтенсивных (1011…1013 Вт/см2) потоков мягкого рентгеновского излучения (МРИ) на перспективные высокопорис- тые материалы, что объясняется их способностью демпфировать кратковременные импульсные на- грузки путём преобразования энергии падающего излучения в тепло. Взаимодействие МРИ наносе- кундной длительности тераваттной мощности с твердотельными преградами рассматривались в ра- ботах [1-5]. Сравнительно новым, а потому менее изученным является его взаимодействие с низко- плотными (~ 5… 50 мг/см3) веществами [3, 6]. В зависимости от параметров облучения, физи- ческих и химических свойств материала в нём могут образовываться как ударная, так и тепловая волны. В низкоплотных веществах размер нагретой области достаточно велик, при этом в них формируется теп- ловая волна, за фронтом которой от границы с ва- куумом следует волна разрежения. Для численного моделирования процесса взаи- модействия излучения с веществом используются одномерные уравнения двухтемпературной радиа- ционной газовой динамики (РГД). В лагранжевых координатах они имеют следующий вид: u x t = ∂ ∂ , 1 ρ ∂ ∂ = x m , ∂ ∂ ∂ ∂ u t p m + = 0 , ( ) ( ) ∂ε ∂ ∂ ρ ∂ ρ t t p m S W Q+ + ∇ + = 1 1 , ( ) ( )∂ ε ∂ ∂ ρ ∂ τ i i e i eit p m T T + = −1 , W T me e= −χ ρ ∂ ∂ , где u – скорость, ρ – плотность, m – масса, ε t – удельная внутренняя энергия плазмы, S – радиаци- онный поток, W – поток электронной теплопровод- ности, Q – член, описывающий вклад поглощенной энергии падающего рентгеновского излучения, T – температура, p – давление, τei – характерное время обмена между электронной и ионной компонентами плазмы. Для определения поля излучения используется интегральное уравнение переноса в многогрупповом и многолучевом приближении, где интенсивность излучения Iω(l) в точке, отстоящей на расстоянии l от границы, определяется следующим выражением: ( ) ( ) ( )I l I l J d l d l l ll ω ω ω ω ωκ κ= − + − ′       ′′ ′′ ∫∫0 0 exp exp , S I d d= ∞ ∫∫ ΩΩΩΩ ΩΩΩΩω π ω 04 , l x= cosθ , где κω – средний планковский коэффициент погло- щения в спектральной группе ω, Jω – функция ис- точника в спектральной группе, θ - угол между осью x и направлением движения фотона. Член, описывающий объемное энерговыделе- ние от внешнего источника, вычисляется в соответ- ствии со следующим выражением: Q m Sout= ∂ ∂ , где Sout определяется из решения интегрального уравнения переноса воздействующего рентгеновско- го излучения. Начальные и граничные условия: ( ) t T T p p u m I I I t p p W m M I p p u W out = = = = = = = = = = = = = = = > ∞ < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : , , , ; : , , , ; : , , , . cos cos ρ ρ θ θ При решении уравнений РГД используется полностью консервативная разностная схема с ис- кусственной вязкостью. Уравнения переноса тепло- вого излучения плазмы решались с использованием разностной схемы второго порядка точности, в ко- торой предполагалась линейная зависимость всех величин внутри ячейки разностной сетки на оптиче- ском пути τ = κω ∆l. Здесь ∆l = ∆x / cosθ и ∆x - раз- мер ячейки пространственной сетки. Интенсивность излучения, выходящего через границу ячейки Iω(∆l), определялась по следующим соотношениям: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) I l I l J l l l J l l l l ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω κ κ κ κ κ κ κ κ κ κ κ ( ) ( ) exp ~ ~ ( ) exp ~ ~ ~ ( ) exp ~ ~ exp ~ , ~ ( ) ( ) , ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ = ⋅ − + + ⋅ − − −        + ⋅ − − − −         = + 0 1 1 1 1 0 1 1 2 0 где Iω(0) интенсивность излучения, входящего в ячейку через противоположную границу., а коэффи- 150 циенты поглощения и функции источника задаются на границах ячеек пространственной сетки. Для ионной температуры ~ 100…150 эВ сте- пень ионизации достигает значения ~ 6. Лёгкие ато- мы (C, O) сильно ионизированы и представлены H- и He-подобными ионами, а более тяжёлые (Si, Al) – Be-, C- и N-подобными ионами. Поэтому плазма агар-агара (~ C12H18O9)n имеет более простой линей- чатый спектр по сравнению с аэрогелем (SiO2) и ультрадисперсными алюминиевыми порошками. Учёт всех линий, а это более 5000 частотных точек для аэрогеля, является избыточным для решения уравнения переноса излучения, поэтому при расчёте спектров поглощения и испускания проводилось осреднение детального спектра в спектральные группы количеством порядка 600. Эксперименталь- ные исследования по изучению воздействия высоко- интенсивных потоков энергии на вещество проводи- лись на комплексе «Ангара-5-1» [7]. С целью гене- рации высокоинтенсивных потоков МРИ в качестве излучателей используются цилиндрические лайне- ры, оболочки которых ускоряются давлением маг- нитного поля протекающего через них тока в на- правлении оси. Типичные энергии квантов такого излучения – 60…80 эВ. Спектр рассматривается как близкий к планковскому с температурой 60 эВ (дли- тельность импульса 100 нс) либо 120 эВ (30 нс). В опытах измеряется время, за которое фронт тепло- вой волны, формирующейся в низкоплотном веще- стве под воздействием рентгеновского излучения, выходит на тыльную сторону образца. В результате численного моделирования были получены значения электронной и ионной темпера- тур, давления, плотности, скорости в различные мо- менты времени (рис. 1). 