Свойства инертных газов и дейтерия при ударном и квазиизэнтропическом сжатиях до давлений — 1500 ГПа

В представленной работе экспериментально исследованы теплофизические свойства конденсированных благородных газов (аргона, криптона и ксенона), жидкого азота, газообразных гелия и дейтерия' при их ударном и квазиизэнтропическом сжатиях с использованием конденсированных взрывчатых веществ в областях давлений, достигающих ~ 1500 ГПа.

Эксперименты выполнены в соответствии с планом работ РФЯЦ-ВНИИЭФ, при поддержке Российской академии наук в рамках комплексной программы Президиума РАН «Теплофизика и механика интенсивных импульсных воздействий» и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

Актуальность работы. Исследования поведения веществ при высоких давлениях и температурах являются актуальным направлением физики высоких плотностей энергии, предоставляющим уникальную возможность проследить влияние сильного межчастичного взаимодействия на свойствавещества в труднодоступной для расчетов области неидеальной плазмы. Неидеальная плазма возникает при воздействии на вещество ударных волн, ядерных взрывов, лазерного излучения или корпускулярных пучков. Плазменной неидеальностью определяются свойства вещества в области структурных или фазовых переходов, включая переходы «металл-диэлектрик». Вопросам изучения свойств неидеальной плазмы высокой плотности в последние годы уделяется большое внимание. Данные, полученные в таких исследованиях, необходимы для прогнозирования влияния экстремальных импульсных воздействий на материалы и конструкции и решения широкого круга конкретных задач физики высоких плотностей энергии, связанных с численным моделированием нестационарных гидродинамических процессов, протекающих в условиях интенсивного импульсного энерговвода.

Экспериментальные исследования в области физики высоких давлений связаны со значительной локальной концентрацией энергии в исследуемых веществах при использовании химических взрывчатых веществ [1−3], ядерных зарядов [4−6], мощного сфокусированного лазерного излучения [7−8]. Разработаны динамические методы, которые позволили продвинуться в изучении физических свойств веществ в широкой области фазовой диаграммы, простирающейся от плотностей, соответствующих твердотельным и плотным жидкометаллическим состояниям до состояний неидеальной плазмы, получаемых при адиабатическом расширении ударно-сжатых материалов [9−11]. Широкое международное признание получили исследования свойств неидеальной плазмы, выполненные академиком РАН В. Е. Фортовым и его коллегами [12−14], которые привели к созданию совершенно новой области физики — динамической физики плотной плазмы [15].

Основная информация о поведении веществ при высоких температурах и давлениях получена при измерениях сжимаемости в ударно-волновых экспериментах. Сильнонеидеальная больцмановская плазма исследовалась при ударном сжатии газообразных аргона и ксенона [16−18] и плотных паров цезия [19]. Существенное влияние неидеальности, связанное с изменением энергетических уровней, зафиксировано в аргоне и ксеноне, находящихся первоначально в сжиженном состоянии [20−28]. Методами ударного сжатия с применением конденсированных взрывчатых веществ или двухкаскадного легкогазового ускорителя изучалась также сжимаемость: твердого аргона [29], конденсированных водорода и дейтерия [30- 35], жидкого гелия [36], жидких азота, кислорода и воздуха [37−43].

Простейшие по своей структуре криогенные жидкости благородных газов аргона, криптона и ксенона являются идеальными для изучения их свойств методом ударного сжатия. Высокие начальные плотности жидкостей (например, р0= 2.96 г/см3 в ксеноне при Т = 165 К) позволяют в физических экспериментах достичь давлений о (100−1000) ГПа и плотностей ~ (10−20) г/см. В силу прозрачности сжиженных газов нет принципиальных ограничений для регистрации излучения фронта ударных волн через слой еще несжатого вещества. Именно в них впервые были обнаружены и исследованы новые явления, возникающие при ударном сжатии. Общим из них является электронное возбуждение молекул при перекрытии электронных оболочек из-за сильного сжатия, что приводит к сужению, а затем и к полному закрытию энергетического зазора. Поскольку оба эти эффекта взаимосвязаны, необходимо измерения ударного сжатия дополнить экспериментами по изучению электропроводности и температуры. При этом роль электронного возбуждения определяется косвенно по отклонению экспериментальных адиабат от теоретических, а параметры моделей электронной структуры теоретически определяются из сопоставления с опытом.

В ряде случаев ударные адиабаты являются единственным источником информации о короткодействующих межмолекулярных силах, знания о которых необходимы при теоретическом обосновании уравнений состояния исследуемых веществ. Информацию о межмолекулярных силах отталкивания в криогенных жидкостях можно получить в условиях, когда еще электронное возбуждение не наблюдается. В силу сравнительно простой молекулярной структуры сжиженных благородных газов для обработки данных можно применить методы статистической теории жидкости, машинный эксперимент и термодинамическую теорию возмущений. Дополняют возможности теоретической обработки квантовомехани-ческие расчеты и эксперименты по рассеянию молекулярных пучков.

Другую группу веществ, свойства которых исследовались методом ударного сжатия, представляют жидкости с простой молекулярной структурой — азот и водород (дейтерий), в которых при одновременном воздействии высоких давлений и температур, кроме возбуждения электронных степеней свободы, происходят процессы возбуждения, молекулярных колебаний и диссоциации молекул. Появление атомов в этих условиях может привести к образованию новых молекулярных образований, существующих с исходными молекулами, новых фаз или особенностей поведения известных фаз. Наиболее значимым результатом, полученным в последнее время, является открытие фазового перехода первого рода и охлаждение жидкого азота при ударном сжатии [41].

Таким образом, ударно-волновые исследования позволяют получить новую информацию об известных фазах конденсированного вещества при одновременном воздействии высоких давлений и температур, расширяют представления о границах устойчивости этих фаз, механизмах их взаимных превращений и особенностях взаимодействия.

До настоящего времени максимальный диапазон давлений в исследованиях свойств сжиженных инертных газов на адиабате Гюгонио не превышал 90ГПа в аргоне и азоте и 130 ГПа в жидком ксеноне [22−24,41]. В большинстве указанных выше работ, где исследовалась сжимаемость криогенных жидкостей, отсутствовали измерения температуры ударно-сжатых сред, которая является дополнительным и часто более чувствительными параметром для проверки различных теорий, чем только давление ударного сжатия [23]. Экспериментальное измерение температур в ударно-волновых экспериментах важно для построения термодинамически полного уравнения состояния, поскольку дает возможность независимой проверки его параметров, в частности, поведения теплоемкости при высоких сжатиях. Кроме того, знание температуры существенно для изучения таких явлений, как переходы диэлектрик-металл, плавление, диссоциация и ионизация.

Исследования, проведенные в настоящей работе, существенно расширяют изученную область свойств криогенных жидкостей азота, аргона, криптона и ксенона при ударном и квазиизэнтропическом сжатиях до давлений «1 ООО ГПа, являются оригинальными, соответствуют достигнутому мировому уровню и вносят значительный вклад в развитие физики высоких плотностей энергии. Для этих исследований разработаны оригинальные криогенные экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии и современные методы диагностики, включающие регистрацию кинематических и термодинамических параметров, коэффициентов отражения и поглощения света и проводимости исследуемого объекта [44−61].

В экспериментах, проведенных в неисследованных ранее областях фазовых диаграмм, зарегистрирован структурный переход в жидком ксеноне при давлениях выше Р «200 ГПа и не обнаружены аномалии в сжимаемости жидкого аргона до давлений Р «1000 ГПа [49−50, 57−61].

