Регистрация / Вход
Прислать материал

Взаимодействие интенсивного электромагнитного излучения с плазмой

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0234
Организация
ИПФ РАН
Руководитель работ
Литвак Александр Григорьевич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Внебюджетные средства
2,4 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Семенов Владимир Евгеньевич

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
Построены теоретическая модель и численные схемы для исследования эволюции предельно коротких лазерных импульсов и анализа динамики электронов в релятивистской плазменной волне. Выполнены расчеты пространственной структуры области ионизации и спектров излучения в условиях пробоя газа гауссовыми и бесселевыми пучками фемтосекундных лазерных импульсов. Развита теория генерации резонансным СВЧ излучением токов увлечения в тороидальной плазме с учетом пространственной дисперсии, диссипации и дифракции волновых пучков, а также создан соответствующий численный код. Выполнена оптимизация параметров эксперимента на петаваттной лазерной системе Института прикладной физики РАН для достижения максимальной энергии ускоренных в лазерной плазме электронов. Выполнено сопоставление полуклассического и квантового методов расчета скорости ионизации газа и спектра электрического тока, наведенного электрическим полем фемтосекундного лазерного импульса. Исследовано влияние флуктуаций параметров плазмы и магнитного поля на формирование профиля энерговклада при электрон-циклотронном нагреве.
Развернуть
2
01.10.2009 - 31.12.2009
Показано, что СВЧ разряд, создаваемый в двух пересекающихся волновых пучках излучением гиротрона с параметрами 10 кВт / 30 ГГц в газовой смеси Ar-H2-CH4, обеспечивает стационарное поддержание однородного плазменного слоя над подложкой диаметром до 100 мм.
Установлено, что как концентрация электронов, так и температура газа в стационарном СВЧ разряде слабо зависят от падающей СВЧ мощности, но сильно зависят от состава газовой смеси и давления газа. Увеличение процентного содержания аргона в газовой смеси приводит к уменьшению концентрации электронов и, при более высоких мощностях, к снижению температуры газа. Повышение давления газа приводит к увеличению как температуры газа, так и концентрации электронов, что происходит из-за снижения объема плазмы и увеличения удельного энерговклада в плазму.
В экспериментах по многократной ионизации ионов металлов плазмы вакуумной дуги, инжектируемой в магнитную ловушку, за счет дополнительного нагрева плазмы мощным СВЧ излучением увеличение частоты излучения гиротрона с 37,5 ГГц до 75 ГГц позволило повысить средний заряд ионов платины с 2 до 7. При этом максимальное зарядовое состояние ионов платины достигало 10. Полный ток ионного пучка составил 300 мА.
На основе разряда низкого давления, поддерживаемого в магнитной ловушке мощным электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса, разработан источник экстремального ультрафиолета. В предварительных экспериментах мощность излучения с длиной волны 13,5 нм в полосе ± 1% достигала 50 Вт, с к.п.д. преобразования поглощенного в плазме СВЧ излучения в экстремальный ультрафиолет на уровне 1%.
Поставленные задачи второго этапа решены полностью. Полученные результаты соответствуют требованиям задания. Все полученные результаты являются новыми. Научно-технический уровень выполненной НИР соответствует лучшим мировым достижениям в области физики плазмы. Результаты, полученные в ходе выполнения НИР, отражены в 33 статьях в реферируемых научных журналах, опубликованных и направленных в печать в 2009 г.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Наименование разрабатываемой продукции
Отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 3-м этапе
Разработана аналитическая модель для самоинжекции электронов в многомерную нелинейную плазменную волну, возбужденную коротким мощным лазерным импульсом или коротким электронным пучком в режим плазменной полости. Представленная модель дает условие захвата электронов и сечение захвата в зависимости от параметров плазменной полости. Полученные результаты находятся в согласии с результатами трёхмерного численного моделирования, выполненного методом частиц в ячейках.
Рассчитаны параметры терагерцового излучения ионизационного фронта аксиконного разряда в фемтосекундном лазерном импульсе в присутствии внешнего электростатического поля. Найдены оптимальные режимы генерации терагерцового излучения.
Разработана методика квазиоптического моделирования процессов линейной трансформации обыкновенной нормальной волны в необыкновенную, а затем в бернштейновскую (O-X-B-трансформация) в плазме токамака с учетом влияния релятивистских эффектов.
Проведено качественное исследование и численное моделирование динамики самовоздействия сверхкороткого лазерного импульса при возбуждении кильватерной волны. Предложен новый метод сжатия лазерных импульсов вплоть до одного оптического периода поля субпетаваттного уровня.
Разработаны системы, позволяющие осуществлять визуализацию терагерцового пучка для построения изображений объектов (медицинских, биологических и т.д.) в терагерцовом диапазоне длин волн методом поточечного сканирования образца и с использованием широкоапертурных датчиков.
Получены точные решения укороченного волнового уравнения, описывающие волновые поля в области линейного взаимодействия в случае трехмерно-неоднороных плазменных конфигураций.
Поставленные задачи третьего этапа решены полностью. Полученные результаты соответствуют требованиям задания. Все полученные результаты являются новыми. Научно-технический уровень выполненной НИР соответствует лучшим мировым достижениям в области физики плазмы. Результаты, полученные в ходе выполнения этапа НИР, отражены в 21 статье в реферируемых научных журналах, опубликованных и направленных в печать.
2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень, состоит в следующем:
- впервые разработана аналитическая модель самоинжекции электронов в многомерную нелинейную плазменную волну, возбужденную коротким мощным лазерным импульсом или коротким электронным пучком в режим плазменной полости;
- предложено использовать самофокусировку релятивистски сильного фемтосекундного лазерного излучения при возбуждении кильватерной волны для компрессии импульсов вплоть до длительностей сравнимых с периодом поля;
- впервые произведен расчет параметров терагерцового излучения, генерируемого в условиях аксиконного пробоя газа фемтосекундными лазерными импульсами в присутствии внешнего электростатического поля;
  - впервые рассмотрена возможность визуализации терагерцового пучка с не плоским фронтом;
- впервые сформулировано квазиоптическое скалярное уравнение для волнового поля пучка, включающее учет всех основных плазменных, релятивистских эффектов и аберраций произвольного порядка для неоднородной среды с пространственной дисперсией и диссипацией;
- впервые решена задача о линейной трансформации в трехмерно-неоднородной среде;
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
  Для описания движения частиц в электромагнитных полях используются методы гамильтоновской механики и численное моделирование трехмерным кодом, использующим метод частиц в ячейках.
Для исследования проблемы самосжатия релятивистски сильного лазерного импульса, при возбуждении кильватерной волны использовались аналитические методы изучения уширения спектра при нестационарной самофокусировке излучения.
Для отыскания точного решения уравнений Максвелла используется метод преобразования Лапласа для впервые разработанной модели со скачком плотности плазмы на ионизационном фронте, создаваемом в газе при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного лазерного импульса.
Численное решение квазиоптического уравнения производилось при помощи современных модификаций метода "разделения операторов", в частности, с помощью метода "операторной экспоненты".
Для построения решения задачи линейной трансформации волн в трехмерно-неоднородной среде использован метод решения укороченых уравнений Максвелла для медленной огибающей и последующей сшивки асимптотики полученных решений с решениями в ВКБ-зоне.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Нет.

