Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования сильнонеидеальной плазмы в экстремальных состояниях вещества

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0236
Организация
ОИВТ РАН
Руководитель работ
Фортов Владимир Евгеньевич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
14 млн
Внебюджетные средства
2,8 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
МФТИ
Организация
МГТУ им. Н.Э.Баумана

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Петров Олег Федорович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 15.11.2009
1. Наименование разрабатываемой продукции
В работе исследовалась пылевая плазма при криогенных температурах, вихревые образования в пылевой плазме, а также пылевая плазма при воздействии однородного и неоднородного магнитных полей.
В ходе выполнения 1 этапа была получена следующая научно-техническая продукция:
- Программа распознавания изображений макрочастиц и определения их координат по экспериментально полученных изображений плазменно-пылевых структур.
- Программа восстановления структурных и динамических характеристик плазменно-пылевых образований на базе информации о координатах отдельных частиц
- Метод оптической диагностики структурных и динамических характеристик плазменно-пылевых образований в тлеющем разряде постоянного тока при криогенных температурах вплоть до нескольких кельвин.
- Способ генерации плазменно-пылевых структур в разряде постоянного тока с внешним магнитным полем.
- Метод генерации вихревых движений макрочастиц в плазменно-пылевой пылевой системе.
- Модель (теоретическая) диссипации вихревого движения пылевой компоненты в слабоионизованной плазме.
- Модель (теоретическая) формирования кулоновского кластера, образованного заряженными диамагнитными частицами в неоднородном магнитном поле в атмосфере неионизованного газа.
- Метод создания кулоновского кластера, образованного заряженными диамагнитными частицами в неоднородном магнитном поле в атмосфере неионизованного газа, в том числе и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1 этапе:
Были проведены экспериментальные исследования плазменно-пылевых образований в тлеющем разряде постоянного тока при криогенных температурах в диапазоне 4,2-77 К, в результате которых построены корреляционные функции и распределения пылевых частиц по скоростям, определены кинетические температуры частиц. Наблюдалось монотонное увеличение концентрации и кинетической энергии пылевых частиц на несколько порядков при понижении температуры разряда в указанном диапазоне. При температуре 4,2 K экспериментально обнаружена и исследована пылевая структура со сверхвысокой концентрацией заряженных пылевых частиц 108-109 см-3, имеющая свободные границы. На основе исследования кинетики ионов в криогенном газовом разряде проведено теоретическое обоснование влияния охлаждения нейтральной компоненты плазмы газового разряда на увеличение плотности плазменно-пылевых структур. Методом молекулярной динамики были проведены расчеты заряда пылевых частиц в зависимости от температуры газа и плотности пылевой компоненты.
Были определены условия образования пылевых кластеров в однородном магнитном поле; оценены предельные значения магнитного поля, в котором возможна устойчивая левитация кластеров. Были получены количественные данные о структурных и динамических параметрах пылевых кластеров при воздействии однородного магнитного поля с индукцией в диапазоне 0-2500 Гс. В работе был разработан метод, позволяющий формировать устойчивые кулоновские кластеры из заряженных диамагнитных частиц в неоднородном магнитном поле. В качестве материала частиц был выбран графит. Область устойчивой левитации занимала объём 2-3 мм3. При этом частицы размером ~10•2 см были заряжены до величины q ~ 106 элементарных зарядов, при этом заряд на частицах сохранялся в течение десятков минут. Было показано, что в условиях микрогравитации для создания и удержания таким методом кулоновских кластеров достаточны поля B ~ 103 Гс с градиентами ~103 Гс/см, что делает возможным проведение таких исследований на борту Международной космической станции. Также в работе были исследованы условия образования вихрей и самовозбуждаемых пылевых волн в плазменно-пылевых структурах, при этом были экспериментально получены данные о пространственных распределениях скоростей (в том числе и угловых) макрочастиц, предложена модель возникновения вихрей за счет неоднородного распределения зарядовых характеристик в плазменно-пылевом облаке.
Указанные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания.