По излучению фронта ударной волны с применением оптической пирометрии измерены температуры в ударно-сжатых сжиженных газах аргоне, криптоне, ксеноне и азоте до Т ~ 60 000 К в неисследованных ранее диапазонах давлений до ~ 500 ГПа. Показано замедление темпа роста температуры в сжиженных благородных газах при увеличении амплитуды ударной волны в области выше (30.40)ГПа, связанное с кинетикой возбуждения электронов в зону проводимости [46, 48−50].

В ходе измерений электропроводности [48−50, 54−55] обнаружен эффект резкого роста числа носителей тока — электронов, так называемая, ионизация «давлением», и сопровождающий это явление резкий рост проводимости при давлениях, достигнутых в эксперименте. Полученные данные описаны химической моделью плазмы, учитывающей эффекты кулоновского взаимодействия заряженных частиц, вырождение электронов, изменение вклада связанных состояний при сжатии вещества и короткодействующее отталкивание атомов и ионов на близких расстояниях [56].

До настоящего времени сохраняется научный и практический интерес к изучению свойств водорода, простейшего и самого распространенного элемента в природе, ввиду расширения работ по исследованию инерциального термоядерного синтеза, изучения структуры и эволюции астрофизических объектов. Экспериментальные исследования по регистрации металлической фазы водорода продолжаются во всем мире уже много лет. Можно выделить две основные возможности перехода диэлектрик-металл в водороде: диссоциация молекул с последующей металлизацией атомарной фазы или появление свободных носителей зарядов, увеличение проводимости при уменьшении, а затем и полном закрытии энергетического зазора в электронном спектре раньше, чем закончится диссоциация молекул.

Экспериментальному и теоретическому изучению свойств водорода и дейтерия в мегабарной области давлений в последнее время посвящен целый ряд работ [62−88]. Измерения электропроводности жидкого [65−70] и газообразного водорода [71−72] при квазиизэнтропическом сжатии показали высокий уровень электропроводности, близкий к металлическому, при давлениях (500−1500) ГПа. Экспериментальные исследования при лазерной генерации ударных волн выявили аномально большое сжатие жидкого дейтерия при давлениях -100 ГПа [73−78]. Независимые измерения ударно-волновой сжимаемости жидкого дейтерия, выполненные в Сандийской Национальной лаборатории [79−80] на установке с использованием Ъпинча [81], и эксперименты ВНИИЭФ [82−88] в области давлений до «120 ГПа не подтвердили результаты [73−78].

Впервые плотность газообразного водорода до давлений ~ 1000 ГПа измерена в РФЯЦ-ВНИИЭФ в экспериментах С. Б. Кормера и его коллег [89]. В опытах исследовалось сжатие водорода в стальной сферической оболочке, сходящейся к центру под действием продуктов взрыва. Различие рассчитанной изэнтропы молекулярной фазы с экспериментом при давлении Р ~ 300 ГПа было интерпретировано авторами [89−90] как переход водорода в металлическое состояние.

На основе полученных данных В. П. Копышевым и В. В. Хрусталевым создано уравнение состояния водорода до 1000 ГПа [91], которое позднее было проанализировано В. П. Копышевым и В. Д. Урлиным в [92]. Кроме того, в [92] приведена еще одна экспериментальная точка, ранее не вошедшая в [89], при давлении 1300 ГПа. Уравнение состояния водорода [91], используемое в расчетах РФЯЦ-ВНИИЭФ, не описывает данные по ударно-волновой сжимаемости жидкого дейтерия из [73−78].

Для уточнения результатов, полученных в [89], в данной работе на базе более совершенной диагностической техники рентгенографическим методом измерено сжатие газообразного дейтерия до плотности 3 г/см в диапазоне давлений до Р ~ 500 ГПа [93−97], в том числе в неисследованной ранее области давлений (125 300) ГПа и на устройствах иной геометрии, чем использованные в [89]. В экспериментах настоящей работы применялись двухкаскадные цилиндрические конструкции, трансформирующие ударно-волновое сжатие в квазииэнтропическое [98]. Впервые в опытах РФЯЦ-ВНИИЭФ применена регистрация рентгеновских изображений на фотохромных экранах, предложенная В. А. Арининым, В. В. Бурцевым, Ю. М. Макаровым, Л. А. Фадеевым, В. Н. Филяевым (ВНИИЭФ) [99], что позволило получить рентгеновские снимки недостижимого ранее качества.

Для исследования свойств ударно-сжатых газообразных дейтерия и гелия в мегабарной области давлений разработана капсула полусферической геометрии, рассчитанная на начальное давление газа до Рода300МПа (3000 атм) [85, 100]. Предварительное сжатие газообразного дейтерия до Р0"270 МПа (2700 атм) позволило получить его начальную плотность выше, чем плотность в жидком состоянии. С использованием таких устройств в газообразном дейтерии измерены плотность, температура и коэффициенты поглощения света при давлениях ударного сжатия до Р да 120 ГПа [85−88].

Впервые в России в газообразном гелии, имеющем начальную плотность о близкую к плотности гелия в жидком состоянии (ро ~ 0.124 г/см), на адиабате л.

Гюгонио измерены плотности до р да 0.8 г/см и температуры до Т да 51 000 К в области давлений Р ~ (35−85) ГПа [100−101].

Общепринятый подход при построении уравнений состояния в областях фазовой диаграммы, где теоретические модели не обеспечивают приемлемой точности, состоит в разработке полуэмпирических моделей, в которых общий вид функциональных зависимостей устанавливается на основе ясных физических представлений, а совокупность экспериментальных данных используется для определения численных значений свободных параметров в этих зависимостях. Подобный подход позволяет сконструировать уравнение состояния в компактной, удобной для численного моделирования форме при максимальном использовании опытных данных. Практика расчетно-теоретических исследований показывает, что, для повышения качества модельных уравнений состояния при существенном снижении затрат на проведение экспериментов, необходима разработка систем генерации и диагностики состояний веществ с высокой плотностью энергии, позволяющих одновременно получить различную и надежную экспериментальную информацию о термодинамических, оптических и электрофизических свойствах неидеальной плазмы. Настоящая работа отвечает поставленным требованиям.

Цель работы:

1. Создание и совершенствование методов генерации и диагностики состояний с сильным межчастичным взаимодействием в области уникально высоких плотностей до, а 20 г/см3, давлений до, а 1500 ГПа и температур до «60 000 К;

2. Получение новой и анализ имеющейся информации о свойствах (кинематических, термодинамических, оптических и электропроводности) сжиженных инертных газов азота, аргона, криптона, ксенона, газообразных водорода, дейтерия и гелия в состояниях, реализуемых при ударном и квазиизэнтропическом сжатиях в областях давлений, достигающих ~ 1500 ГПа;

3. Тестирование и разработка представительных уравнений состояния, адекватно оценивающих влияние сильного межчастичного взаимодействия на свойства веществ в труднодоступной для расчетов области неидеальной плазмы, высокого давления, образующейся, например, в перспективных энергетических установках.

Для достижения поставленной цели по инициативе и непосредственном участии автора разработаны оригинальные экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии для генерации ударных волн в мегабарном диапазоне давлений в сжиженных инертных газах, газообразных дейтерии и гелии.

Для регистрации термодинамических и кинематических параметров ударно-сжатых исследуемых материалов применен широкий набор измерительных методик: электроконтактной, оптической, рентгеновской и электрофизической.

Данные, полученные в ходе решения поставленной задачи, изложены в 5-и главах настоящей диссертации.

В ГЛАВЕ 1 приведены результаты измерения ударно-волновой сжимаемости, скорости звука и коэффициентов Грюнайзена в жидких азоте, аргоне, криптоне и ксеноне, в том числе в неисследованных областях давлений, существенно превосходя все ранее полученные данные. Внимание, которое было уделено исследованию аргона, криптона и ксенона, связано с необходимостью исключить влияние диссоциации на процессы, происходящие в веществах в экстремальных условиях. С другой стороны эксперименты с жидким азотом необходимы именно для изучения роли диссоциации при ударном сжатии, которая может сопровождаться возбуждением внутримолекулярных колебаний и, одновременно, электронных степеней свободы, разрывом химических связей в молекулах, образованием устойчивых компактных структур или новых фаз с определенной степенью коллективизации электронов.

