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冲击压缩氙的物态方程和瞬时光谱的研究

郑君  
【摘要】: 物态方程与光谱数据是辐射流体动力学的计算机模拟重要输入参数,因而,研究冲击压缩气体氙产生高温稠密等离子体热力学性质具有明确的应用背景和科学意义。 随着冲击压缩技术的发展,使原子分子的电离和离解变得可操纵。我们知道,氙的能隙宽度较小,经冲击压缩可以实现绝缘体向金属化的转变,因此,通过研究冲击压缩氙等离子体过程及状态,可以深入认识其原子和离子的结构变化及粒子间相互作用规律,这是高压凝聚态物理延伸到极端条件和微观层次的发展趋势。 本文以实验为主,结合理论分析方法,研究了从不同初始状态下冲击压缩稠密气体氙产生等离子体状态和光谱特性,获得了一些规律性认识。主要内容归纳如下: 以二级轻气炮作为加载工具,用多通道辐射高温计(PMT)和光学多道分析仪(OMA)作为主要诊断手段,实现三发初始压力0.8 MPa及一发初始压力4.72 MPa、室温条件下的冲击压缩稠密气体氙的光谱辐亮度历史和瞬态光谱测量,从而由PMT输出记录的光谱辐亮度历史,可以获得冲击波速度,进而通过阻抗匹配计算出终态压力;由CCD记录OMA输出,可以获得发射及吸收谱,进而推断等离子体温度和发生电离情况;通过测量获得了约2.3~15.8 GPa,30~50 kK的温压范围Hugoniot物态方程。 从测量氙等离子体460-680 nm范围光谱特征来看,是在连续谱上叠加几条(一系列)分离的原子(或离子)的线状谱线和共振吸收谱线;在此波段范围和实验条件下存在589.33 nm和670.48 nm强的共振吸收。从测量中也发现随着温度和密度升高,共振吸收谱线增多,说明原子电离增加。同时在假定等离子体发光体为Planck灰体情况下,从测量瞬态辐射光谱曲线包络线拟合得出等离子体的温度,从而可以为建立微观与宏观联系提供信息,为辅助分析冲击温度奠定基础。 用Saha方程加德拜修正模型建立上述实验达到压力温度范围内Xe稠密等离子体的物态方程理论计算方法,描述因温度效应导致Xe多次电离化学反应过程,预测宽区域温压范围Xe的物态方程,实验和计算结果与他人实验进行了比较。


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