2.2. Для получения приведенных выше результатов были использованы уникальные подходы, разработанные в ОИВТ РАН ранее, а также новые методы исследований. Все полученные результаты являются пионерскими и соответствуют мировому уровню.
2.3. Особенностью данных исследований является изучение влияния внешних воздействий (криогенных температур, магнитного поля) на сильнонеидеальную пылевую плазму.
2.4. На 1 этапе регистрация объектов интеллектуальной собственности не проводилась.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция):
Полученные результаты могут применены для решения фундаментальных задач связанных с исследованием сильнонеидеальных кулоновских систем, изучения космических объектов (туманности, хвосты комет, кольца планет и д.р.), а также решения ряда прикладных задач, связанных с разработкой плазменно-пылевых технологий производства дисперсных композитных материалов различного назначения, сепарацией наночастиц, а также освоением космоса (изучение влияния плазменно-пылевых образований на искусственные космические объекты, разработка плазменно-пылевых двигателей для космических аппаратов). Кроме того, следует отметить перспективность использования полученных результатов в образовательном процессе.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс будет выполнена согласно календарному плану на 4 этапе данного проекта. На данном этапе к научно-исследовательской работе были привлечены коллективы студентов и аспирантов из МФТИ и МГТУ им. Баумана, и все приведенные выше результаты были получены при их активном участии.

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.
Исследования сильнонеидеальной плазмы в экстремальных состояниях вещества включают в себя изучение обширного круга явлений и требуют привлечения широкого спектра экспериментальных и теоретических методов, что, в свою очередь, открывает уникальные возможности в подготовке высококвалифицированных широко эрудированных научных и научно-педагогических кадров. Таким образом, проведение работ по проекту представляется очень перспективным и плодотворным с точки зрения подготовки и закрепления в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, а также достижения заданных индикаторов и показателей

4. Выводы
Полученные результаты соответствуют календарному плану и полностью отвечают требованиям технического задания.
Развернуть
2
01.01.2010 - 10.06.2010
Разработка программы моделирования неидеальной плазмы методом молекулярной динамики с волновыми пакетами (МДВП) без антисимметризации волновых пакетов. Изучение проблемы расплывания волновых пакетов со временем. Рассмотрение возможных вариантов решения проблемы расплывания
пакетов, такие как редукция волнового пакета при выходе частицы из области сильного взаимодействия, редукция, основанная на случайном событии, расщепление пакетов и др. Определение параметров плазмы, при которых
этот эффект влияет на результаты расчетов. Сравнение результатов для статической и динамической проводимости равновесной плазмы, полученных методами МДВП и МД с потенциалом Кельбга. Изучение вклада связанных пар электронов и ионов вблизи порога ионизации в спектр коллективных возбуждений свободных электронов и парных флуктуации. Построение последовательной теоретической модели рекомбинации в неидеальной плазме.
Расчет энергетического спектра электронов в рамках квантовой молекулярной динамики на основе ТD-DFТ, определение роли квантовых эффектов и уточнение границы применимости классического метода молекулярной динамики. Расчет таблиц и интерполяционных формул для давления, частоты электрон-ионных
столкновений, динамической проводимости, коэффициента поглощения лазерного
излучения, скорости передачи энергии между электронами и ионами в зависимости от температуры и плотности плазмы, включая как слабонеидеальную газовую плазму, так и плазму с существенными эффектами вырождения, рассмотрение влияния размерных эффектов на указанные характеристики плазмы. Изучение термодинамических свойств различных растворов электролитов, роли ионных пар в растворах электролитов и их вклада в термодинамические параметры. Изучение структуры гидратационой оболочки
ионов в растворе, её зависимости от характера близкодействующей части потенциала с молекулами воды. Развитие флуктуационной теории, разработанной для неидеальной плазмы, на случай концентрированных растворов электролитов. Разработка методик оценки скорости электрон-фононной релаксации в указанных материалах импульсного энерговклада в электронную подсистему по полученным данным. Разработка методик описания взаимодействия электролита с наноразмерными порами с явным учетом атомной структуры вещества и использования методов первопринципного квантово-механического моделирования для учета перераспределения заряда в электронной подсистеме в процессе образования объемного двойного слоя.