Впервые на адиабате Гюгонио в области давлений до Р да265 ГПа зарегистрирована максимальная плотность в ударно-сжатом жидком азоте рда 3,5 г/см3 [44−45], в жидком аргоне р да 5 г/см3 при давлениях до Р и 230 ГПа [46−47], в жидком криптоне р да 7 г/см3 в области давлений до Р да 100 ГПа [48] и в жидком ксеноне р да 11 г/см3 при давлениях до Р «190 ГПа [49−51]. В ударной волне, отраженной от сапфирового окна, в жидких аргоне и ксеноне измерены.

Q О плотности р да 7 г/см и 13.2 г/см при давлениях Р да 530 и 350 ГПа соответственно [47,51].

Оригинальные криогенные конструкции позволяют использовать их с различными полусферическими генераторами ударных волн, разработанными ранее во ВНИИЭФ Л. В. Альтшулером, Р. Ф. Труниным, К. К. Крупниковым и Н. В. Пановым.

102], что дает возможность расширить диапазон исследования свойств сжиженных инертных газов при ударном сжатии, например, в ксеноне до давлений Р ~1000 ГПа.

В экспериментах с плоской ударной волной при давлениях до 80 ГПа оптическим методом измерены скорости звука до 8 км/с в ударно-сжатых жидких азоте, аргоне, криптоне и ксеноне [44, 46, 48, 103]. По измеренным в независимых экспериментах значениям скорости звука и ударным адиабатам определены коэффициенты Грюнайзена в исследованных веществах [44, 103].

Вместе с информацией по изотермической сжимаемости и плавлению при статических давлениях [104−120], результаты настоящей работы были использованы В. Д. Урлиным и О. Л. Михайловой для обоснования полуэмпирических уравнений состояния аргона и ксенона в широком диапазоне давлений до Р ~ 1000 ГПа, с учетом электронного возбуждения при температурах выше 10 000 К и структурных переходов в ксеноне [46,49−50, 57−61]. Традиционная форма полуэмпирических уравнений состояния для твердой и жидкой фаз веществ предложена В. Д. Урлиным в [121].

Для описания термодинамических параметров ударно-сжатых криогенных жидкостей из настоящей работы В. К. Грязновым, И. Л. Иосилевским, В. Б. Минцевым и В. Е. Фортовым выполнены расчеты, в которых использовалось квазихимическое представление (модель 8АНА IV) для сильно-сжатой высокотемпературной среды [122−124]. Сравнение рассчитанных и экспериментальных данных свидетельствует о том, что модель 8АНА IV, учитывающая кулоновские эффекты неидеальности, отталкивание частиц на коротких расстояниях и электронное вырождение, качественно и количественно дает правильное термодинамическое описание ударных адиабат аргона, криптона и ксенона [47, 52−53, 56].

В ГЛАВЕ 2 приведены результаты измерения температур в сжиженных инертных газах, полученные по регистрации излучения фронта ударной волны. Вместе с кинематическими О (и) параметрами ударной волны температурные данные обеспечивают полную информацию о термодинамическом состоянии исследованных веществ в условиях экстремально высоких давлений.

В плоско-волновых экспериментах со сжиженными газами в области давлений до 90 ГПа измерения температур выполнены в красной области спектра. Для исследования излучательных характеристик ударных волн при давлениях Р > 80 ГПа в данной работе использовался высокоскоростной 5-и канальный пирометр видимого диапазона спектра, разработанный по техническому заданию автора [125].

Впервые в экспериментах на адиабате Гюгонио измерены температуры: в ударно-сжатом жидком аргоне Т «31 000 К при Р «230 ГПа [46−47], Т «20 000 К при Р «90 ГПа в жидком криптоне [48] и Т «30 000 К при Р «188 ГПа в жидком ксеноне [49−51]. В аналогичных устройствах в экспериментах с жидким азотом на основной адиабате Гюгонио измерена температура Т «56 000 К при давлении ударного сжатия Р «265 ГПа [44−45].

Анализ данных, полученных для ударно-сжатых сжиженных газов аргона и ксенона, показал хорошее согласие экспериментальных температур и рассчитанных по уравнениям состояния В. Д. Урлина и О. Л. Михайловой до Т ~ 10 000 К в области давлений до Р ~ (20−40) ГПа [46, 49−50]. При более высоких давлениях рассчитанные равновесные температуры, даже с учетом электронного возбуждения, лежат существенно выше экспериментальных значений. Исследования показали, что различие измеренных температур от рассчитанных равновесных связано с механизмом установления термодинамического равновесия между электронами и фононами решетки. Впервые этот механизм был предложен Я. Б. Зельдовичем, С. Б. Кормером и В. Д. Урлиным в [126] при теоретическом рассмотрении экспериментальных температур ударно-сжатых ионных кристаллов из [127−129].

Сравнение данных настоящей работы с расчетами, выполненными в квазихимическом представлении, показывает, что модель S AHA IV [122−124] удовлетворительно описывает полученные результаты [47, 52−53]. Однако имеются области, где наблюдается отклонение данных, рассчитанных по использованной модели, от эксперимента.

Для повышения информативности экспериментов измерено поглощение и отражение света в ударно-сжатых сжиженных газах азоте, аргоне и криптоне. Эксперименты такого рода для конденсированных сред при высоких давлениях и температурах в литературе встречаются крайне редко [129−130]. Измеренный коэффициент поглощения света изменялся от 10 см" 1 до 180 см" 1 при давлениях до 230 ГПа в жидких аргоне и азоте и возрастал до (300−400) см" 1 в жидком криптоне [44, 4748].

Еще реже можно встретить измерения отражения и преломления света, падающего на границу ударно-сжатого вещества. В этом направлении непревзойденными до настоящего времени являются исследования свойств ионных кристаллов, стекол и некоторых жидкостей, выполненные ранее С. Б. Кормером, К. Б. Юшко и Г. В. Кришкевичем [131−133].

Отражательные свойства фронта ударных волн в жидких криптоне и ксеноне впервые в динамических опытах в области давлений доЮОГПа исследовались автором совместно с В. Д. Глуходедовым, С. И. Киршановым и Т. С. Лебедевой [48, 55]. В экспериментах зарегистрирован коэффициент отражения света от фронта ударной волны в жидком ксеноне г «20% при давлении Р «68 ГПа и г и 13% в жидком криптоне при давлении Р «76 ГПа. Такие величины отражательной способности могут означать, что ксенон и криптон в условиях экспериментов, по-видимому, не являются чисто диэлектрическими жидкостями, а отражают как металлы.

Измерения поглощения и отражения света имеют вполне самостоятельное значение для развития фундаментальной науки, а совокупность этих величин позволяет оценить излучательную способность фронта ударных волн при определении его температуры.

В ГЛАВЕ 3 приведены результаты исследований удельной электропроводности конденсированных благородных газов до значений в ~Ю5(Ом-м)1 за фронтом плоской ударной волны в диапазоне давлений Р ~ (10.90) ГПа [48−50, 5456]. В области Р ~ (25−65) ГПа электропроводность жидкого азота в ~ (3-Ю1 (Ом-м)" 1 -2-Ю4(Ом-м)" 1) измерена в [44]. В экспериментах использовалась схема измерений высокой электропроводности, разработанная во ВНИИЭФ Л. А. Гатиловым и Л. В. Кулешовой [134].

