1. Немного истории

Скачать 240.22 Kb.

Название	1. Немного истории
страница	2/3
Дата публикации	04.08.2013
Размер	240.22 Kb.
Тип	Решение

100-bal.ru > Математика > Решение

1 2 3

2.Основные направления научных исследований в теоретическом отделе

В настоящее время в ТО проводится широкий фронт исследований по физике низкотемпетарурной плазмы и конденсированных сред в рамках научного направления, которое можно сформулировать как

2.1.Теоретическое исследование теплофизических, кинетических и радиационных свойств и процессов в низкотемпературной плазме и конденсированных средах

В рамках этого направления традиционно уделяется большое внимание исследованиям по физике излучения низкотемпературной плазмы и разработке методов расчета радиационных свойств такой плазмы.

2.1.1. Излучение низкотемпературной плазмы (Л. Г. Дьячков, В.С. Воробьев, Г.А. Кобзев, Г. Э. Норман, П. Д. Панкратов)

В 70-х  начале 80-х годов выполнен комплекс работ по изучению роли короткоживущих автораспадных состояний отрицательных ионов в формировании радиационных спектров низкотемпературной плазмы. Показано, что низколежащие резонансы в рассеянии электронов на атомах, связанные с возникновением короткоживущих отрицательных ионов, могут давать значительный вклад в непрерывные спектры излучения и поглощения плазмы. В частности, в определенных условиях до половины интенсивности излучения воздушной плазмы в сплошном спектре оптического диапазона связано с такими резонансами в тормозном излучении электронов на атомах азота [2].

В конце 80-х и 90-х годах развивается квазиклассическая теория излучения атомарной плазмы. Было показано, что известный одноканальный метод квантового дефекта является по существу квазиклассическим и создана его квазиклассическая версия. Развитая теория описывает как дискретный, так и непрерывный спектр плазмы, а ее узловым моментом является уточнение принципа соответствия для квазиклассических дипольных матричных элементов. На ее основе был построен аналитический метод расчета оптических свойств атомарной плазмы. В рамках этого метода учитываются плотностные эффекты в припороговых областях спектра, что обеспечивает плавный переход от спектральных серий к континууму. Данный метод позволяет существенно упростить вычисления по сравнению с квантовомеханическими расчетами без снижения точности. Для его применения необходимы лишь данные по спектральным уровням атомов и ионов исследуемой плазмы, которые могут быть взяты из соответствующих справочников или баз данных, но также могут быть получены с помощью специально разработанной квазиклассической модели оболочечной структуры атомов и ионов. Она позволяет приближенно вычислять энергию любой конфигурации электронной оболочки, в том числе с несколькими возбужденными электронами или вакансиями. Достаточно задать лишь числа заполнения подоболочек. В рамках модели получена релятивистская поправка, существенная для внутренних подоболочек тяжелых элементов, и метод квантового дефекта для ридберговских состояний.

В конце 90-х  начале 2000-х годов проведено исследование формы спектральных линий водорода и дейтерия в условиях, характерных для пристеночной плазмы диверторных токамаков (T ~ 1 эВ, n_e ~ 10¹⁵ см^–3) [3]. Решение этой задачи имеет значение для диагностики и радиационного переноса в пристеночной плазме. Впервые рассмотрено совместное влияние внешнего магнитного поля, плазменного электрического микрополя (квазистатического ионного и высокочастотного электронного), эффекта Доплера и реабсорбции на профиль спектральных линий. Распределение атомов по уровням вычислялось с учетом радиационно-столкновительной кинетики, реабсорбции и выхода излучения. Рассчитаны профили спектральных линий лаймановской и бальмеровской серий. При этом реабсорбция значительно деформирует профиль линии, усложняя или, наоборот, упрощая его, а интегральный выход излучения зависит от величины магнитного поля, но практически не зависит от его направления.

Коллективу принадлежит существенная роль в развитии принципиальных вопросов теории неидеальной плазмы.

2.1.2. Термодинамика неидеальной плазмы (Воробьев В.С., Хомкин А. Л., Шумихин А. С.)