3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Область применения ожидаемых результатов НИР включает энергетику, электронику, приборостроение, медицину, а также фундаментальные научные исследования (физика плазмы, физика сверхсильных полей, техника ускорителей заряженных частиц).
Разработанная модель самоинжекции электронов в нелинейную плазменную волну позволяет интерпретировать результаты экспериментов на субпетаваттной лазерной установке PEARL, построенной в Институте прикладной физики РАН, и определить оптимальные условия для повышения качества пучка ускоренных электронов. Предложенный метод самосжатия релятивистски сильных лазерных импульсов может найти приложения в фундаментальных научных исследованиях, использующих сверхсильные электромагнитные поля.
Полученные в ходе выполнения работы результаты позволяют определить оптимальные условия и разработать эффективные схемы для проведения дальнейших исследований генерации терагерцового излучения, как на базе имеющейся в Институте прикладной физики РАН тераваттной титан-сапфировой лазерной системы, так и на базе других лазерных комплексов, имеющих аналогичные (или превосходящие) параметры, как за рубежом, так и в России. В частности, полученные результаты могут быть использованы также в Объединенном институте высоких температур РАН (г. Москва), Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров), Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН и др.
Терагерцовое излучение, генерируемое и детектируемое с помощью исследованных схем, будет использовано для проведения последующих НИР по применению терагерцового излучения в системах безопасности, материаловедении, а также по исследованию влияния широкополосного терагерцового излучения на биоткани с целью разработки методов диагностики ранних стадий заболеваний и отклонений в жизнедеятельности клеток и, в частности, для разработки методов ранней диагностики раковых образований.
Полученные в ходе выполнения работы результаты важны для использования ЭЦ нагрева в системах с улучшенным удержанием как за рубежом так и в России. В частности подобные режимы реализованы на таких установках, как W7-AS, NSTX, MAST, TCV и LHD. Задачи, связанные с точным описанием распространения волновых пучков, становятся все более актуальными в крупных установках, в частности, в токамаке-реакторе ITER. Подобные задачи важны и для отечественных установок с тороидальным удержанием плазмы, таких как Т-10 и Т-15 (РНЦ «Курчатовский институт»), ФТ-2 и Глобус-М (ФТИ РАН им. А. Ф. Иоффе).
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Часть полученных результатов используется в учебном процессе в Нижегородском государственном университете в курсах «Теория колебаний и волн», «Электродинамика плазмы».
К выполнению НИР были привлечены 6 студентов и 7 аспирантов – участников НОЦ. Полученные ими научные результаты будут использованы при подготовке курсовых, дипломных работ и диссертаций.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
  Полученные результаты будут иметь положительное влияние на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров.