По сравнению с проводимостью диэлектриков ~Ю'б (Ом-м)" 1 в исходном состоянии зарегистрировано возрастание удельной электропроводности сжиженных благородных газов за фронтом плоской ударной волны на ~ 11 порядков. Выявлены участки экспоненциальной зависимости электропроводности от температуры, характерные для поведения аморфных полупроводников. Из аппроксимационных зависимостей электропроводности от равновесной температуры определены величины энергетических зазоров между валентной зоной и зоной проводимости: Е =.

14.8+0.9) эВ в аргоне, Е = (13±-1.4)эВ в криптоне и Е = (9.6+1.2) эВ в ксеноне. Полученные значения удовлетворительно согласуются с величинами энергетических зазоров, зафиксированных при измерении фотопроводимости в жидких аргоне, криптоне и ксеноне [135−136]. Экспериментальные данные в зависимости от амплитуды ударной волны показывают насыщение электропроводности на уровне G ~ Ю5(Ом-м)'' в жидком ксеноне, криптоне и аргоне при давлениях Р ~ 40, 80 и 100 ГПа соответственно. Совместный анализ данных [41] и [44] позволяет предположить, что в ударно-сжатом жидком азоте насыщение зависимости G (P), возможно, имеет место на уровне G «100 (Ом-см)» 1 при давлениях выше 40 ГПа.

Экспериментальные результаты показывают, что при низких значениях температур электропроводность с увеличением плотности резко возрастает после некоторой критической величины, демонстрируя четко выраженный пороговый характер [56]. Такое поведение качественно противоречит моделям слобонеидеальной плазмы [122−124]. Главная причина этого эффекта — так называемая «ионизация давлением», которая имеет место при «холодном» (кьТ < I) сжатии вещества при высоких плотностях. С ростом температуры этот эффект становится менее очевидным и исчезает при очень высоких температурах.

Теоретическое рассмотрение экспериментальных данных настоящей работы В. К. Грязновым, И. Л. Иосилевским и В. Е. Фортовым [56] показывает, что модифицированная химическая модель SAHA IV [122−124], учитывающая частичное электронное вырождение, кулоновское взаимодействие свободных зарядов и отталкивание частиц на коротких расстояниях позволяет получить удовлетворительное согласие рассчитанных и экспериментальных значений удельных электрических проводимостей для жидких аргона, криптона и ксенона.

В цилиндрическом устройстве совместно с О. Н. Кузнецовым измерена электропроводность квазиизэнтропически сжатого газообразного водорода при давлении -1500 ГПа [56, 72].

Для одновременного измерения сжимаемости и электропроводности газообразного водорода и его изотопов в [98] предложены цилиндрические конструкции, которые открывают новое направление в исследовании их свойств в мегабарной области давлений, основанное на разнообразной и успешной практике работы с газами высокого давления в РФЯЦ-ВНИИЭФ.

В ГЛАВЕ 4 приведены результаты по квазиизэнтропической сжимаемости жидких аргона и ксенона в устройствах цилиндрической геометрии, в которых сжатие осуществляется системой небольших по амплитуде ударных волн, последовательно воздействующих на исследуемое вещество. Превосходя, по величине конечного давления, возможности ударно-волнового эксперимента, трансформация ударно-волнового сжатия в квазиизэнтропическое существенно снижает термический нагрев образцов.

Разработка устройств для осуществления квазиизэнтропического сжатия до настоящего времени представляет сложную техническую задачу. Имеется ограниченное число публикаций, в которых говориться о реализации этого принципа сжатия. Схематически, принцип квазиизэнтропического сжатия при многократной циркуляции ударных волн в цилиндрической системе, рассмотрен в [137]. В практических конструкциях, реализующих этот метод, сжатие твердого водорода до Р ~15ГПа исследовалось в [138]. В [139] приведены данные по измерению изэнтропической сжимаемости кварца с использованием давления сверхсильного магнитного поля во взрывомагнитном генераторе МК-1, а в [140] исследовалась сжимаемость и электропроводность А1203 до 500 ГПа. Принцип квазиизэнтропического нагружения был реализован и в сферических конструкциях, разработанных С. Б. Кормером, Ф. В. Григорьевым и А. П. Толочко, для исследования сжимаемости газообразного водорода [89].

В экспериментах настоящей работы с жидкими аргоном и ксеноном использован динамический метод сжатия с применением цилиндрического заряда, создающего систему сходящихся к оси системы и отраженных ударных волн, циркулирующих в объеме исследуемого вещества [49−50, 57−61]. При этом достигаются высокотемпературные изэнтропыих положение зависит от массы взрывчатых веществ и геометрии экспериментальных устройств, т. е. параметров, которые можно менять в широком диапазоне.

Практическая реализация криогенных и взрывных устройств цилиндрической геометрии, разработанных по техническому заданию и инициативе автора, позволила в экспериментах исследовать те области фазовых диаграмм аргона и ксенона, где теоретически предсказываются их структурные переходы или металлизация достигнуто давление изэнтропического сжатия в жидком аргоне Р и 1000 ГПа при плотности р «9 г/см3 [60], а в жидком ксеноне Р «700 ГПа при плотности р ж 20 г/см3 [61].

Зарегистрирована высокая сжимаемость жидкого ксенона при давлениях выше Р «200 ГПа, которая теоретически обоснована В. Д. Урлиным и О. Л. Михайловой образованием новой более плотноупакованной фазы ксенона при плотностях р > 8 г/см3 [49−50, 61]. Экспериментально показано, что в жидком аргоне при сжатии до давлений Р ~ 1000 ГПа аномалии отсутствуют [60].

С использованием совокупности экспериментальных данных, полученных в данной работе, по ударно-волновой и квазиизэнтропической сжимаемости, температуре и электропроводности В. Д. Урлиным и О. Л. Михайловой построены эмпирические уравнения состояния, описывающие свойства ксенона и аргона до давлений Р «700 ГПа и Р «1000 ГПа соответственно [49−50, 57−61].

Измерения квазиизэнтропической сжимаемости аргона и ксенона выполнены в области плотностей, где нет других экспериментальных данных, т. е. обладают абсолютной новизной.

В ГЛАВЕ 5 приведены результаты по исследованию свойств газообразных дейтерия и гелия при ударно-волновом и квазиизэнтропическом сжатиях в области давлений до Р ~ 500 ГПа.

Для достижения мегабарного диапазона давлений в газообразных дейтерии и гелии с использованием полусферических генераторов ударных волн [102], их начальная плотность должна быть близка к плотности этих газов в сжиженном состояния при нормальном давлении. Для таких экспериментов по инициативе и техническом участии автора разработана полусферическая капсула, рассчитанная на начальное давление газа до Ро «300 МПа (3000 атм) [85, 88]. Для заполнения капсулы газообразным дейтерием использовался металлогидридный источник изотопов водорода высокого давления на основе ванадия, разработанный во ВНИИЭФ В. А. Голубевым с коллегами [141]. Для наполнения ячейки гелием С. К. Гришечкиным, В. В. Валуевым и И. Л. Малковым (ВНИИЭФ) разработан термокомпрессионный источник газообразного гелия высокого давления, рассчитанный на заполнение газом объемов Уо «10 см3 до давлений Ро «300 МПа (3000 атм).

Одновременное сочетание в экспериментах методик статического и динамического сжатия позволило в настоящей работе получить в исходном состоянии начальную плотность газообразного дейтерия близкую к плотности жидкости, а конечные состояния сжатого дейтерия в мегабарной области давлений Р «120 ГПа [85−88] и отказаться от применения в экспериментах сложной криогенной техники гелиевых температур. Одновременно с плотностью в экспериментах измерялась температура и спектральные коэффициенты поглощения света, что позволило получить дополнительную информацию об оптических свойствах плазмы ударно-сжатых дейтерия и гелия.

