Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Отзыв ведущей организации

"УТВЕРЖДАЮ" Зам. декана физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Профессор Кашкаров П.К.

_15_ __июня___ 2001 г.

ОТЗЫВ

ведущей организации на диссертацию Бутина Олега Владимировича

«Моделирование импульсно-периодического разряда в виде высокоскоростной волны ионизации в гелии и хлоре»,

представленной на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 "Физика плазмы"

Диссертационная работа Бутина О. В. посвящена теоретическому исследованию специфического типа газового разряда - высокоскоростной волны ионизации (ВВИ). Волны ионизации формируются, если воздействие на газ осуществляется высоковольтным импульсом амплитудой в десятки-сотни киловольт и временем нарастания порядка нескольких наносекунд. Характерной особенностью ВВИ является локализация основного падения напряжения в относительно узкой (порядка нескольких сантиметров) пространственной области - 41poнтe волны. Фронт, приведенное электрическое поле в котором обычно значительно превышает пробойный порог, распространяется с высокой скоростью (вплоть до -2/3 световой), осуществляя по мере своего движения интенсивную ионизацию газа. В природе ВВИ возникают на заключительных этапах формирования канала молнии, а в лабораторных условиях - генерируются в длинных разрядных трубках.

Актуальность темы исследования определяется огромным научным и практическим интересом к ВВИ как объекту изучения, обусловленным такими характерными особенностями ВВИ, как высокая скорость заполнения разрядного промежутка высокоионизованной плазмой, пространственная однородность разряда, эффективное вложение энергии подводимого электромагнитного импульса в возбуждение высоколежащих энергетических уровней и ионизацию газа при относительно невысоком его нагреве, хорошая стабильность и воспроизводимость результатов.

В последние годы развитие мощных импульсных источников напряжения и высокоточных средств диагностики плазмы с наносекундным разрешением стимулировало новый этап исследований ВВИ. Кроме традиционно выполнявшихся ранее измерений ее скорости и тока, были экспериментально получены данные о введенной в разряд энергии, концентрациях основных компонент плазмы и ее излучению. Тем не менее, на сегодняшний день степень понимания сути указанного явления нельзя считать удовлетворительной. Поэтому актуальным остается получение новой информации о данном типе пробоя. Даже при наличии необходимой техники методическое обобщение, сопоставительный анализ и классификация результатов различных экспериментальных исследований оказываются затруднительными. Нередко делаемые на их основе выводы оказываются противоположными. Такую ситуацию можно отчасти объяснить многообразием протекающих при развитии волн ионизации процессов, их конкуренцией и взаимным влиянием. Это приводит к тому, что даже при незначительном изменении условий разряда некоторые механизмы его протекания могут существенным образом измениться.

Отмеченные трудности указывают на огромную важность теоретического изучения высокоскоростных волн ионизации. Действительно, в разное время авторами предлагался ряд аналитических и численных моделей, призванных объяснить отдельные наблюдаемые свойства

ВВИ. Однако, в силу несовершенства использовавшихся средств вычислительной техники, численных методов, ограниченности применимости аналитических выражений, существующие теоретические описания не обладают требуемыми полнотой, универсальностью и точностью. Существующие модели ВВИ не затрагивают вопрос согласования подводящей кабельной линии и распределенной нагрузки в виде экранированной разрядной ячейки, что важно для сопоставления результатов численного моделирования с экспериментом. Известные теоретические работы рассматривают развитие единичной волны ионизации, распространяющейся по невозмущенному или предварительно равномерно ионизованному газу, оставляя без внимания практически значимый импульсно-периодический режим разряда с достаточно высокой частотой повторения импульсов. Очень малое число теоретических работ затрагивает вопрос об энергетическом спектре электронов в волне ионизации, возникающей под действием наносекундного высоковольтного импульса, хотя признаются его существенные нестационарность и неоднородность. Одномерный характер большинства существующих моделей не позволяет описывать радиальные электрические поля и токи в ВВИ, особенно в ее фронте, не дает ответа на вопрос распределения избыточного объемного заряда по сечению разрядной трубки, его динамики и экранирования, не учитывает радиальные профили электронной концентрации, дрейфовой скорости, энергии и т. д. Наконец, имеющиеся в литературе результаты теоретических исследований ВВИ касаются весьма ограниченного перечня газовых сред.

