ИФВ на страницах УФН: сборник статей

Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский
научно-исследовательский институт экспериментальной физики
ИФВ на страницах УФН
Сборник статей
Саров
2012

УДК 534.222.22 
ББК 22.23 
И71
И71
ИФВ на страницах УФН: сборник статей / сост. Р. Ф. Трунин. –
Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2012. –   530 с.      
          ISBN 978-9515-0193-6 
Сборник включает научные статьи сотрудников Института газодинамики и физики взрыва (ИФВ) РФЯЦ-ВНИИЭФ, опубликованные в журнале «Успехи физических наук» за 1965–2012 гг.
УДК 534.222.22 
ББК 22.23 
ISBN 978-9515-0193-6                                                     © РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2012 

Посвящается 65-летию
Института физики взрыва

В мае 2012 года исполняется 65 лет газодинамическому подразделению
ВНИИЭФ – Институту физики взрыва (ИФВ). Наряду со своей основной задачей – решением газодинамических вопросов, связанных с созданием ядерных зарядов, Институт физики взрыва, естественно, занимался и другими
проблемами – физикой ударных волн и изучением свойств различных веществ
под их воздействием. В результате возникло новое физическое направление
в науке – физика высоких плотностей энергии.
Исследования, непосредственно связанные с отработкой ядерных зарядов, носили (да и носят до сих пор) закрытый характер. Однако многие другие
результаты, не имеющие прямого отношения к основной тематике, но необходимые для выяснения прикладных общефизических вопросов физики ударных волн, широко публиковались в научной литературе. Тематика этих исследований чрезвычайно широка. Она охватывает изучение уравнений состояния
различных веществ, сжатых ударными волнами, световые
и электрические
явления в кристаллах при их ударном сжатии, вопросы кумуляции энергии
в слоистых системах, некоторые геофизические вопросы и многие другие направления.
Опубликованы сотни (!) работ в различных физических журналах страны, некоторые результаты напечатаны в зарубежных изданиях. Особое место
среди них занимают работы, опубликованные на страницах УФН – наиболее
рейтингового и престижного физического журнала СССР (теперь России). 
В основном это обзорные работы экспериментального плана (содержащие,
конечно, и необходимые теоретические проработки), некоторые из них носят
характер исторических обзоров. Всего, со времени опубликования первого
обзора (1965 г.), на страницах УФН напечатано 17 работ. Эта цифра вызывает
заслуженное уважение и свидетельствует об успехах физических наук в ИФВ.
Поэтому было решено включить все эти работы в памятный сборник – свидетельство достижений (далеко не полных!) Института физики взрыва.
Настоящее издание будет полезно всем, кто интересуется вопросами
физики высоких плотностей энергии.

ПРИМЕНЕНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН
В ФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ
Л. В. Альтшулер
Введение
Включение в исследовательский арсенал современной физики мощных
ударных волн сделало объектом лабораторного эксперимента давления во
многие сотни тысяч и миллионы атмосфер. В окружающем нас мире вещество
испытывает действие подобных и еще более высоких давлений в глубинах
Земли, в центре Солнца и внутри других космических тел большой массы.
Давления на границе земного ядра на расстоянии 2,9 тыс. км от его поверхности достигают 1 миллиона 400 тысяч атмосфер. В центре Земли они равны
3,5 миллиона атмосфер, в центре Солнца миллиарду и в белых карликах
100 триллионам атмосфер. Температуры в земном ядре составляют несколько
тысяч градусов, в звездах – десятки миллионов градусов. Постепенно все более высокие давления и температуры искусственно создаются и применяются
для решения самых различных научных и технических задач. В ряде случаев
осуществленные человеком процессы кратковременно воспроизводят условия, существующие в центральных областях звезд..
Для теоретического изучения наиболее доступны предельные состояния
материи при очень больших степенях сжатия и при очень высоких температурах. В условиях полной температурной ионизации хорошо известны термодинамические характеристики плазмы, состоящей из смеси ядер и электронов.
Элементарно просты свойства вырожденного электронного газа при
давлениях порядка 5⋅108 Z10/3 атм, равномерно заполняющего пространство
(ǽ – атомный номер) [1]. Для меньших давлений распределение электронов
в потенциальном поле ядер описывается квантово-статистической теорией
Томаса – Ферми – Дирака. Ее наиболее точный вариант, учитывающий не
только обменную, но и так называемую квантовую поправку, разработан
в Советском Союзе Киржницем [2] и Калиткиным [3]. Трудно точно указать
нижнюю границу применимости статистических представлений. По-видимому, приложение давлений в несколько сотен миллионов атмосфер оказывается достаточным для того, чтобы «смять» наружные электронные слои атомов и привести плотности на периферии электронного облака в соответствие
с законами квантово-статистического распределения; с другой стороны,
в пределах первых нескольких миллионов атмосфер ход кривых сжатия целиком зависит от индивидуальной структуры электронных оболочек элементов
и соединений, их свойства – от характера и специфических особенностей химических связей. Изменение и разрушение этих связей, происходящие под
.© Успехи физических наук. 1965. Т. 85. Вып. 2. 

