Исследование поправочного коэффициента кристалла фторида лития в процессе его ударного сжатия и изоэнтропической разгрузки
Автор: Красильников А.В., Несмиянов Е.И., Шестаковская Е.С., Попцов А.Г., Ковалев А.Е., Яловец А.П.
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 4 т.16, 2024 года.
Бесплатный доступ
Монокристалл фторида лития (LiF) является широко используемым материалом в опытах при интенсивных динамических нагрузках в качестве окна для оптических методик, таких как VISAR или PDV. Он прозрачен и не испытывает фазовых переходов при ударном сжатии до ~200 ГПа. Для интерпретации экспериментальных данных, полученных с использованием такого окна, необходимо вводить поправочный коэффициент. Он связывает видимую массовую скорость, полученную экспериментально, с истинной массовой скоростью. Если для стационарных ударных волн этот коэффициент является постоянным, то для более сложных течений на него оказывает влияние пространственная неоднородность плотности окна. В работе проведены экспериментальные исследования ударно-волновых процессов во фториде лития при ударно-волновом сжатии при нагружении до 90 ГПа. Проведено математическое моделирование экспериментов. Для этого построена математическая модель одномерных упругопластических течений среды с использованием модели пластичности Прандтля-Рейса, а также построено уравнение состояния фторида лития. Поправочный коэффициент получен двумя способами: на основе зависимости показателя преломления от плотности и закона сохранения массы на ударной волне и зависимости оптической длины пути лазерного луча от распределения плотности в исследуемом материале.
Математическое моделирование, показатель преломления, фторид лития, экспериментальные исследования, лазерные методики
Короткий адрес: https://sciup.org/147246010
IDR: 147246010 | УДК: 004.942: | DOI: 10.14529/mmph240411
Studying the correction factor of a lithium fluoride crystal during its shock compression and isoentropic unloading
Lithium fluoride (LiF) single crystals are widely used in experiments involving intense dynamic loading as a window for optical methods, such as VISAR or PDV. They are transparent and do not undergo phase transitions under shock compression up to ~200 GPa. To interpret experimental data obtained using such a window, it is necessary to introduce a correction coefficient. This coefficient links the apparent mass velocity obtained experimentally to the true mass velocity. While this coefficient is constant for stationary shock waves, it is affected by the spatial non-uniformity of the window's density for more complex flows. The study highlights the experimental investigations of shock-wave processes in lithium fluoride conducted under shock loading up to 90 GPa. Mathematical modeling of the experiments was also performed. For this purpose, the authors built a mathematical model of one-dimensional elastoplastic flows of the medium using the Prandtl-Reuss plasticity model, and constructed the equation of state for lithium fluoride. The correction coefficient was obtained in two ways: based on the dependence of the refractive index on density and the law of mass conservation on the shock wave, and based on the dependence of the optical path length of the laser beam on the density distribution in the material under study.
Список литературы Исследование поправочного коэффициента кристалла фторида лития в процессе его ударного сжатия и изоэнтропической разгрузки
- Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках: монография / Под общ. ред. М.В. Жерноклетова. - 2-е изд., доп. и испр. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005. - 428 c.
- Экспериментальные методы и средства в физике экстремальных состояний вещества: монография / Под ред. Р.И. Илькаева, А.Л. Михайлова, М.В. Жерноклетова. - М.: РАН, 2021. - 484 c.
- Velocity Correction and Refractive Index Changes for [100] Lithium Fluoride Optical Windows under Shock Compression, Recompression, and Unloading / B.M. LaLone, O.V. Fat'yanov, J.R. Asay, Y.M. Gupta // J. Appl. Phys. - 2008. - Vol. 103, no. 9. - P. 093505.
- Wise, L.C. Laser Interferometer Measurements of Refractive Index in Shock-Compressed Materials / L.J. Wise, L.C. Chhabildas // Shock Waves in Condensed Matter, Plenum. - 1986. - P. 441.
- Determining the Refractive Index of Shocked [100] Lithium Fluoride to the Limit of Transmissibility / P.A. Rigg, M.D. Knudson, R.J. Scharff, R.S. Hixson // J. Appl. Phys. - 2014. -Vol. 116. - P. 033515.
- Кормер, С.Б. Оптические исследования свойств ударно сжатых конденсированных диэлектриков / С.Б. Кормер // Успехи физических наук. - 1968. - Т. 94, № 4. - С. 641-683.
- Smirnov, N.A. Ab initio Calculations of the Thermodynamic Properties of LiF Crystal / N.A. Smirnov // Physical Review. - 2011. - Vol. 83. - P. 014109
- Sun, Z. First-Principles Calculations of the Structural, Electronic, and Optical Properties of LiF up to 300 GPa / Z. Sun, J. Dong, Y. Xia // Physica B. - 2011. - Vol. 406 - P. 3660-3665.