Основной целью рассматриваемой работы как раз и являлись теоретические исследования высокоскоростных волн ионизации в длинных разрядных трубках, распространяющихся в различных газовых средах. При этом в ходе работы ставилась задача создания и верификации универсальной численной модели ВВИ, позволяющей согласованно описывать широкий спектр макро- и микрохарактеристик разряда данного типа.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 263 названий и приложения. Общий объем диссертации 217 страниц; основная часть составляет 140 страниц. Работа содержит 77 рисунков и 6 таблиц.

Во введении автор определяет объект и цели исследования, обосновывает актуальность работы и приводит основные положения, вынесенные на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором излагается история изучения ВВИ, описываются текущее состояние и основные направления исследований, перечисляются некоторые из существующих и перспективных применений ВВИ. На основании изучения накопленного к настоящему времени экспериментального материала и трудностей его интерпретации можно сделать вывод о том, что для обобщения и сопоставительного анализа экспериментальных данных необходимо развитие теоретических методов исследования ВВИ. Проведен обзор имеющихся в литературе моделей распространения ВВИ. Указано на недостатки существующих моделей, обусловленные узостью диапазона условий, в которых выполняются использованные при их создании упрощающие предположения. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о необходимости создания модели, лишенной отмеченных недостатков.

Вторая глава посвящена общему описанию созданных в ходе работы теоретических моделей. Изложение придерживается хронологического порядка разработки. Первая часть главы отведена для описания полуторамерной модели, в которой существование радиального профиля волны ионизации учитывается путем использования нестационарных модельных радиальных зависимостей основных функций (потенциала, концентрации и т. д.). Во второй части содержится обобщение данной модели на двумерный случай в цилиндрической геометрии. Подробно описываются и обсуждаются использованные в модели уравнения и граничные условия, излагается метод решения уравнений. Для решения уравнения Пуассона при описании распространения потенциала в двумерной цилиндрической геометрии предлагается разработанный автором алгоритм прямого решения неявных двумерных уравнений с диффузионным преобладанием, позволяющий избежать длительного итерационного пересчета промежуточных значений, используемого в большинстве существующих методов решения подобных задач. Подробное описание алгоритма вынесено в Приложение.

В третьей главе рассматривается распространение высокоскоростной волны ионизации в гелии. Описывается формирование и движение волн разных полярностей. Проводится сравнение электродинамических и кинетических характеристик волн, таких как скорость, затухание, энерговклад, энергии и концентрации компонентов, в зависимости от большого числа условий (разрядная геометрия, параметры наносекундного импульса, давление и состав газа и т. д.). Исследована зависимость длины и структуры фронта от давления при различных полярностях импульсов и различных конфигурациях разрядной ячейки. Продемонстрирована принципиальная применимость рассматриваемой модели для описания начальной стадии формирования волн ионизации отрицательной полярности в условиях дефицита электронов в прикатодной области, что исключительно важно с точки зрения получения информации о развитии быстрых стадий пробоя. Указано на существование диапазона параметров, в котором наблюдается развитие колебаний за фронтом волны, и исследована структура ВВИ при данных условиях. Показано, что возникающие колебания обуславливают локальное уменьшение скорости движения волны ионизации и переносимого ею тока. Показана необходимость согласованного учета влияния на разряд потерь энергии в подводящей кабельной линии, поскольку при высокой погонной емкости разрядного промежутка возникающие от пренебрежения этим эффектом ошибки становятся сравнимыми с получаемыми результатами. Проведено исследование существующего приближенного критерия подобия волн ионизации, и указано на условия, влияющие на выполнение такого критерия. Рассмотрено затухание волны по длине трубки в зависимости от давления газа и его предварительной ионизации. Указано на существование двух механизмов, вызывающих уменьшение потенциала ВВИ во фронте, и на условия их преимущественного проявления. Изучена динамика мгновенной скорости волны ионизации при разных давлениях, напряжениях и степени предыонизации. Получены, концентрации основных компонентов плазмы, накапливающихся в разрядной ячейке при воздействии на нее ряда последовательных импульсов в зависимости от давления газа. Проведено сравнение результатов, полученных с помощью полуторамерной и двумерной моделей; получено, что полуторамерная модель адекватно описывает основные возникающие при распространении ВВИ эффекты, что в ряде случаев обуславливает предпочтительность ее использования в силу большей простоты и гибкости. Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными.