Л. В. Альтшулер
8
действием давлений, приводят к образованию новых, более плотных, кристаллических модификаций с более высокой координацией атомов и с радикально измененными физическими и химическими свойствами. Для изоляторов и полупроводников конечным результатом приложений давления всегда
является их переход в металлическое состояние.
Достаточно точное теоретическое рассмотрение всех этих явлений, так
же как и вычисление кривых сжатия, до сих пор встречает большие трудности.
Существенный шаг в направлении их преодоления был сделан Гандельманом и др. [4, 5], рассчитавшими в приближении сферических ячеек энергетические спектры ряда металлов при различных степенях сжатия.
До недавнего времени экспериментально обследованная область давлений, изучавшихся на стационарных лабораторных установках, не выходила за
пределы 100 тысяч атм, достигнутых в классических работах Бриджмена [6, 7] 
еще в начале 1940-х годов. В последние годы в Советском Союзе в работах
Верещагина и его сотрудников [8, 9] и в исследованиях ряда зарубежных ученых [10, 11] достигнут большой прогресс, позволивший регистрировать критические напряжения сдвига и проводимость и обнаруживать появление новых фаз при нескольких сотнях тысяч атмосфер. Новым словом является проведение под давлением рентгеноструктурных съемок [12–14]. 
Несмотря на значительное продвижение по шкале давлений, до последнего времени сохранялся большой разрыв между достигнутым уровнем эксперимента и областью сжатий, которые могут быть уверенно рассчитаны теоретически.
Развитие динамического направления в физике высоких давлений позволило сильно продвинуться вперед и значительно сократить неисследованную область, представляющую особый интерес для физики твердого и жидкого состояний, геофизики и планетной астрономии.
Динамические методы основаны на регистрации кинематических параметров ударных волн – их волновых и массовых скоростей, определяющих
давления, плотности и энергии ударного сжатия.
В экспериментах с ударными волнами осуществляются также измерения изэнтропической упругости сильно сжатых веществ, у диэлектриков – 
проводимости, индуцированной сжатием и нагревом, у прозрачных веществ – 
температуры за фронтом ударных волн.
Реализация динамических методов не связана с применением прессов
и пьезометрических бомб и не ограничена прочностью материалов, идущих на
их изготовление. При проведении опытов в образцах, по которым движутся
ударные волны, высокие давления на короткие промежутки времени сохраняются из-за инерционности вещества вследствие конечной скорости распространения волн расширения.
Широкое применение в физике высоких давлений ударные волны нашли после второй мировой войны. В настоящем обзоре приводятся основные
результаты, которые были получены за прошедший период при изучении динамическими методами взрывчатых веществ и уравнений состояния сверхплотных газов, металлов, ионных и валентных кристаллов. В нем рассмотрены также вопросы фазовых превращений в ударных волнах, применение по