Большинство современных широкодиапазонных методик расчета термодинамических свойств, неидеальной плазмы сложного состава основаны на использовании «химической модели» (ХМ) плазмы. В «химической модели» плазма рассматривается как смесь взаимодействующих частиц заданной номенклатуры. Для плазмы принципиальным является наличие процессов ионизации и многочисленных химических реакций между частицами. Стехеометрическое равенство химических потенциалов, участвующих в реакциях частиц позволяет определить равновесный состав плазмы, уравнение состояния и все другие термодинамические функции. Полученный состав используется для расчетов переносных (проводимость, вязкость, теплопроводность и др.) и оптических свойств плазмы. ХМ свойственны ряд принципиальных трудностей, связанных с расходимостью атомной статистической суммы и выбору потенциалов взаимодействия между свободными частицами. В результате существовало большое количество различных вариантов ХМ, отличающихся способом обрезания статистической суммы атома и видом поправок на взаимодействие между заряженными и нейтральными частицами.

Предложенное в [4] каноническое преобразование гамильтониана электронов и ядер в представлении вторичного квантования позволило впервые получить из первых принципов гамильтониан химической модели неидеальной атомарной плазмы водорода – плазмы состоящей из свободных электронов, ионов и атомов. Было показано, что потенциал взаимодействия между свободными зарядами принципиально отличается от кулоновского: он зависит от импульса налетающего электрона, является нелокальным и зависит от числа введенных связанных состояний. На основе этого канонического преобразования было получено уравнение состояния неидеальной плазмы с более широкой областью применимости. Недавно появились работы, где это преобразование используется для описания кварк-глюонной плазмы.

Потенциалы взаимодействия между свободными тяжелыми частицами (молекулами, атомами, атомарными и молекулярными ионами) также отличаются от потенциалов взаимодействия исходных частиц. Как показано Хиллом потенциал взаимодействия между свободными атомами отличается от потенциала взаимодействия исходных атомов приводящего к образованию молекул.

Отмеченные выше особенности взаимодействия между свободными частицами были использованы, для построения широкодиапазонной химической модели плазмы сложного состава с учетом взаимодействия между всеми частицами плазмы. Широкодиапазонность полученного уравнения состояния обеспечивается большой номенклатурой частиц (для обычной H₂O и тяжелой D₂O воды например, учтено 18 компонент) и псевдо-жидкостным его характером (уравнение состояния содержит критическую точку). Были получены уравнения состояния для плазмы щелочных и переходных металлов, кислорода, азота, углерода. В рамках развитой модели предсказано существование диссоциативного фазового перехода [5].

Был решен также принципиальный вопрос физики неидеальной плазмы: о взаимосвязи поправок на взаимодействие между свободными зарядами и величиной статистической суммы атома в химических моделях неидеальной атомарной плазмы. Впервые было получено аналитическое соотношение между этими величинами для слабонеидеальной плазмы.

Появление в литературе квантово-механических расчетов энергетических и силовых характеристик металлических кластеров позволило построить химическую модель кластерной плазмы – плазмы состоящей из электронов, ионов, атомов, а также нейтральных, положительно и отрицательно заряженных кластеров. Были исследованы роль кластеров вблизи линии насыщения щелочных и простых металлов. Заряженные кластеры определяют зарядовый состав плазмы и, как правило, не влияют на ее термодинамические свойства. Показано, что для плазмы насыщенных паров цезия их роль невелика, что не соответствует ранним предсказаниям.

2.1.3. Численное моделирование нелинейных явлений в бесстолкновительной плазме (Медведев Ю. В.)

В связи с задачами физики атмосферы и ионосферы был разработан комплекс программ численного моделирования плазмы, с помощью которых изучен широкий спектр нелинейных явлений, происходящих при больших градиентах параметров плазмы. Исследовано расширение плазмы в вакуум и в плазму меньшей плотности, обтекание плазмой быстро движущегося тела, эволюция возмущения плотности плазмы, взаимодействие потоков, а также распады разрыва потоковой скорости ионов и разрыва ионной температуры. Изучен процесс расширения в вакуум плазмы с отрицательными ионами и ион-ионной плазмы. Были найдены аналитические решения для волны разрежения с учетом конечности ионной температуры и выведено уравнение для произвольного движения квазинейтральной бесстолкновительной плазмы.

Установлено, что процесс расширения плазмы в вакуум сопровождается развитием волны охлаждения электронов или легкой компоненты ионов и определены основные параметры, характеризующие обмен энергией между электронами и ионами. Выведено уравнение для критических параметров ионно-звукового солитона при конечной температуре ионов, изучена роль отраженных ионов и установлены принципиальные различия между ионно-звуковым солитоном и солитоном Кортевега – де Вриза [6]. Следует отметить, что взаимное проникновение потоков плазмы может происходить только при достаточно больших разностях потоковых скоростей а распад разрыва ионной температуры сопровождается образованием бесстолкновительной ударной волны или ионно-звуковых солитонов .

