Доклад президиума российской академии наук
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
жүктеу/скачать 2.65 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 9.2. Фундаментальные проблемы магнитоплазменной аэродинамики
- 9.3. Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы внутреннего строения Земли и планет
- 9.4. Фундаментальные проблемы плотной низкотемпературной плазмы
9. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ9.1. Теплофизика экстремального состояния веществаПолучены новые уникальные данные по термодинамическим свойствам азота и гелия в мегабарном диапазоне давлений ударного сжатия, а также выявлены границы области диссоциации азота в ударных волнах. На основе квазихимического подхода рассчитаны термодинамические свойства дейтерия и гелия в широкой области сжатий до давлений, значительно превышающих мегабарный диапазон. (ИПХФ РАН, ВНИИЭФ) Изучение свойств простых конденсированных газов при экстремально высоких давлениях и температурах стимулируется современными задачами физики конденсированного состояния, физики плазмы и астрофизики. С использованием взрывных устройств, основанных на принципе кумуляции энергии методом сферической имплозии и обеспечивающих метание стальных ударников со скоростью до 23 км/с, проведены уникальные измерения ударной сжимаемости азота и гелия в области рекордно высоких давлений до 3.2 Мбар. При этом степень сжатия жидкого азота достигала 4.2, а его плотность – 3.4 г/см3. Совокупность результатов новых и предшествующих измерений уточняют границы областей диссоциации и ионизации азота при высоких давлениях и температурах. Измеренная степень сжатия гелия ~ 6.4 не согласуется с какой-либо теоретической моделью, однако хорошо совпадает с результатами измерений, выполненных параллельно в Ливерморской лаборатории для гелия, предварительно сжатого в алмазных наковальнях. Достигнуты значительные успехи в исследованиях пространственно-упорядо-ченных плазменно-пылевых структур, в том числе – в условиях микрогравитации и криогенных температур. Так совместно с Институтом внеземной физики Общества Макса Планка выполнен цикл приоритетных экспериментов по изучению свойств и динамики упорядоченных структур в больших плазменно-пылевых системах в условиях микрогравитации на Международной космической станции. Открыто и изучено новое состояние пылевой плазмы – электроре-ологическая плазма. При этом впервые наблюдался переход из кристаллического состояния в жидкостное в большой (свыше 106 сильно заряженных пылевых частиц) трехмерной изотропной плазменно-пылевой системе. Впервые проведен структурный и динамический анализ плазменно-пылевых образований, а также обнаружено развитие плазменно-пылевой неустойчивости и формирование подвижных протяженных плазменно-пылевых структур со свободной поверхностью при криогенных температурах (4-77 К). (ОИВТ РАН) Экспериментально и теоретически исследованы свойства неидеальной плазмы твердотельной плотности при фемтосекундном лазерном воздействии, структура и динамика разлета лазерного факела в широком диапазоне плотностей энергии. При этом одним из центральных направлений исследований является изучение процессов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с конденсированными мишенями. Таким образом генерируются экстремально высокие значения давления и температур, состояния вещества с плотностью, промежуточной между газом и жидкостью, сильно метастабильные состояния далеко за линией фазового равновесия во временном диапазоне. В последнем случае изменяются и становятся неоднозначными такие фундаментальные понятия, как температура, давление и скорость звука. Методами молекулярной динамики и двухтемпературной гидродинамики проведено детальное компьютерное моделирование этого явления. (ОИВТ РАН, ИТФ РАН) Экспериментально обнаружено усиление ударной волны и переход ее в детонационно-подобный режим в результате выделения энергии при конденсации сильно пересыщенного углеродного пара в смеси инертного газа с малой добавкой нестойкой недокиси углерода. Обнаруженное явление может быть использовано для исследования процессов и явлений в пересыщенных парогазовых смесях, в том числе – в продуктах сгорания углеводородных топлив. Исследованы устойчивость и неоднозначность ударно-волновых явлений в термодинамически неидеальных средах. Эта проблема представляет интерес как с фундаментальной точки зрения, так и в связи с ее практической важностью для задач ударного сжатия существенно неидеальных сред. Причем, если в идеальном газе ударная волна остается абсолютно устойчивой всегда, то в средах с произвольным уравнением состояния при выполнении определенных условий ударная волна может быть неустойчивой по отношению к малым периодическим возмущениям ее фронта. С целью уточнения существующей теории устойчивости