Применение ударных волн в физике высоких давлений
9
лученных данных в геофизике, проблемы динамической прочности металлов
и индуцированной ударом проводимости.
Для сокращения объема и сохранения тематической направленности обзора в нем почти не затронуты вопросы импульсной рентгенографии и исследования оптических свойств ударно сжатых веществ. В этих перспективных
направлениях, каждое из которых может служить темой самостоятельного
обзора, наиболее существенные результаты принадлежат: в области микросекундного рентгенографирования – Цукерману [15–19], Шаафсу [20] и Шалю
(см. [21]), в вопросе о регистрации температур за фронтом ударных и детонационных волн – Соболеву и Беляеву [22], Гибсону [23], Моделю [24], Зельдовичу, Кормеру и Синицыну [25], Воскобойникову и Апину [26]. 
Помимо настоящей работы более ранние обзоры динамического направления даны в «Физике ударных волн» Зельдовича и Райзера [27] и в
обобщающих статьях Раиса, Мак-Квина и Уолша [28], Алдера [29], Довелла
[30] и Джекобса [21]. Газодинамические основы теории ударных волн изложены в монографиях Куранта и Фридрихса [31], Зельдовича [32], Баума, Станюковича и Шехтера [33]. Наличие этих обзоров и монографий позволило автору в ряде случаев отказаться от ссылок на первоисточники.
§ 1. Ударные адиабаты и их экспериментальная регистрация
Распространение ударной волны по веществу можно продемонстрировать с помощью ряда упруго соединенных друг с другом шариков (рис. 1). 
Скорость перемещения шариков – «массовая» скорость вещества U – равна
в нашем опыте скорости поршня, приводящего шарики в движение. Эта скорость всегда меньше скорости D границы возмущения, отделяющей покоящиеся раздвинутые шарики от движущихся, собранных в более компактную
массу.
Рис. 1. Одномерная модель распространения ударной волны в упругой среде
Из условия сохранения вещества, количества движения и энергии следует
0
D
D
U =
= σ
−
v
v
,                                                (1а)

Л. В. Альтшулер
10
DU
P
P
=
−
v
,                                                 (1б)
0
0
(
)(
)
2
0
0
0
1
1
2
2
U
E
E
P
P
=
−
=
+
−
v
v ,                              (1в)
где ȇ – давление за фронтом волны, Р0 – перед фронтом, v и v0 – удельные
объемы за фронтом волны и перед ним, Ǽ и Е0 – удельные внутренние энергии в тех же состояниях, ı – степень относительного сжатия вещества.
Уравнения сохранения имеют наглядную геометрическую интерпретацию. Как следует из первых двух уравнений, при Р0 = 0 
P
D =
−
v v
v ,                                                    (2а)
2
2
0
0
(
)
2
0
U
P
=
−
v
v .                                                   (2б)
На ȇ–v-диаграмме (рис. 2) определенным значениям D и U отвечают
прямая D = const и гипербола U = const. 
Пересечение прямой и гиперболы фиксирует состояние ударного сжатия с координатами Р1, v1 .
Совокупность
состояний,
возникающих
при
сжатии
вещества
ударными волнами различной интенсивности, определяет положение кривой ударного сжатия – 
адиабаты Гюгонио ȇī(v0, v).
Измерения величин D и U 
Рис. 2. ȇ–v-диаграмма ударного сжатия. РГ –
ударная адиабата сжатия – адиабата Гюгонио; PS – изэнтропа расширения ударно сжатого вещества; Рх – кривая «холодного» сжатия при Т = 0 К – нулевая изотерма
эквивалентны прямым определениям давлений и удельных объемов, что следует также непосредственно из системы уравнений (1). 
На этой эквивалентности и основаны динамические методы исследования.
Как следует из уравнения
1,в, полное приращение внутренней энергии ǻǼ равно площади
треугольника ОАБ. Это приращение
разделяется
на «упругую»
составляющую ǻǼx, заключенную
между осью объемов и кривой Рх(v) «холодного» сжатия, и тепловую энергию
ǻǼт, изображенную криволинейным треугольником ОАВ. Поскольку ǻǼx <  
< ǻǼ, процесс ударного сжатия сопровождается разогревом вещества и увеличением его энтропии, что, в свою очередь, приводит к появлению тепловой
составляющей давления Рт. С увеличением амплитуды волн тепловая энергия
и тепловое давление ударного сжатия прогрессивно возрастают.