2.1.4. Теоретическое исследование нелинейных процессов в замагниченной плазме в условиях электрон-циклотронного нагрева электронов (Петрин А.Б.)

Плазма, возникающая вокруг головной части спускаемого космического аппарата является причиной не только радиационного нагрева теплозащиты аппарата, но и влияет на прохождения радиоволн. В результате на участке спуска связь с аппаратом прерывается. В связи с этим в конце 90-х и начале 2000-х годов в теоретическом отделе было проведено исследование возможности поддержания радиосвязи в СВЧ диапазоне частот с использованием сильного магнитного поля. Было показано, что сильное магнитное поле замораживает поперечное движение электронов, возбуждаемое волной [7]. Поэтому электромагнтное поле с частотой, даже ниже плазменной частоты, может проходить через слой плазмы ударной волны. Однако при этом, было обнаружено важное явление, которое ограничивает прохождение радиоволны через магнитное окно в слое плазмы ударной волны. Это явление сильного, нелинейного взаимодействия волны и электронов в слое электрон-циклотронного резонанса, которое приводит к тому, что в этом слое (расположенном вне слоя плазмы ударной волны) концентрация электронов весьма быстро возрастает настолько, что связь прерывается. Проведенные исследования определили границы, в которой должна находиться мощность передающей антенны для того, чтобы радиосвязь с объектом не прерывалась. Разработанные теоретические методы исследования электрон-циклотронного взаимодействия были применены для изучения процессов поддержания плазмы в плазменных реакторах, обеспечивающих однородную плотную плазму низкого давления. Такие плазменные реакторы нашли применение в современной микроэлектронике.

2.2.Низкотемпературная плазма и конденсированные среды во внешних полях

Это направление объединяет работы, в которых исследовалось поведение плазменных или конденсированных сред при наличии сильных внешних электрических или магнитных полей. При их наличии и при интенсивных фазовых превращениях в термодинамической системе возникают объемные и поверхностные силы, оказывающие существенное влияние на термодинамическую устойчивость системы, процессы ионизации и возбуждения, её теплофизические свойства и т.д.

2.2.1. Термодинамика фазовых превращений в жидкостях во внешних полях (Воробьев В.С., Петрин А.Б., Аллахяров Э.А. )

В работе [8] рассмотрены условия фазовых равновесий и превращений в жидкости, находящейся в неоднородном внешнем потенциальном поле сил. Если сила на единицу массы зависит от фазового состояния, то возникает индуцированный полем сдвиг фазового равновесия. При постоянстве полного химического потенциала по системе на границе раздела фаз при одинаковых температурах химические потенциалы вещества фаз не совпадают, одна из фаз находится в состоянии, которое в отсутствии поля было бы метастабильным. Такое индуцированное полем фазовое равновесие становится невозможным, когда одна из фаз достигает предельного состояния (спинодали). В этом случае система скачком переходит в новое диспергированное состояние. Показано, что отмеченные выше особенности фазовых равновесий в жидкостях во внешних полях, проявляются в различных физических системах и процессах. Это электрический взрыв проводников [9], электровзрыв микроострий на поверхности катода, разрушение поверхности диэлектриков быстрыми многозарядными ионами. Электрическое поле способствует также образованию зародышей конкурирующей фазы в пересыщенном паре и перегретой жидкости и облегчает вскипание жидкостей на неоднородных обогреваемых поверхностях. В сильных электрических полях возможно получение веществ с необычными свойствами. Так в работе [10] рассмотрена возможность получения глубоко переохлажденного водорода в сильном электрическом поле, обладающего сверхтекучими свойствами, а в [11] – льда при комнатных температурах.

Актуальной проблемой в технологии возобновляемой водородной энергетики является создание мембран-иономеров, устойчивых к реагентам, воде, механическим и полевым воздействиям. Теоретическими и численными методами была исследована протонная проводимость в зависимости от геометрии и распределения зарядов в таких иономерах. Рассчеты были проведены для систем, в которых находилось до 15-ти нанометров в каждом направлении. Это позволило изучить объемные характеристики мембраны, исключив тем самым нежелательные поверхностные эффекты [12]. На примере наиболее используемого в водородных технологиях возобновляемой энергии нафион подобного иономера было показано, что микрофазное расслоение сильно зависит от внешних воздействий. Впервые получены цилиндрические структуры с гексогональной упорядеченностю головных групп нафиона. Детальное исследование этих структур выявило сильную корреляцию протонов с кислородними группами, вследствие чего каждый ните-образный кислородный кластер сопровождается схожей нитью протонов. Такие структуры иногда скручиваются в спирали которые, хотя и метастабильны, но релаксируют в обычные каналы только при повышенных температурах.