Проведено сравнение полученных для дейтерия данных с расчетами, выполненными по моделям сжимаемого коволюма (МСК), Б АН, А IV и методу Монте-Карло для химически реагирующих веществ. Как показывает анализ, все три теоретические модели в области давлений до Р «120 ГПа хорошо согласуются с результатами экспериментов по ударному сжатию предварительно сжатого газообразного дейтерия [85−88].

В экспериментах с газообразным гелием экспериментально измерены плотности до р «0.8 г/см и температуры до Т = 51 000 К при давлениях Р ж (3585) ГПа [100−101]. Высокая начальная плотность гелия р0 «0.124 г/см3, практически равная плотности жидкого гелия, получена предварительным сжатием газа до давлений Р0 «120 МПа (1200 атм). Данные экспериментов с газообразным гелием по давлению почти в 4 раза превышают диапазон исследований свойств жидкого гелия из [36]. Проведено сравнение полученных данных с результатами расчетов по различным уравнениям состояния гелия [142−144].

Эксперименты с газообразным дейтерием при более высоких давлениях в настоящей работе проведены на устройствах, трансформирующих ударное сжатие в квазиизэнтропическое. В экспериментах, выполненных на рентгенографическом комплексе РФЯЦ-ВНИИЭФ, в диапазоне давлений до Р ~ 500 ГПа измерено сжатие газообразного дейтерия до плотностей р «3 г/см [93−97]. В неисследованной ранее области давлений Р «(125−154) ГПа экспериментально зарегистрирован скачок плотности квазиизэнтропически сжатого газообразного дейтерия Дрф"20%, который можно рассматривать как признак фазового перехода первого рода, физический характер которого должен быть определен дополнительно [86−87, 96, 145 147].

Результаты настоящей работы дополняют данные, полученные для водорода ранее во ВНИИЭФ коллективом под руководством член-корреспондента РАН С. Б. Кормера.

Научная новизна работы:

1. На адиабатах Гюгонио в жидких азоте, аргоне и ксеноне измерены плотности до 13.5 г/см3 и температуры до «56 000 К при давлениях до 530 ГПа. Впервые исследованы свойства ударно-сжатого жидкого криптона до давлений 100 ГПа. Полученные данные, по исследованному диапазону давлений и температур, в 2−3 раза превосходят результаты зарубежных ученых, что и определяет новизну проведенных экспериментов.

2. С использованием рентгенографической методики при квазиизэнтропичес-ком нагружении:

— измерено сжатие жидких аргона и ксенона до плотностей рк 9 г/см3 и р да 20 г/см3 в неисследованном ранее диапазоне давлений до Р да 1000 ГПа и Рк 700 ГПа соответственно. Анализ данных позволяет утверждать об отсутствии аномальной сжимаемости аргона до давлений Р «1000 ГПа и ксенона до Р «200 ГПа.

— измерено сжатие газообразного дейтерия до плотности р да 3 г/см3 при давлениях сжатия Р да 500 ГПа. В неисследованном ранее диапазоне давлений Р да (127−154) ГПа зафиксирован скачок плотности сжатого дейтерия Арф «20%.

3. Впервые в России на адиабате Гюгонио в газообразном гелии, имеющем о начальную плотность равную плотности гелия в жидком состоянии (р0 да 0.124 г/см), измерены плотность р да 0.8 г/см3 и температура Т «51 000 К при давлении Р «85 ГПа.

4. Измерена электропроводность плазмы ударно-сжатых сжиженных благородных газов до G ~105 (Ом-м)" 1 в области давлений ударного сжатия до Р да 100 ГПа. Зарегистрирован эффект резкого (порогового) роста проводимости в аргоне, криптоне и ксеноне, вызванный «ионизацией давлением».

5. Впервые в динамическом эксперименте измерена электропроводность квазиизэнтропически сжатого газообразного водорода G да 550 (Ом-см)" 1 при давлении.

Р ~ 1500 ГПа. Полученное значение удовлетворительно согласуется с оценками «минимальной металлической» проводимости диэлектриков в условиях сильного межчастичного взаимодействия.

6. Измерен коэффициент отражения света от фронта плоской ударной волны в жидких криптоне и ксеноне г да 13% и да 20% при давлениях Р да 76 и 68 ГПа соответственно. Данные указывают на зеркальность фронта ударной волны в криптоне и ксеноне при исследованных давлениях с величиной размытия не более 7−10″ 7 см. Ранее такие эксперименты с криогенными жидкостями в мегабарной области давлений не проводились, что и определяет их новизну.

Научная и практическая значимость работы:

• В настоящей работе решена важная научно-техническая задача экспериментального изучения состояний с высокой концентрации энергии в конденсированных инертных газах, газообразных дейтерии и гелии в области ранее не исследованных уникально высоких плотностей до р да 20 г/см3, давлений до Р" 1000 ГПа и температур до Т да 56 000 К с использованием совокупности экспериментальных методик: электроконтактной, оптической, рентгеновской и электрофизической.

• Разработаны оригинальные криогенные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии для генерации сильно сжатых высокотемпературных состояний при ударно-волновом и квазиизэнтропическом нагружении и современные диагностические методики исследования свойств сжиженных инертных газов, газообразных дейтерия и гелия в этих состояниях, расширяющих экспериментальную базу для тестирования уравнений состояния исследуемых сред.

• По результатам измерений ударно-волновой и квазиизэнтропической сжимаемости, температуры и электропроводности В. Д. Урлиным и О. Л. Михайловой созданы обоснованные формы уравнений состояния аргона, криптона и ксенона в широком диапазоне давлений до Р да 1000 ГПа, учитывающие электронное возбуждение, структурные переходы и зависимость энергетического зазора от степени сжатия. Совокупность экспериментальных данных и их теоретический анализ позволяет утверждать об отсутствии аномальной сжимаемости жидкого аргона, по крайней мере, до давлений Р «1000 ГПа и жидкого ксенона до Р «200 ГПа.

• Зарегистрирован эффект резкого (порогового) роста проводимостиионизации «давлением», что указывает на ограничение использования моделей слабонеидеальной плазмы в этой области давлений.

• Зарегистрирован скачок плотности на 20% при квазиизэнтропическом сжатии газообразного дейтерия в неисследованной ранее области давлений Р «(127 154) ГПа. Аномалия в плотности квазиизэнтропически сжатого газообразного дейтерия, зафиксированная в данной работе, приводит к необходимости проведения дальнейших углубленных исследований свойств дейтерия в этой области давлений.

• Впервые измерена температура Т = 51 000 К газообразного гелия сжатого до давления Р «85 ГПа. Полученные данные расширяют информацию о физических свойствах сильно неидеальной и частично вырожденной гелиевой плазмы в мегабарной области давлений, где эффекты неидеальности осложняются химическими реакциями, связанными с ионизацией, делая теоретический анализ чрезвычайно трудным.

• Двухкаскадные цилиндрические устройства, разработанные по инициативе автора, нашли применение в практике ВНИИЭФ для получения экспериментальных данных о сдвиговой прочности металлов в мегабарной области давлений [148].

• Приведенные в диссертации данные опубликованы во многих научных изданиях и используются в ведущих научных центрах России: в РФЯЦ-ВНИИЭФ, в Объединенном институте высоких температур РАН, институте химической физики им. Н. Н. Семенова, институте проблем химической физики РАН (Черноголовка) для тестирования уравнений состояния плазмы в состояниях с высокой концентрацией энергии в диапазоне ультравысоких давлений.

Личный вклад соискателя. Материал, представленный в диссертации, получен при непосредственном участии автора в формировании направлений исследований, составлении технических заданий на исследование свойств веществ, на разработку оригинальных криогенных конструкций плоской, цилиндрической и полусферической геометрии и методик для диагностики высокотемпературных сильно сжатых сред, в постановке и проведении экспериментальных исследований, обобщении, интерпретации и представлении полученных результатов.