Четвертая глава содержит результаты моделирования ВВИ в хлоре как газе, обладающем высокой электроотрицательностью. Сформирована схема кинетических процессов, позволяющая адекватно описывать микрохарактеристики разряда. Рассмотрен вопрос начальной предыонизации газа. Показано, что в импульсно-периодическом режиме разряда необходимая для распространения фронта концентрация электронов обеспечивается распадом отрицательных ионов (в основном, СГ) в результате выноса в невозмущенную область излучения фронта. Приведены электродинамические и кинетические характеристики разряда, полученные в широком диапазоне давлений. Представленные взаимосогласованные картины распределения макрохарактеристик разряда, таких как потенциал, напряженность электрического поля, ток, энерговклад, а также микрохарактеристик газа, например, дрейфовой скорости и энергии электронов, концентраций основных компонентов плазмы, позволяют проследить за жизненным циклом ВВИ и выявить взаимосвязи между протекающими в ней процессами. Проведено сравнение с экспериментом.

В заключении кратко перечислены основные результаты работы.

В приложении приведен алгоритм численного решения уравнений типа уравнения Пуассона, который был использован в двумерной модели для описания распространения потенциала. Описание детализировано до окончательных конечно-разностных соотношений.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается тщательностью и обоснованностью формирования моделей, подтверждается совпадением полученных данных с результатами экспериментальных работ, с другими теоретическими работами в условиях их применимости.

Практическая значимость результатов работы определяется возможностью и целесообразностью их использования при проектировании импульсных приборов с заданными свойствами, в частности, коммутаторов, обострителей, источников ультрафиолетового излучения, газовых лазеров, а также для целей сопоставительного анализа экспериментальных данных, их интерпретации и дополнения расчетными характеристиками, для верификации вновь разрабатываемых моделей быстрых стадий пробоя.

По диссертации могут быть сделаны следующие замечания:

В работе обсуждаются условия, определяющие верхние границы применимости представленных моделей по напряжениям и предыонизации газа. В то же время, оценки нижних границ указанных параметров не приводятся.

Требует объяснения выбранное в работе число энергетических групп электронов, используемых для представления функции распределения электронов по энергиям.

Непонятен выбор параметра, по которому анализируется подобие волны ионизации.

Эти замечания не влияют на положительную оценку выполненной работы и не ставят под сомнение основные выводы диссертации.

Результаты работы Бутина О.В. имеют значительную научную ценность. Для использования полученных в работе результатов с материалами диссертации рекомендуется ознакомить следующие организации: РНЦ "Курчатовский институт", ОИВТ РАН, МФТИ, ЭНИН, ВЭИ, ВТИ, ИСЭ СО РАН, ФТИ РАН, ИПМ РАН, ТРИНИТИ.

Диссертация написана ясным языком, четко структурирована. Каждая глава содержит содержательные выводы, что облегчает понимание материала.

Автореферат правильно отражает содержание диссертации. Диссертация в целом представляет собой научный труд, в котором содержится решение задачи, имеющее существенное значения для техники, физики газового разряда и физики плазмы. Основные результаты опубликованы в открытой печати в ведущих отечественных и зарубежных журналах. Работа удовлетворяет требованиям ВАК, предъявляемым к кандидатским диссертациям, а ее автор О.В.Бутин заслуживает присуждения ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 "Физика плазмы".

Отзыв составлен доктором физ-мат наук, профессором Кузелевым М.В. и обсужден на кафедре физической электроники.

Доктор физ-мат наук, профессор

М.В. Кузелев

Зав. кафедрой физической электроники,

Д.ф.-м.н. профессор А.Ф. Александров

Отзыв заслушан и одобрен на заседании Совета отделения радиофизики и электроники

" 13 " июня 2001г. протокол 3 .

Председатель Совета отделения радиофизики и электроники, профессор

А.Ф. Александров

Ученый секретарь

Д.Г. Афонин

Примеры всех документов, направляемых в ВАК, в формате zip/word Вы можете скачать здесь (90Kb)

Перейти на уровень выше.

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика