高溫高壓氫氦混合氣體的物態(tài)方程研究.pdf

1、氫、氦是宇宙中豐度最高的兩種元素，也是某些行星(土星，木星)內(nèi)部的主要成分，在研究這類(lèi)星體的輻射特性、地震特征和構(gòu)造它們的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)．都必須以氫、氦及其混合物在一定的密度和溫度范圍內(nèi)的物態(tài)方程為基礎(chǔ)。同時(shí)，氫、氮及其混合物的高溫高壓物態(tài)方程研究對(duì)于激光誘導(dǎo)的慣性約束核聚變反應(yīng)、新能源的開(kāi)發(fā)利用具有重大意義。因此，氫、氦在極端條件下的凝聚態(tài)性質(zhì)一直是理論和實(shí)驗(yàn)工作者關(guān)注的前沿課題之一。國(guó)外關(guān)于單質(zhì)氫、氮(固態(tài)和液態(tài))物態(tài)方程的實(shí)驗(yàn)和理

2、論研究已有不少報(bào)道，但是有關(guān)氫氦混合氣體高溫高壓狀態(tài)方程的研究較少，實(shí)驗(yàn)工作迄今未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)對(duì)氫、氦及其混合物狀態(tài)方程的研究開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)和理論工作，但由于實(shí)驗(yàn)在室溫中進(jìn)行，初態(tài)密度不是很高，獲得的沖擊壓縮狀態(tài)的壓強(qiáng)也不是很高(二次沖擊壓強(qiáng)在10GP以?xún)?nèi))。眾所周知，提高初始?jí)簭?qiáng)和降低初始溫度能大幅度提高氣體初始密度，而初始密度的提高則能獲得更高的沖擊壓強(qiáng)。因此，為進(jìn)一步研究更高壓強(qiáng)下氫、氦其混合氣體的狀態(tài)，有必要展開(kāi)氫、氦及其混合氣

3、體在高壓和低溫初態(tài)條件下的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)及理論研究。 本文主要對(duì)稠密氫、氦混合氣體在高溫高壓下的物態(tài)特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究。用液氮冷卻高壓(20MPa)混合氣體，獲得了更高的初始密度，約為常溫常壓的480倍；用絕熱材料包裹光纖，解決了低溫下光纖透光性差的問(wèn)題；利用二級(jí)輕氣炮沖擊加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及多通道瞬態(tài)輻射高溫計(jì)和磁測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量了氫氦混合氣體(初始?jí)簭?qiáng)約20MPa，溫度90K左右，氫氣和氦氣的摩爾比為l:1.2088)沖擊

4、壓縮下的雨貢紐(Hugoniot)點(diǎn)和沖擊溫度，觀測(cè)到了混合氣體樣品多次沖擊壓縮的光譜輻亮度歷史。混合氣體一次沖擊終態(tài)壓強(qiáng)在2.3～3.7GPa之間，溫度3.1×10<'3>～3.6x10<'3>K，二次沖擊終態(tài)壓強(qiáng)14.3～17.0GPa，溫度4.7x10<'3>～5.5x10<'3>K，沖擊溫度和壓強(qiáng)在以前研究的基礎(chǔ)上有了較大的提高。采用流體自洽變分自由能模型建立了氫、氦及其混合氣體物態(tài)方程的理論模型。模型包括了分子的離解和原子的電

5、離，考慮了粒子間的相互作用對(duì)離解能(或電離能)和物態(tài)方程的影響。將模型計(jì)算出的Hugoniot曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，二者有著良好的吻合程度，表明本文的計(jì)算模型、測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。同時(shí)，對(duì)更高溫度和密度的氦(密度10<'3>～10<'0.3>g/cm<'3>，溫度4～7eV)和氫氦混合物(密度0.025～1g/cm<'3>，溫度4000～10000 K)的物態(tài)方程進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。