Достоверность полученных данных обеспечена применением в экспериментах широкого набора современных измерительных методик: рентгеновской диагностики, электроконтактных измерений, регистрации излучения фронта ударной волны и измерения электропроводности.

Экспериментальный материал, полученный в работе с помощью различных методик, подтверждается его согласием с экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями в области их применимости, выполненными другими авторами и опубликованными в литературе. Достоверность экспериментальных результатов автора обоснована комплексным подходом к получению и анализу данных. Расчеты экспериментальных устройств выполнены по программам, принятым для использования в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Описание экспериментальных данных настоящей работы выполнено сотрудниками ведущих научных центров России: В. Д. Урлиным, О. Л. Михайловой, В. В. Хрусталевым (РФЯЦ-ВНИИЭФ), В. К. Грязновым (ИПХФ РАН), И. Л. Иосилевским (МФТИ-ГУ), В. Е. Фортовым (РАН).

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны оригинальные экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии для генерации сильно сжатых высокотемпературных состояний и современных средств диагностики для исследования свойств сжиженных инертных газов, газообразных дейтерия и гелия при их однократном, двукратном и квазиизэнтропическом сжатиях в области давлений, достигающей ~ 1500 ГПа.

2. На основе созданной лабораторной техники и методик получен комплекс новых экспериментальных данных для исследованных веществ в экстремальных о условиях: по давлению до Р ~ 1000 ГПа, по плотности до р «20 г/см, температуре до Т «56 000 К, электропроводности до С «105 (Ом-м)» 1 и скорости звука до С «8 км/с, который использован для: а) тестирования модельных уравнений состояния благородных газов, гелия и дейтерия в области уникально высоких плотностей до р «20 г/см3 и давлений до Р «1000 ГПаб) экспериментального обоснования:

• «холодной» ионизации благородных газов давлением;

• отсутствия аномальной сжимаемости аргона до Р «1000 ГПа;

• наличия структурного перехода в ксеноне при давлениях выше 200 ГПа;

• скачка плотности на «20% в газообразном дейтерии при квазиизэнтропическом сжатии, предсказанного по результатам первопринципных и полуэмпирических расчетов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ (отчеты, тезисы, статьи, доклады). Результаты, представленные в настоящей работе, докладывались на совещаниях по теплофизическим свойствам веществ (ТСВ), проводимых во ВНИИЭФ, ВНИИТФ и Институте прикладной математики (ИПМ, г. Москва), на научно-координационных сессиях «Исследования неидеальной плазмы» в 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг., на международных конференциях по ударным волнам в конденсированных средах «Shock Compression of Condensed Matter»: Сиэтл -1995, Варшава-1995, Амхерст-1997, С.-Петербург-1998, 2000 и 2002 гг., Сноуборд-1999, Атланта-2001, Портленд-2003, Балтимор-2005, на конференциях — Joint 20th AIRAPT-43th EHPRG Conference on Science and Technology of High Pressure — 2005 (Карлсруэ, Германия) и SCCM-2005 (Москва), а таюке на международных конференциях: III, V, VII и IX Харитоновские тематические научные чтения (г. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ — 2001, 2003, 2005 и 2007 гг.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5-и глав, заключения и списка использованных источников, который содержит 224 работ. Текст изложен на 220 страницах, включает 110 рисунков и 15 таблиц.

Выводы:

1. В течение 2001;2006 гг. в ИФВ проведена серия экспериментов по измерению сжимаемости газообразного дейтерия в двухкаскадных цилиндрических устройствах с использованием жесткого рентгеновского излучения для регистрации траектории движения сходящихся к центру оболочек. Исследуемая область состояний дейтерия лежит примерно в интервале давлений от 70 до 500 ГПа. Ряд опытов выполнен в неисследованной ранее области давлений (125−270) ГПа. Впервые в опытах применена пакетная цифровая регистрация рентгеновских изображений с использованием фотохромных экранов, что позволило получить рентгеноснимки недостижимого ранее качества.

2. Для 5 экспериментальных устройств (1, 2, 3, 5 и 6) удалось в единой манере описать траектории движения оболочек, задавая постоянную толщину слоя мгновенного инициирования А=12,9 мм (радиус круга, приходящийся на одну точку инициирования). Для устройства 4 толщина слоя мгновенной детонации подбиралась с учетом уравнения состояния ПВ В. Н. Зубарева.

3. На устройствах 1 и 2 получено хорошее согласие результатов опытов и газодинамических расчетов по уравнению состояния дейтерия КХ и с моделью упругопластичности ФМП для стальных оболочекрассчитанный радиус лишь на (+1 .+1,6) % отличается от экспериментального, что находится в пределах экспериментальной погрешности.

4. Результаты опытов на устройствах 3, 4, 5 и 6 указывают на большую, относительно одномерных расчетов по УРС дейтерия КХ, сжимаемость газа (от 2 до 13% по радиусу) при использовании в расчетах всех известных моделей прочности.

5. На рентгеновских снимках для опытов по всем схемам не видно значительных изменений радиуса полости по длине цилиндра, поэтому градиенты давления в газе вдоль оси не могут быть значительными и крупномасштабное осевое перетекание газа в средней части полости не ожидается.

6. Двумерные расчеты, выполненные Н. Б. Давыдовым и С. Ф. Маначкиным по просьбе автора, показали: а) на момент максимального сжатия газа возмущением от торцов экспериментальных устройств не затронуто «15 мм в центральной части конструкции для устройства 3 и «50 мм для устройства 4 б) практическое отсутствие возмущений на ВГО второго каскада в устройствах 1 и 3. Для устройства 4 амплитуда возмущений может достигать значений ~ 1 мм. В процессе исследований сжимаемости газообразного дейтерия автор отказался от использования этой конструкциив) при одновременном инициировании поверхности ВВ возмущения слабо сказываются на форме сжимаемого газового слоя. При наличии сдвига инициирования в ряде точек по времени на 0,2 мкс (такая величина близка к максимально возможной) искажения формы газовой полости имеют место для устройства 4 (масса ВВ 32 кг). Практически, наличие возмущений приводит к ухудшению качества рентгенограмм, что имеет место в ряде экспериментов, и затрудняет их обработку. По мнению автора, основная причина возникновения возмущений связана с качеством изготовления фокусирующей системы.

7. Задача о влиянии точечного инициирования ВВ на форму газовой полости по существу трехмерная и на данном этапе развития газодинамических программ и быстродействия ЭВМ трудно решаема. К тому же, после того как возмущенная форма поверхности будет сосчитана и признана адекватной, необходимо выработать критерий соответствия расчетной и экспериментальной границ, то есть ответить на вопрос, какая граница фиксируется на эксперименте — огибающая возмущений, средняя линия или что-то другое. В полной мере все эти вопросы можно отнести и к интерпретации ранних результатов по сжимаемости газообразного водорода в экспериментах [89].

С учетом полученных данных и вплоть до разработки адекватных методов измерения эквивалентных радиусов сжатых оболочек автор в настоящей работе использовал усредненные значения для радиусов остановки ВГО второго каскада (КттХ полученные при обработке рентгенограмм визуальным и денситометрическим методами [94−95].

8. В неисследованной ранее области давлений (125−154) ГПа экспериментально зарегистрирован скачок в плотности газообразного дейтерия «20%, который, возможно, связан с плазменным фазовым переходом. Полученный результат не зависит от известных моделей прочности оболочек и уравнений состояния дейтерия.

