氢、氘及其混合物物态方程和辐射不透明度的研究

【摘要】： 本文对氢、氘及其混合物的物态方程和不透明度进行了研究，但以物态方 程研究为主。内容由两部分组成：（a）用冲击压缩技术并借助瞬态辐射高温计和 磁测速系统，测量了氘气及氢氘等摩尔混合气体的Hugoniot曲线、冲击温度及 辐射不透明度：并用热力学统计理论，分别对冲击压缩下上述气体样品的离解、 电离及物态方程实验结果进行了较为系统的模型计算和理论分析。（b）用液体 变分微扰理论加量子力学修正，对液态H_2、D_2、H_2＋D_2混合物及He＋H_2混合物 的物态方程及其分子间有效相互作用势作了系统的研究，并与公开发表的实验 结果作了比较。 主要结果归纳如下： （1）用二级轻气炮、磁测速系统和多通道瞬态辐射高温计，测量了氘气（初始温 度296K、初始压力0.6MPa）及氢氘等摩尔混合气体（初始温度285K、初 始压力1.2MPa和0.6MPa两种）的Hugoniot曲线、冲击温度、光谱吸收系 数和铝基板（铝/气体样品界面）的光反射率。实验结果表明：实验Hugoniot 物态方程与Saha模型计算结果基本符合，基板表面的光反射率约为0.34～0.41 之间，它比静态反射率（0.82～0.85）大约降低了一半多。 （2）应用热力学统计理论，建立了氢、氘及其混合气体的离解和电离平衡方程， 用梯度法和FORTRAN77语言编写求解冲击压缩下氢、氘气体部分离解和 少量电离问题的程序（mol-saha.for），并进行了数值计算。给出了粒子数密度 随冲击温度变化曲线，进而计算了冲击压力、冲击波速度和粒子速度。与 SESAME库数据及实验结果进行比较后发现：（a）在冲击压缩下，当冲击温 度低于4000K时，氢（或氘）气体分子主要发生的是离解过程，形成H_2，H（或 D_2，D）二元混合物；随着冲击温度的增高，离解度不断增大，电离度也增 大，逐步形成了H_2，H，H~+，H_2~+，e(或D_2，D，D~+，D_2~+，e)五元混合物； 当冲击温度达到7000K以上，绝大多数H_2(或D_2)气体分子己离解[见高压 物理学报，Vol.14(3),(2000)p168]。氢氘混合气体分子在冲击压缩下发生的 电离和离解过程与上述情况十分类似，即当冲击温度低于4000K，主要发生 离解过程，形成H_2，D_2，H，D四元混合物；随着冲击温度继续增大时， 摘要 一 离解度不断增大，电离度也增大，从而形成H＊H，H＼H／，e，DvD， D＼D二九元混合物；当冲击温度在7000K以上，绝大多数HpDZ气体分 子己离解。小气态氢、氖及其混合物的冲击压缩特性的模型计算结果具有 相同的规律。同位素效应主要反映在速度关系式p＝c＋KU的C。值上，氢、 且 氖及其混合物的 C。值基本与密度的负二分之一次方（即p‘）成正比，但 1值基本不变。（C氢氖混合气体物态方程的模型计算结果、实验数据及王－ 李－陈混合物态方程计算结果基本一致。 ＊）用液体微扰变分理论并考虑量子力学修正，计算了液H。，液D。的冲击压缩 曲线。与Nellis等人发表的实验数据相比较，本文模型计算的巳和V。值在 高达80＊P＜处仍有很好的预测精度，但几数据仅能符合到巳q2＊Pa区域。 我们认为分子的离解和电离使系统的能量降低，同时也增加了粒子数密度， 系统能量的降低会使压力下降，而粒子数密度的增加也会使压力增加，这两 个相反的过程基本互相抵消，使系统的压力基本保持不变。另一方面，冲击 温度明显高于实验值，是由于本文模型计算中未考虑分子离解和电离的原因 所造成，尽管在低压下分子的离解率很小，但很少的分子离解也会使系统的D 能量降低＊个氢分子离解所需吸收4．735eV的能量），也就是温度下降，这 种效应明显随压力的升高而加强。尽管如此，本模型在计算高达～100GPa 区的P山V。值的成功，还是体现了这个模型的使用价值，是有其实用意义 的【见：物理靴，Vol．48，NO．3，＊999）PP486－490）卜今后如欲改进 T。计算精 度，必须在模型中加进分子离解甚至电离的影响。 ＊）考虑到同位素分子的电子结构相同，H／H；，H厂D。和D厂D。之间相互作用都 可以取相同的指数6势（EXP6）形式，用与计算液H。和液D。的相同模型 及势参数，计算了液态H广D2的物态方程。因为缺乏可供比较的实验数据， 无法对本文模型计算结果的合理性进行直接的验证。但从用同一程序对单组＿ 分的液氢和液氖物态方程的模型计算值与实验值的比较看，符合程度是相当 好的【见中国科学K辑）VOI．29．NO．11 （ 1999 ） ploll．或 m IN CHN，（Series A），Vol．42，No．11．（1999）＂l208］，并预狈了液态H。＋D。不同 比例混合冲击压缩HOgoniot曲线和冲击温度，此预测对开展这方面的实验 工作有一定理论指导意义。但与实验数据的比较?

【学位授予单位】：中国工程物理研究院北京研究生部
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2000
【分类号】：O414