Исследование свойств объемного двойного слоя на микроскопическом уровне методами молекулярного моделирования с использованием методов как классической, так и квантовой молекулярной динамики, изучение структуры и ёмкости двойного электрического слоя на границе раствора с графитовой и
металлической поверхностью. Исследование дисперсии фононов и зонной
структуры при различных температурах электронной подсистемы для простых и d-
металлов (Аl, Сu, Аu), полупроводников и диэлектриков (кремний, кварц, фторид лития). Изучение структуры двойного электрического слоя в порах углеродных материалов, в частности в активированном угле, выяснение его ёмкости и зависимости от концентрации и химической природы электролита. Проведение патентных исследований. Усовершенствование методов диагностики
многочастичных флуктуации и изучение их роли в области перехода между ветвями спектров свободных электронов и связанных пар.
Развернуть
3
11.06.2010 - 15.11.2010
Проведено экспериментальное исследование самофокусировки лазерных импульсов в кластерной мишени из смеси газов.Разработаны методы диагностики малоконтрастных объектов на базе абсорбционной и фазово-контрастной рентгеновской радиографии с помощью точечного яркого источника мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы. Получены фазовоконтрастные и абсорбционные изображения различных нанообъектов, в том числе нанопленок и биологических микрообъектов, определена чувствительность метода, его пространственной разрешающей способности, поля зрения и других характеристик. Проведены экспериментальные исследования генерации быстрых ионов при поглощении лазерных импуль-сов умеренной ин-тенсивности в твердотельных кластерах нанометровых размеров, определение методами рентгеновской спектроскопии характеристик источника быстрых ионов на основе фемтосекундной лазерной плазмы для случаев газовых и твердотельных кластерных мишеней. Усовершенствован метод ионной радиографии, использующий фемтосекундную лазерную плазму в качестве источника зондирующего корпускулярного излучения, определены оптимальные конфигурации мишеней и параметров лазерных импульсов, способов размещения образцов и детекторов ионов, прошедших через образец. Создан алгоритм оптимизации энергии и зарядового состава зондирующих ионов в соответствии со свойствами изображаемых объектов. Получены ионографические изображения тестовых объектов, пленок и мембран субмикронной толщины, медицинских образцов и образцов с внутренней наноструктурой. Определена разрешающая способность метода, чувствительность к толщине, структуре и химическому составу образцов. Проведена диагностика плазменных струй, ударных волн и турбулентностей в плазме сверхмощных лазерных импульсов. Получены теневые изображения и измерены свойства турбулентностей, струй и ударных волн в плазме при использовании мишеней различной конфигурации. Измерены характеристики плазмы, необходимые для построения уравнений состояния вещества в экстремальных условиях. Разработана методика считывания рентгеновских изображений наноструктур, записанных на кристаллах LiF с помощью сканирующего и конфокального оптических микроскопов. Усовершенствован алгоритм численной обработки экспериментальных рентгеновских спектров и теневых изобраний (удаление шумов, аппроксимация, систематизация).
Развернуть
4
01.01.2011 - 31.05.2011
Проведение экспериментальных и теоретических исследований динамических
процессов в пылевой плазме при воздействии оптического излучения (в видимом и УФ-диапазоне) на макрочастицы (пылевые частицы). Проведение исследований в плазме при слабом взаимодействии пылевых частиц, а также в сильнонеидеальной (по параметру взаимодействия макрочастиц) пылевой плазме.
