Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2000 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81629 |
| 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 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. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859602862928035840 |
|---|---|
| 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. |
| 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. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| first_indexed | 2025-11-28T00:52:40Z |
| format | Article |
| 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.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81629 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T00:52:40Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Грабовский, Е.В. Дябилин, К.С. Петровский, В.П. Смирнов, В.П. Фортов, В.Е. Холод, С.В. 2015-05-18T16:53:08Z 2015-05-18T16:53:08Z 2000 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 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-02-17952). ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Инерциальный термоядерный синтез Численное моделирование динамики плазмы при воздействии интенсивных потоков мягкого рентгеновского излучения на низкоплотные материалы Article published earlier |
| spellingShingle | 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 |
| title | 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_short | 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 |
| topic | Инерциальный термоядерный синтез |
| topic_facet | Инерциальный термоядерный синтез |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81629 |
| work_keys_str_mv | AT grabovskiiev čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT dâbilinks čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT petrovskiivp čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT smirnovvp čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT fortovve čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy AT holodsv čislennoemodelirovaniedinamikiplazmyprivozdeistviiintensivnyhpotokovmâgkogorentgenovskogoizlučeniânanizkoplotnyematerialy |