9. Экспериментальный материал, полученный в ходе работы, может быть использован для тестирования моделей прочности металлов экспериментальных устройств в исследованном диапазоне давлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе решена важная научно-техническая задача экспериментального изучения состояний высокой концентрации энергии в плазме криогенных жидкостей, газообразных дейтерия и гелия при ударном и квазиизэнтропическом сжатиях в области давлений до Р «1000 ГПа и температур Т «55 000 К.

Для изучения ударно-волновых свойств разработаны простые экспериментальные устройства плоской, цилиндрической и полусферической геометрии, которые оказались очень удобными для работы в условиях экспериментального полигона для одновременной регистрации скорости ударной волны на основной и отраженной ударных адиабатах и излучения с фронта УВ, по которому оценивалась его температура. Аналогичное устройство плоской геометрии использовалось и для экспериментов по электропроводности.

Разработана и использована методика высокоскоростной пирометрии для одновременного измерения в экспериментах с плоскими и полусферическими генераторами ударных волн — скорости ударных волн, скорости звука, температуры и коэффициентов спектрального поглощения света в ударно-сжатых сжиженных газах. Измерения спектральных температур многоканальным высокоскоростным пирометром позволили автору использовать в настоящей работе общемировую практику нахождения температуры нелинейным методом наименьших квадратов для двух параметров Т и Э и проведением итераций для получения точных оценок температуры и излучательной способности.

С применением полусферических генераторов ударных волн на основной адиабате Гюгонио впервые измерены — плотность ударно-сжатого жидкого аргона р «5 г/см3, температура Т «31 300 К и коэффициенты поглощения света до «180 см» 1 при давлениях до Р «230 ГПа. При отражении ударной волны от сапфирового окна л зарегистрирована плотность сжатого аргона р «6 и 7 г/см при давлениях Р «300 и 530 ГПа соответственно. В аналогичных устройствах в экспериментах с жидким азотом на основной адиабате Гюгонио измерены — плотность ударно-сжатого жидкого азота до р «3,4 г/см, температура до Т «28 000 К и коэффициенты поглощения света до 180 см» 1 при давлениях ударного сжатия до 160 ГПа.

Эксперименты по измерению ударно-волновой сжимаемости сжиженных инертных газов, проведенные с разработанными криогенными полусферическими конструкциями, выполнены в области давлений превышающей мировой уровень. С применением более мощных генераторов полусферических ударных волн типа M3−13 и МЗ-18 диапазон исследований свойств этих веществ может быть повышен до давлений Р -1000 ГПа за фронтом основной ударной волны.

Впервые в экспериментах автора измерены температуры до 30 000 К в ударно-сжатых сжиженных инертных газах — азоте, аргоне, криптоне и ксеноне в неизученном ранее диапазоне давлений.

Результаты по ударной сжимаемости сжиженных благородных газов убедительно показывают значительное тепловое возбуждение электронов в зону проводимости в аргоне при давлении Р «40 ГПа, криптоне и ксеноне при давлениях Р «(25−30) ГПа, что можно трактовать как электронный фазовый переход, приводящий к возрастанию сжимаемости и снижению темпа роста температуры. Совместный анализ D (U) и Т (Р) зависимостей в жидких аргоне, криптоне и ксеноне показывает, что значения давлений, при которых наблюдаются изломы адиабат, хорошо согласуются друг с другом. Результаты настоящих исследований показывают, что закон соответственных состояний для благородных газов соблюдается, по крайней мере, до давлений Р «25 ГПа.

Впервые измерены коэффициенты поглощения света за фронтом ударных волн в сжиженных благородных газах — аргоне, криптопе и ксеноне, достигающие значений: до 300 см" 1 в жидком криптоне и ксеноне при давлениях до 100 ГПадо 200 см" 1 в жидком аргоне при давлениях до 180 ГПа до 150 см" 1 в жидком азоте при давлениях до 160 ГПа.

Впервые измерена отражательная способность фронта ударных волн до г «20% в криптоне и ксеноне при давлениях ударного сжатия Р ~ 100 ГПа. Измерение поглощения и отражения света имеют вполне самостоятельное значение для развития фундаментальной науки, а совокупность этих величин позволяет оценить излучательную способность фронта ударных волн. Это важно при определении их истинных температур, которые является более чувствительным параметром для проверки различных теоретических моделей, чем ударное давление. Исследования отражения и поглощения света имеют важное значение и для оценки структуры (гладкости) фронта ударной волны.

Экспериментальные результаты настоящей работы по электропроводности сжиженных газов дают уникальную возможность тестирования термодинамических моделей снижения потенциала ионизации при создании уравнений состояния аргона, криптона и ксенона.

Зарегистрирована экспоненциальная зависимость электропроводности благородных газов от температуры, что позволило определить ширину энергетических зазоров: Е = (14.8±0.5) эВ для аргона, Е = (13.0+0.8) эВ для криптона и Е = (9.6+0.5) эВ для ксенона.

Полученные экспериментальные данные демонстрируют резкий рост электропроводности неидеальной плазмы инертных газов на (3−5) порядков величины в узкой области плотностей, вызванный «ионизацией давлением», что качественно противоречит моделям слабо неидеальной плазмы. Речь идет о «холодном» сжатии плазмы (квТ «I) в области плотностей и давлений, превосходящих твердотельные.

Квазихимическая модель неидеальной плазмы, учитывающая эффекты вырождения свободных электронов, кулоновское взаимодействие заряженных зарядов и отталкивание тяжелых частиц на коротких расстояниях, причиной которых является перекрытие электронных оболочек атомов и ионов при высоких плотностях дает удовлетворительное согласие экспериментальных и рассчитанных данных по электропроводности инертных газов [62]. Тем не менее, модель требует дальнейших усовершенствований, связанных с учетом перестройки внутренней структуры частиц в условиях сверхвысоких давлений и температур.

Для исследования сжимаемости сжиженных газов с температурой кипения > 77 К в области давлений до Р~1000ГПа разработаны криогенные двухкаскадные цилиндрические устройства, трансформирующие ударно-волновое сжатие в квазиизэнтропическое, что позволило исследовать свойства сжиженных газов — аргона и ксенона в области температур, занимающей, по тепловому нагреву, промежуточное положение между нагревом в ударно-волновых и адиабатических экспериментах. С их помощью исследована область фазовых диаграмм жидких аргона (р да 9 г/см3) и ксенона (р «20 г/см3), которые по давлению и плотности соответствуют мировому уровню.

Предложенные устройства открывают новое направление для изучения оптических характеристик и электропроводности при квазиизэнтропическом сжатии материалов в мегабарном диапазоне давлений в условиях экстремально высоких температур.

Измерена квазиизэнтропическая сжимаемость жидкого аргона до давлений Р «1000 ГПа. Анализ результатов показывает, что в исследованном диапазоне давлений наблюдается внутреннее согласие всех экспериментальных данных по сжимаемости для жидкого, твердого и газообразного аргона с данными расчетов. Исследования убедительно показывают, что в области плотностей до р да 9 г/см аномалия в поведении сжатого аргона отсутствует.

Анализ экспериментов по ксенону показал, что в исследованной области давлений все результаты нельзя описать одним уравнением состояния (Хе1). Для удовлетворительного описания данных, особенно при высоких давлениях, в [64] с учетом результатов статических экспериментов был постулирован структурный переход в ксеноне при давлении Р = 80 ГПа (р = 8.37 г/см3) без скачка плотности в новую фазу (Хе2). Считалось, что происходит только изменение наклона кривой упругого взаимодействия. Это позволило удовлетворительно описать все данные по ударному сжатию до давлений 130 ГПа и увеличение плотности жидкого ксенона, о квазиизэнтропически сжатого цилиндрической оболочкой до р да 20 г/см при давлениях до Р да 700 ГПа.

Результаты настоящей работы позволили создать обоснованную форму уравнений состояния аргона, криптона и ксенона в широком диапазоне давлений: до.