4. Выводы
Научно-исследовательская работа выполнена надлежащим образом. Приведенные в отчете результаты полностью удовлетворяют требованиям технического задания, являются достоверными и обоснованными. Уровень полученных научных результатов соответствует лучшим мировым достижениям.
Развернуть
4
01.07.2010 - 31.12.2010
Разработана модель, описывающая поведение СВЧ разряда, и проведено численное моделирование СВЧ разряда в пересекающихся волновых пучках.
Исследовано осаждение нанокристаллических алмазных пленок с размером зерна от десятков до сотен нанометров и толщиной до несколько микрометров на кремнии и других (кварц, Al2O3) подложках.
Проведены эксперименты по определению оптимальных для получения сильнонеравновесного разряда схем ввода СВЧ излучения в плазму.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.05.2011
Выполнены оценки интенсивности и спектров излучения из плазмы в зависимости от мощности лазерного импульса. Проанализированы зависимости радиационных потерь в разных областях частот от плотности плазмы.
Проведены экспериментальные исследования генерации терагерцового излучения в воздухе. Показано, что наличие постоянного электрического поля в области разряда приводит к заметному (на 2 порядка) увеличению эффективности генерации терагерцового излучения при оптическом пробое в поле фемтосекундных лазерных импульсов.
Разработаны новые аналитические и численные методы решения уравнений Максвелла для волновых полей в магнитоактивной плазме.
Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
Развернуть
6
01.06.2011 - 05.09.2011
Определены взаимосвязи условий роста и свойств нано- и ультрананокристал-лических алмазных пленок, выращиваемых на различных подложках.
Разработан и оптимизирован способ обработки неалмазных подложек большой площади для воспроизводимого формирования на них алмазных покрытий.
Исследованы оптические свойства полученных нанокристаллических алмазных пленок на поверхности кварца.

С помощью системы алюминиевых фильтров различной толщины, устанавливаемых перед окном p-i-n диода, измерена функция распределения горячих электронов по энергии. Измеренное распределение быстрых электронов по энергиям аппроксимируется распределением Максвелла с температурой Th =8 кэВ, что находится в хорошем соответствии с результатами экспериментов по измерению температуры энергичных электронов по тормозному рентгеновскому излучению.

Разработана программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс. Полученные результаты используются в образовательном процессе в Нижегородском государственном университете.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2009 - 2011, 24 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Организация
ИПФ РАН
профинансировано
Тема
Исследование возможности получения интенсивного мягкого рентгеновского излучения на комплексе ПФМ-72 для целей рентгено- и ВУФ литографии и имитационных применений на установке: "Установка ПФМ-72 для исследования импульсной высокотемпературной плотной плазмы типа микропинч и плазменный фокус с лазерным инициированием и (или) созданием рабочего вещества (ПФМ-72) (рег. № 06-34)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,7 млн
Количество заявок
1
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Тема
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка микро- и наноструктурированных оксидных материалов для элементов управления электромагнитным излучением.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование и создание физико-технических основ перспективных электромагнитных импульсных ускорителей плазмы малой мощности.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
3,5 млн
Количество заявок
2
Тема
Организационно-техническое обеспечение проведения международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Электромагнитное излучение в науке. промышленности, медицине"
Продолжительность работ
2009, 4 мес.
Бюджетные средства
0,7 млн
Количество заявок
2