0 20 40 60 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Координата, см Эл ек тр он на я те мп ер ат ур а, эВ 1,00E-09 с 5,01E-09 с 1,00E-08 с 2,00E-08 с 2,83E-08 с 3,56E-08 с 4,01E-08 с 0 20 40 60 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Координата, см И он на я те м пе ра ту ра , э В 1,00E-09 с 5,01E-09 с 1,00E-08 с 2,00E-08 с 2,83E-08 с 3,56E-08 с 4,01E-08 с 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Координата, см Да вл ен ие , М ба р 1,00E-09 с 5,01E-09 с 1,00E-08 с 2,00E-08 с 2,83E-08 с 3,56E-08 с 4,01E-08 с 0 0,01 0,02 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Координата, см П ло тн ос ть , г /с м 3 1,00E-09 с 5,01E-09 с 1,00E-08 с 2,00E-08 с 2,83E-08 с 3,56E-08 с 4,01E-08 с -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Координата, см С ко ро ст ь, с м /с 1,00E-09 с 5,01E-09 с 1,00E-08 с 2,00E-08 с 2,83E-08 с 3,56E-08 с 4,01E-08 с Положение фронта тепловой волны. 0,E+00 1,E-08 2,E-08 3,E-08 4,E-08 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Перемещение, см Вр ем я, с Te = 2 эВ Te = 25 эВ v = 0 км/с Эксперимент Рис.1. Электронная, ионная температуры, давление, плотность, скорость. Положение фронта тепловой волны. Агар-агар, ρ = 10 мг/см3, W = 1012 Вт/см2, T = 120 эВ, τ = 30 нс 151 Из профилей температуры строится зависимость положения фронта тепловой волны от времени и проводится сравнение с имеющимися эксперимен- тальными значениями. Из баланса энергии (кинети- ческой, внутренней, поглощённой и переизлучен- ной), представленного на рис.2, видно, что инте- гральный высвет для агар-агара достигает 3…4 кДж/см2. 0,001 0,01 0,1 1 10 100 0,1 1 10 100 Время, нс Поглощённая Полная Внутренняя Кинетическая Излучённая Рис. 2. Баланс энергии Это составляет до 30% от падающей энергии МРИ, что говорит о высокой конверсионной эффек- тивности низкоплотных веществ. Таким образом, отмечается согласие результатов численного моде- лирования воздействия МРИ на материалы низкой плотности с экспериментальными данными (в пре- делах 5 – 15%), что свидетельствует об эффективно- сти предложенной математической модели. Резуль- таты численного моделирования воздействия излу- чения на материалы низкой плотности по имеющим- ся методикам показывают, что при рассмотренных параметрах воздействия МРИ и характеристиках преграды радиационный перенос энергии теплового излучения плазмы играет определяющую роль во всем диапазоне энергий квантов. Значительная доля (~50% для аэрогеля и ~20% для агар-агара) погло- щённой энергии мягкого рентгеновского излучения переизлучается, что может свидетельствовать о кон- версионной эффективности рассмотренных веществ. Импульс давления при использовании низкоплотных материалов может быть уменьшен более, чем в два раза при одновременном существенном увеличении его длительности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-02-17952). Литература 1. Острик А.В., Петровский В.П. Численное моделирование одномерного движения неравновес- ных паров, образующихся при взаимодействии ультракоротких импульсов излучения с преградой. Материалы VIII Всесоюзной конф. «Физика низко- температурной плазмы», Минск, 1991, ч. II, с. 229. 2. Е.В. Грабовский, О.Ю. Воробьев, К.Н. Дяби- лин, М.Е. Лебедев, А. В. Острик, В. Е. Фортов. Ге- нерация мощных ударных волн мягким рентгенов- ским излучением плазмы Z-пинча // Письма в ЖЭТФ, 1994, т.60, вып. 1. с.3-6 3. Б.Н. Базылев, М.И. Пергамент, Г.С. Романов и др. Экспериментальные и расчётно-теоретические исследования рентгеновского излучения и радиаци- онной теплопроводности плотной лазерной плазмы с многозарядными ионами // ЖЭТФ, 1994, т. 106, вып. 6(12), с. 1628. 4. Острик А.В., Петровский В.П., Рыбаков С.В. Воздействие мощных импульсов мягкого рентгенов- ского излучения на конденсированные среды// Тех- нология. Серия «Конструкции из композитных ма- териалов», 1997, вып. 3-4, с. 34. 5. Базылев Б.Н., Лоборев В.М., Петровский В.П., Романов Г.С. Толкач В.И., Фортов В.Е. Математи- ческое моделирование процессов взаимодействия рентгеновского излучения с конденсированными средами//XIII Межд. конф. «Уравнения состояния вещества», Тез. докладов. Терскол, 1998, с. 97. 6. Грабовский Е.В., Смирнов В.П., Петровский В.П., Фортов В.Е., Холод С.В и др. Воздействие ультрамягкого рентгеновского излучения на низко- плотные материалы // Прикладная физика, 1999, № 5, с.12. 7. M. Lebedev, K. Dyabilin, K. Eidmann, V. For- tov, E. Grabovskij, V. Smirnov. Supersonic heat wave in low density foams generated by soft X-radiation from a Z-pinch plasma//Physics Letters, 1998, vol.A 240 , p.73.

Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы

Institution

Similar Items