2.2.2.Теоретическое исследование процессов ионизации и возбуждения в газообразных и жидких диэлектриках в электрическом поле (Белевцев А.А., Атражев В.М., Тимошкин И.В.)

Рис. 2 Зависимость

от приведенной напряженности электрического поля

(

-плотность). GN₂: 1-литературные данные, 2-результат расчета. LN₂: 3,4-результаты расчета. Кривая 5, полученная по аналогии с LXe сдвигом 1, позволяла исследовательской группе Denat et al (LEMDS, Grenoble, France) получать наилучшее согласие измеренных и рассчитанных значений напряжения зажигания коронного разряда в LN₂.

Развита аналитическая теория временной релаксации энергетического спектра свободных электронов и установления во времени электронных кинетических коэффициентов в атомарных газообразных и жидких диэлектриках в постоянных и переменных во времени внешних электрических полях. На ее основе рассчитана скорость дрейфа электронов в благородных жидкостях и их смесях в широком диапазоне изменения напряженностей электрического поля. Впервые предсказана возможность возникновения доменной электрической неустойчивости в жидких диэлектриках. Рассчитан первый коэффициент Таунсенда _T в жидком и закритическом гелии, предсказан верхний предел электрической прочности конденсированного гелия . Впервые определены коэффициенты _T и =_T/E в жидком азоте [13] (Рис.2).

Проведены исследования транспортных свойств электронов в плотной неупорядоченной среде с ближним порядком. Развита теория, описывающая кинетику электронов в жидких инертных газах под действием внешнего электрического поля. Рассеяние электронов в среде описывается эффективным псевдопотенциалом, зависящем от плотности среды. Такой подход позволил объяснить особенности электронных кинетических коэффициентов, в частности, различие на порядок величины значений коэффициентов электронной диффузии вдоль и попек электрического поля и постоянную скорость дрейфа электронов в жидких инертных газах в сильном внешнем поле [14].

2.2.3.Ультрахолодная плазма (Зеленер Б. В., Зеленер Б. Б., Бобров А. А.)

Относительно недавно возникло еще одно новое направление в экспериментальных исследованиях плазмы, связанное с созданием неравновесной ультрахолодной плазмы [15]. Методом лазерного охлаждения газ атомов в магнитно-оптической ловушке охлаждается до сверхнизких температур T <10^-4K. Затем атомы ионизуются лазерным излучением таким образом, что кинетическая энергия внешних электронов, переходящих в непрерывный спектр, может фиксироваться в диапазоне от 0.1 до 100 K. Ультрахолодная плазма, полученная таким образом, является неравновесной и сильнонеидеальной за счет крайне малой кинетической энергии электронов. Ранее разработанные численные методы [М6, М4] были использованы для изучения ультрахолодной плазмы. В предположении существования термического равновесия, обусловленного экспериментально обнаруженным замедлением рекомбинации при ультранизких температурах, получено уравнение состояния полностью ионизованной ультрахолодной плазмы в широкой области неидеальности. При этом расчетным путем обнаружено формирование упорядоченной структуры. Оно происходит в области, когда газ электронов далек от вырождения, а степень упорядочения частиц меняется от ближнего порядка (аналогично жидкости) до дальнего порядка (аналогично решетке в твердых телах). Методом молекулярной динамики исследовались кинетические характеристики низкотемпературной неидеальной ридберговской плазмы (такая плазма, состоит из свободных электронов, ионов и высоковозбужденных ридберговских атомов). Найдены зависимости от параметра неидеальности плотности высоковозбужденных электронных состояний и коэффициента диффузии электрона в пространстве энергий.