Проведение исследований с целью получения траекторий движения отдельных макрочастиц и получения пространственных распределений скоростей пылевых частиц в широком диапазоне параметров неидеальности пылевой структуры, а также при различных мощностях воздействия оптического излучения. Оценка влияния термофоретических сил на динамику пылевых частиц при воздействии
оптического излучения. Исследование УФ-индуцированной пылевой плазмы, изучение влияния материала макрочастиц на величину заряда, приобретаемого пылевой частицей. Изучение транспортных процессов и структурных свойств плазменно-пылевых образований на кинетическом уровне в пылевой плазме газового разряда. Экспериментальное изучение парных и тройных корреляций в
упорядоченных пылевых структурах в условиях тлеющего ВЧ-разряда емкостного типа в широком диапазоне параметров, исследование границ применимости гиперцепного приближения. Проведение исследований с целью получения новых данных о поведении больших трехмерных плазменно-пылевых систем в условиях микрогравитации при воздействии на них низкочастотных электрических полей различной амплитуды. Проведение спектральной диагностики плазменных параметров газового разряда, определение допустимых концентраций примесей буферного газа в пылевой плазме, в том числе и в условиях космического эксперимента «Плазменный кристалл - 4». Экспериментальное исследование процессов переноса в сильно неидеальной пылевой плазме. Получение данных о сдвиговой вязкости плазменно-пылевой жидкости, процессах теплопередачи в жидкостных пылевых образованиях в плазме при неоднородном разогреве структуры. Получение функций эволюции массопереноса в плазменно-пылевых структурах, нахождение аналитических соотношений, связывающих экспериментально получаемую информацию и
зарядово-динамические характеристики макрочастиц. Сопоставление результатов
экспериментов с теоретическими оценками и результатами численного моделирования. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс. Теоретическое исследование процессов переноса в сильнонеидеальной пылевой плазме. Теоретическое изучение парных и тройных
корреляций в упорядоченных пылевых структурах в условиях тлеющего ВЧ-разряда емкостного типа. Проведения космического эксперимента
«Плазменный кристалл-3 Плюс» на борту Международной космической станции
(подготовка научной аппаратуры и наземное сопровождение эксперимента).
Разработка метода спектральной диагностики плазменных параметров газового разряда.
Развернуть
5
01.06.2011 - 05.09.2011
Исследование эволюции динамических характеристик плазменнно-пылевых
образований (параметра неидеальности, кинетической температуры и средних
межчастичных расстояний и т.п.), в течении переходных процессов инициированных электронным пучком. Выполнение исследований процессов
сверхвысокой зарядки пылевых частиц различных материалов (углеродных,
металлических, диэлектрических), размеров и форм при непосредственном воздействии электронного пучка на макрочастицы в широком диапазоне давлений буферного газа. Изучение влияния вторичной эмиссии электронов на величину заряда, приобретаемого частицами, оценка нагрева частиц и
определение роли термоэлектронной эмиссии при непосредственной зарядке пылевых частиц электронным пучком. Экспериментальное изучение эффектов воздействия электронного пучка на упорядоченные структуры, образованные полидисперсными и монодисперсными макрочастицами в газоразрядной плазме.
Исследование структурных характеристик плазменнно-пылевых образований (параметра неидеальности, корреляционных функций, концентрации пылевых частиц и т.п.), в течении переходных процессов инициированных электронным пучком. Исследование плазменно-пылевых волн, ориентационного упорядочивания проводящих и непроводящих микроцилиндров, структуры
границ плазменно-пылевых образований.
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
2012 - 2013, 15 мес.
Бюджетные средства
4,39 млн
Организация
ИНАСАН
профинансировано
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
6,2 млн
Организация
ОИВТ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2008, 4 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
профинансировано
Тема
Теоретические исследования квантовых систем, наноструктур и экстремальных состояний вещества.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Проведение фундаментальных физических исследований экстремальных состояний, возникающих при взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, и разработка новейших фемтосекундных технологий на установке: "Лазерный тераваттный фемтосекундный комплекс (ЛТФК) (рег. № 01-88)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,5 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
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
Тема
Исследование упругопластических и теплофизических свойств конструкционных и энергетических материалов и свойств неидеальной плазмы при динамическом нагружении до 500 ГПА на установке: "Экспериментальный взрывной стенд для исследования теплофизических свойств вещества при высоких концентрациях энергии (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ВЗРЫВНОЙ СТЕНД) (рег. № 01-46)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,6 млн
Количество заявок
1