Р да 100 ГПа в криптоне, до Р да 700 ГПа в ксеноне и до Р да 1000 ГПа в аргоне, учитывающую электронное возбуждение при температурах выше 10 000 К, структурные переходы в ксеноне и зависимость энергетического зазора от степени сжатия. Двухфазное уравнение состояния ксенона, предложенное в работах с участием автора, удовлетворительно описывает обширную совокупность экспериментальных данных, включая эксперименты автора по изэнтропической сжимаемости ксенона до р да 20 г/см. В настоящее время это самое широкодиапазонное уравнение состояния, предсказывающее свойства ксенона от давлений на кривой плавления до Р да 720 ГПа.

Хорошее согласие экспериментальных значений по сжимаемости и температурам в области давлений до Р -100 ГПа достигается и с расчетами по модели SAHA IV, предложенной для описания термодинамики плазмы ударно-сжатых сжиженных инертных газов [55−56].

Совокупность экспериментальных данных и их теоретический анализ позволяет утверждать об отсутствии аномальной сжимаемости жидкого аргона, по крайней мере, до давлений Р да 1000 ГПа и жидкого ксенона до Р да 200 ГПа, а исследованные вещества в этих диапазонах давлений могут использоваться как материалы-стандарты. Высокая яркость фронта ударных волн в исследованных газах вместе с экспериментально измеренными кинематическими параметрами (D, U и С) показывает, что данные вещества можно использовать в качестве индикаторных жидкостей при измерении скорости звука в металлах и других непрозрачных материалах.

Результаты настоящей работы направлены на развитие и дальнейшее совершенствование методик для калибровки параметров уравнений состояния простых веществ, в том числе водорода и его изотопов, и конструкционных материалов.

Разработаны двухкаскадные цилиндрические конструкции, с помощью которых измерена квазиизэнтропическая сжимаемость газообразного дейтерия до плотностей р да 3 г/см3 при давлениях сжатия до Р ~ 500 ГПа. Впервые в опытах применена пакетная цифровая регистрация рентгеновских изображений с использованием фотохромных экранов (Digital Complex for Computer Radiography — (DC-CR)), что позволило получить рентгеносиимки недостижимого ранее качества. На сегодняшний день пакеты фотохромных экранов являются наилучшим решением в классе интегрирующих однокадровых регистраторов.

Ряд опытов выполнен в неисследованной ранее области давлений (127 -300) ГПа. Результаты опытов в области давлений выше 150 ГПа указывают на большую, относительно расчетов, сжимаемость газа (от 12 до 50% по плотности), что является достаточным основанием для корректировки уравнения состояния водорода, используемого в РФЯЦ-ВНИИЭФ. В области давлений (127−154) ГПа экспериментально зарегистрирован скачок в сжимаемости газообразного дейтерия «20% по плотности, который, возможно, связан с плазменным фазовым переходом.

Измерена электропроводность квазиизэнтропически сжатого водорода высокой начальной плотности при давлении сжатия Р — 1500 ГПа. Развитие исследований электропроводности дает возможность экспериментального измерения зависимости ширины энергетического зазора от плотности, что в комплексе с измерением сжимаемости и температуры необходимо для создания замкнутого уравнения состояния дейтерия в мегабарной области давлений.

Проведенные исследования показывают, что для надежной оценки электропроводности квазиизэнтропически сжатого водорода необходима разработка конструкций с плавным распределением газодинамических параметров по радиусу. Устранить резкое изменение плотности, давления и температуры вблизи оси системы можно с помощью сплошного электрода, расположенного по оси экспериментального устройства [104]. Наличие центрального электрода не мешает одновременному измерению электропроводности и сжимаемости газа с использованием рентгеновского излучения, что повышает информативность экспериментальных исследований.

В настоящей работе при исследовании свойств конденсированных газов использовался широкий набор измерительных методик: рентгеновское зондирование, электроконтактные измерения, регистрация излучения фронта ударной волны и измерение электропроводности. Совокупность спектра полученных экспериментальных данных использовалась для тестирования параметров уравнений состояний инертных газов и дейтерия в широкой области состояний до уникально высоких плотностей р ~ 20 г/см3 и давлений Р ~ 1500 ГПа.

Настоящая работа была начата по инициативе и под руководством член-корреспондента АН СССР, доктора физико-математических наук, профессора С. Б. Кормера. Широкое участие и поддержка в развитии и становлении экспериментальных методик, интерес к экспериментальным результатам и их интерпретации принадлежит кандидату физико-математических наук Ф. В. Григорьеву, под чьим непосредственным руководством автором начаты эти экспериментальные исследования. Автор выражает им свою безграничную благодарность за становление его как физика-экспериментатора.

Экспериментальные исследования по квазиизэнтропической сжимаемости жидких — аргона и ксенона в течение 1987;1997 гг. были поддержаны начальником отделения 13 (ныне ИЛФИ) доктором физико-математических наук Г. А. Кирилловым, которому автор выражает свою признательность. За постоянный интерес к экспериментальным исследованиям и за теоретическую интерпретацию полученных данных автор выражает свою благодарность доктору физико-математических наук, профессору В. Д. Урлину.

В расчетно-теоретических исследованиях по изучению свойств сжиженных инертных газов помощь и поддержку оказали автору сотрудники ИЛФИ О. Л. Михайлова и В. А. Волков. Неоценимую помощь в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных оказали автору сотрудники его группы: В. Д. Глуходедов, А. Б. Камсков, В. Л. Смирнов, а также О. Н. Кузнецов, Е. П. Галаган, Ю. А. Буров, В. В. Кузнецов.

С 1998 г. в новых экспериментальных исследованиях свойств инертных газов, гелия и дейтерия активную поддержку автору оказал начальник отдела ИФВ доктор физико-математических наук М. В. Жерноклетов.

Активную моральную и материальную поддержку исследованиям автора оказал директор ИФВ, заместитель главного конструктора, доктор технических наук.

A.Л.Михайлов.

Исследования свойств ударно-сжатых газообразных дейтерия и гелия выполнены автором при поддержке директора РФЯЦ-ВНИИЭФ Р. И. Илькаева и Президиума РАН в рамках комплексной программы научных исследований «Физика и химия экстремальных состояний вещества», возглавляемой академиком РАН.

B.Е.Фортовым, и при поддержке РФФИ.

Теоретическую поддержку автору при описании поведения сжиженных инертных газов, дейтерия и гелия в мегабарногй области давлений оказали сотрудники Института проблем химической физики РАН (Черноголовка, Московская обл., Россия) — В. К. Грязнов и В. Б. Минцев, И. Л. Иосилевский (Московский физико-технический институт, п. Долгопрудный, Московская обл., Россия), В. Е. Фортов (РАН). При расчетно-теоретическом анализе результатов экспериментов, полученных при исследовании свойств газообразных гелия и дейтерия, существенную помощь автору оказал В. В. Хрустал ев (ИТМФ ВНИИЭФ).

Практическую и научно-техническую помощь в работе оказали автору: М. Ю. Белякова, В. А. Бугаева, Ю. А. Григорьева, А. Е. Ковалев, С. И. Киршанов, Т. С. Лебедева, А. Б. Межевов, М. Г. Новиков, А. Н. Шуйкин, В. Н. Бузин, Н. Б. Давыдов, С. Ф. Маначкин, Г. Н. Кашинцева, А. С. Буланников, В. А. Голубев, С. К. Гришечкин, Д. Н. Тумкин, А. А. Юхимчук, В.ВЛрошенко. Существенная поддержка в разработке конструкторской документации экспериментальных устройств принадлежитВ.Г.Колесникову и С. К. Груздеву, а также начальнику конструкторского отделаН.Д.Анохину.

Всем названным выше автор выражает свою благодарность и признательность.