2.3.Комплексная (пылевая) плазма (Храпак А.Г., Дьячков Л.Г., Тригер С.А., Воробьев В.С., Жаховский В.В. )

Это направление выделилось из ранее проводимых в отделе исследований низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (КДФ) и в настоящее время является одним из важнейших разделов плазменных исследований ОИВТ РАН.[М10]

В ранних работах было исследовано влияние заряженных частиц КДФ на проводимость плазмы в МГД-генераторах на твердом топливе. Позднее, после открытия кристаллизации пылевой плазмы в высокочастотном газовом разряде, были получены очень интересные и важные результаты: впервые наблюдалась экспериментально кристаллизация пылевой плазмы в газовом разряде постоянного тока; объяснен теоретически аномальный нагрев пылевой компоненты комплексной плазмы; предложен механизм пыле-акустической неустойчивости и формирования ударных волн в тлеющем разряде; исследована экспериментально и теоретически левитация сильно асимметричных (цилиндрических) частиц и образование «плазменного жидкого кристалла» проанализировано влияние эмиссии и рекомбинации электронов на зарядку и экранировку пылевых частиц в столкновительной и бесстолкновительной плазме.

Выполнен цикл работ по изучению зарядки и экранировки пылевых частиц в плазме в зависимости от длины свободного пробега ионов и электронов, а также от электронной эмиссии с поверхности пылевых частиц [16, 17]. Получен критерий изменения знака заряда пылевой частицы под действием электронной эмиссии. Показано, что эффективный заряд частицы и экранирующего ее плазменного облака всегда отрицателен, независимо от знака заряда самой частицы.

Российско-германский научный коллектив в течение ряда лет проводит успешные эксперименты «Плазменный кристалл» (РКЕ) на борту Международной Космической Станции (МКС) [18]. В одной из последних публикаций, описано впервые наблюдавшееся закрытие войда в условиях микрогравитации. Войд – область свободная от пылевых частиц в центральной части разряда – образующаяся практически при любых плазменных условиях и до этих экспериментов считавшаяся неизбежным эффектом нарушающим однородность плазмы. Было продемонстрировано, что соответствующий выбор параметров разряда позволяет закрыть войд. Это экспериментальное достижение наряду с его теоретической интерпретацией открывает новые перспективы для будущих экспериментов с большими квази-изотропными свободными от войдов облаками пылевой плазмы в условиях микрогравитации.

В последние годы проводится теоретическое исследование влияния продольного магнитного поля на поведение пылевых структур, левитирующих в стратифицированных тлеющих разрядах постоянного тока [19]. Объяснено вращение таких структур и изменение направления вращения. Предложен механизм вращения и объяснена инверсия скорости. Вращение пылевой структуры происходит под действием сил ионного увлечения. Азимутальное движение ионов возникает в результате их дрейфа в скрещенных полях (радиальном амбиполярном электрическом и аксиальном магнитном), а также вследствие радиального градиента магнитного поля (диамагнитный ток). Но амбиполярное поле связано с диффузионным потоком плазмы. Таким образом, направление вращения пылевой структуры обусловлено направлением радиального потока плазмы, которое определяется конкуренцией двух механизмов рекомбинации: на стенке разрядной трубки и на поверхности пылевых частиц. С увеличением магнитного поля плазма замагничивается и диффузия на стенку ослабевает, начинает преобладать поглощение плазмы пылевой структурой и, как следствие, изменяется направление ее вращения.

Впервые рассмотрены возможности существования механизмов отрицательного трения для пылинок [20]. Построен последовательный подход к кинетике пылинок, рассматриваемых как, броуновские частицы [21]. Исследованы процессы зарядки, диффузии и аномального нагрева частиц. Изучена кинетика зарядки пылевых частиц с меняющейся массой. Развита кинетика пыли с учетом вращения пылевых частиц. Введено понятие поверхностного натяжения пылевой плазмы и исследован ряд свойств такой среды.

Фактор сжимаемости, сжимаемость и внутренняя энергия пылевой плазмы тлеющего разряда может быть оценена по измеренным парным корреляционным функциям [22] . На основе интегральных уравнений теории жидкости рассчитан заряд, радиус экранировки, потенциал взаимодействия пылевых частиц. В исследованиях [23] рассчитано самосогласованное электрическое поле внутри упорядоченной пылевой структуры, образованное электронами и ионами плазмы и пылинками. Показано, что поле пылинки экранируется на размере радиуса ячейки Вигнера – Зейтца. Оценено значение потенциала, необходимого для удержания пылевых частиц в направлении перпендикулярном оси разряда. Энергия взаимодействия упорядоченной полевой системы имеет вид, характерный для ионных кристаллов. Найдены критические параметры для жидко-подобной пылевой структуры.