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氢、氘及其混合物物态方程和辐射不透明度的研究

作　者: 陈其峰
导　师: 经福谦；陈栋泉
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 凝聚态物理
关键词: 液体变分微扰理论指数6（exp-6）势函数 Hugoniot曲线物态方程混合规则冲击温度辐射不透明度氢氘氢氘混合物
分类号: O414
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

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H₂、D₂、H₂＋D₂混合物及He＋H₂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H₂，H（或 D₂，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H₂，H，H⁺，H₂⁺，e（或D₂，D，D⁺，D₂⁺，e）五元混合物；当冲击温度达到7000K以上，绝大多数H₂（或D₂）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H₂，D₂，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?

全文目录

中文摘要  4-7
英文摘要  7-12
第一章绪论  12-23
  1．1 科学意义与应用背景  12-15
  1．2 氢、氘及其混合物物态方程的研究概况  15-17
    1．2．1 物态方程国外研究概况  15
    1．2．2 氢、氘及其混合物物态方程国外的研究现状  15-17
    1．2．3 氢、氘及其混合物物态方程国内的研究现状  17
  1．3 辐射不透明度研究概况  17-19
  1．4 本文研究内容  19-20
  参考文献  20-23
第二章氘及氢氘混合气体物态方程和辐射不透明度的实验研究  23-49
  2．1 引言  23
  2．2 实验方法  23-31
    2．2．1 实验原理  23-24
    2．2．2 实验装置  24-27
    2．2．3 多通道瞬态光电高温计工作原理与标定  27-29
    2．2．4 气体样品盒的检漏及耐压实验  29-30
    2．2．5 基板表面光反射率与蓝宝石透过率的静态标定  30-31
  2．3 实验数据处理方法  31-40
    2．3．1 冲击压缩气体样品状态参量的确定  33-35
      （1）铝基板中的状态参量的确定  33-34
      （2）被测气体冲击压缩状态参数的确定  34-35
    2．3．2 冲击温度的确定  35-36
    2．3．3 光谱吸收系数κ（λ）的计算  36-38
    2．3．4 实验测量误差估计  38-40
      （1）冲击波速度D的测量误差估计  38-39
      （2）冲击温度T_H测量误差估计  39-40
      （3）光谱吸收系数κ（λ）和基极反射率R（λ）的测量误差估计  40
  2．4 实验结果  40-48
  参考文献  48-49
第三章氢氘及其混合气体物态方程的理论研究  49-68
  3．1 引言  49-50
  3．2 理论方法  50-58
    3．2．1 氢的离解电离平衡方程  50-55
    3．2．2 氘的离解电离平衡方程  55-56
    3．2．3 氢氘混合离解电离平衡方程  56-58
  3．3 氘、氢气体冲击压缩热力学参数计算结果与讨论  58-61
    3．3．1 氘的冲击压缩热力学参数计算结果  58-59
    3．3．2 氢的冲击压缩热力学参数计算结果  59-61
  3．4 氢氘等摩尔混合气体冲击压缩热力学参数的计算结果  61-65
  3．5 本章小结  65-67
  参考文献  67-68
第四章液氢、液氘及其混合物冲击压缩特性的理论计算  68-83
  4．1 液H_2、液D_2的冲击压缩特性  68-76
    4．1．1 引言  68-69
    4．1．2 理论模型  69-71
    4．1．3 计算结果  71-75
    4．1．4 结论  75-76
  4．2 液H_2+D_2混合冲击压缩特性  76-80
    4．2．1 引言  76-77
    4．2．2 理论计算方法  77-78
    4．2．3 计算结果与讨论  78-80
  4．3 本章小结  80-82
  参考文献  82-83
第五章流体He+H_2混合高压物态方程  83-92
  5．1 混合规则  83-84
  5．2 HE+H_2相互作用势  84-87
  5．3 EOS计算模型  87-88
  5．4 算法检验  88-89
  5．5 算例：HE+H_2的EOS计算结果  89-90
  5．6 本章小结  90-91
  参考文献  91-92
第六章全文总结  92-96
附录  96-98
致谢  98

氢、氘及其混合物物态方程和辐射不透明度的研究

内容摘要

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