- Effects of the Vacancy Point-Defect on the Refractive Index and Equation of State (EOS) of LiF at High Pressure: A First Principles Investigation / L. He, M.J. Tang, J. Yin et al. // Physica B. - 2012. -Vol. 407. - P. 694-697.
- High-Pressure and High-Temperature Physical Properties of LiF Studied by Density Functional Theory Calculations and Molecular Dynamics Simulations / X.-W. Sun, Z.-J. Liu, W.-L. Quan et al. // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 2018. - Vol. 116. - P. 209-215.
- Wang, J. Structural, Elastic, Electronic and Optical Properties of Lithium Halides (LiF, LiCl, LiBr, and LiI): First-Principal Calculations / J. Wang, M. Deng, Y. Chen et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2020. - Vol. 244. - P. 122733.
- Hayes, D. Unsteady Compression Waves in Interferometer Windows/ D. Hayes // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 89. - P. 6484.
- Sound Velocity, Equation of State, Temperature and Melting of LiF Single Crystals under Shock Compression / Q. Liu, X. Zhou, X. Zeng, S. N. Luo // Journal of Applied Physics. - 2015. -Vol. 117. - P. 045901.
- Mechanical and Optical Response of [100] Lithium Fluoride to Multi-Megabar Dynamic Pressures / J. Davis, M. Knudson, L. Shulenburger, S. Crockett // J. Appl. Phys. - 2016. - Vol. 120. -P.165901.
- Refractive Index of [100] Lithium Fluoride under Shock Pressures up to 151 GPa / G. Young, X. Liu, C. Leng et al. // AIP Advances. - 2018. - Vol. 8. - P. 125310.
- Furnish, M.D. Time-Resolved Particle Velocity Measurements at Impact Velocities of 10 km/s / M.D. Furnish, L.C. Chhabildas, W.D. Reinhart // International Journal of Impact Engineering. - 1999. -Vol. 23. - P. 261-270.
- Sun, Z. First-Principles Calculations of the Structural, Electronic, and Optical Properties of LiF up to 300 GPa / Z. Sun, J. Dong, Y. Xia // Physica B. - 2011. - Vol. 406. - P. 3660-3665.
- Refractive Index of Lithium Fluoride Ramp Compressed to 800 GPa / D.E. Fratanduono, T.R. Boehly, M.A. Barrios et al. // J. Appl. Phys. - 2011. - Vol. 109. - P. 123521.
- Kirsch, L.E. Refractive Index of Lithium Fluoride to 900 Gigapascal and Implications for Dynamic Equation of State Measurements / L.E. Kirsch, S.J. Ali, D.E. Fratanduono et al. // J. Appl. Phys. - 2019. - Vol. 125. - P. 175901.
- Jones, S.C. Refractive Index and Elastic Properties of Z-Cut Quartz Shocked to 60 kbar / S C. Jones, Y. M. Gupta // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88. - P. 5671.
- Accuracy Limits and Window Corrections for Photon Doppler Velocimetry/ B.J. Jensen, D.B. Holtkamp, P.A. Rigg, D.H. Dolan // Journal of Applied hysics. - 2007. - Vol. 101, no. 1. -P. 013523.
- Refractive Index of LiF Single Crystal at High Pressure and Its Window Correction / W.G. Zhao, X. Zhou, J.B. Li, X.L. Zeng // Chinese Journal of High Pressure Physics. - 2014. - Vol. 28. - P.571-576.
- Яловец, А.П. Расчет течений среды при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц / А.П. Яловец // Прикладная механика и техническая физика. - 1997. - T. 38, № 1. -С.151-166.
- Klinacheva, N.L. Modelling of Shock Wave Experiments on Two-Fold Compression of Polymethyl Methacrylate / N.L. Klinacheva, E.S. Shestakovskaya, A.P. Yalovets // Journal of Computational and Engineering Mathematics. - 2022. - Vol. 9, № 2. - P. 26-38.
- Prandtl, L. Spannungsverteilung in Plastischen Korper / L. Prandtl // Proc. 1st Int. Congr. Appl. Mech. Delft. - 1924. - P. 43.
- Рейс, А. Учет упругой деформации в теории пластичности. Теория пластичности / А. Рейс. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1948. - С. 206-222.
- Бельхеева, Р.К. Модель коэффициента Грюнайзена для широкого диапазона плотностей на примере меди / Р.К. Бельхеева // Теплофизика высоких температур. - 2021. - Т. 59, № 4. -С. 514-519.
- Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных веществ: Научное издание / под ред. Р.Ф. Трунина - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2006. - 531 с.
- Marsh, S.P. LASL Shock Hugoniot Data / S.P. Marsh. - University of California Press, 1980. -658 p.