ударных волн проведен анализ нелинейного поведения ударной волны с вязкой структурой в области ее неоднозначности. Показано, что в одномерном случае решение зависит от вида возмущения. Многомерные расчеты показали, что вне зависимости от вида возмущения на фронте ударной волны в области ее неоднозначного представления возникают незатухающие осцилляции параметров с образованием ячеистой структуры. (ОИВТ РАН) На основании анализа литературных данных по свойствам лунного грунта и образующих лунных грунт оксидов силиция, магния, титана, железа и кальция при высоких давлениях, а также результатов экспериментов по определению ударной адиабаты вещества, аналогичного по составу лунному грунту, выполнено построение многофазного уравнения состояния лунного грунта. С помощью вычислительных кодов по методу Годунова и конечно-размерных частиц в ячейках проведено моделирование эксперимента LCROSS(Lunar CRater Observation and Sensing Satellite), в рамках которого предполагается провести исследование динамики процесса высокоскоростного столкновения космического аппарата с Луной в полярной области, где, предположительно, можно ожидать наличие льда в грунте. Расчеты выполнены для удара по сухому и льдосодержащему грунту, а также сделаны оценки формы и размера кратера и количества эжектированного при ударе вещества. (ИПХФ РАН) Предсказан и реализован в эксперименте драматический эффект увеличения скорости коагуляции примесей, взвешенных в сверхтекучем гелии, при появлении в жидкости квантованных вихрей. Продуктом такого каталитического процесса должны являться имеющие исходно наноразмеры нити. (ИПХФ РАН) Методом импульсного нагрева в волне отрицательного давления получены температурные зависимости кавитационной прочности растворов гелия в жидком аргоне при концентрациях гелия до 0.3% и давлениях от атмосферного до 6 МПа. Исследования кавитации газонасыщенного жидкого аргона проведены для определения максимальной глубины проникновения в метастабильную область отрицательных давлений и выяснения возможности образования в жидкой матрице газовых включений в виде полостей. (ИТФ УрО РАН) Проведены сравнительные измерения параметров быстрого (10–8 с) превра-щения графита в алмаз или алмазоподобную фазу высокого давления в условиях ударного сжатия. Изучено влияние содержания ромбоэдрической фазы, трехмерной упорядоченности и размера зерна на давление и скорость превращения. Обнаружено значительное влияние направления ударного сжатия относительно базисных плоскостей графита на регистрируемое давление превращения в фазу высокого давления и его скорость. (ОИВТ РАН, ИПХФ РАН) 9.2. Фундаментальные проблемы магнитоплазменной аэродинамикиИсследованы газодинамические особенности обтекания тел в условиях энерговклада в тороидальной области, охватывающей ось симметрии течения. Характерной особенностью такого способа организации энерговклада является эффект маховского отражения скачка уплотнения от оси симметрии, который имеет место вне зависимости от протяженности области энерговклада в направлении потока. В результате формируется сложная газодинамическая конфигурация, включающая скачки уплотнения, взаимодействующие с осью симметрии, поверхностью тела и температурным следом за областью энерговклада. При малом удалении образующей тора от оси симметрии отрывная зона перед лобовой поверхностью тела сохраняется. А при увеличении расстояния полное давление вблизи оси симметрии оказывается меньше по сравнению с полным давлением в следе за областью энерговклада, что приводит к разрушению отрывной зоны. Однако в этом случае полное давление вблизи оси симметрии меньше, чем полное давление в набегающем потоке из-за наличия локального прямого скачка уплотнения. Данный эффект совместно с прямым воздействием следа за областью энерговклада приводит к даже более значительному понижению волнового сопротивления тела, чем в случае возникновения передней отрывной зоны. Таким образом, обнаружен новый механизм понижения сопротивления тела, основанный не на формировании передней отрывной зоны, а непосредственно на понижении полного давления в набегающем потоке как в следе за областью энерговклада, так и вблизи оси симметрии в результате маховского отражения косого скачка уплотнения. (НИИмех МГУ) Экспериментально продемонстрирована возможность инициации и управления в свободном пространстве в воздухе СВЧ разрядами с помощью лазерного излучения. Так с помощью излучения Nd:YAG лазера на второй (532 нм) или четвертой (266 нм) гармониках в заданной области пространства в диапазоне давлений воздуха от нескольких Торр до атмосферного инициировался СВЧ разряд длиной волны 2.5 см. Инициация производилась как в режиме создания лазерной искры, так и в безискровом режиме облучения при энергии в импульсе от нескольких до ста миллиджоулей. Продемонстрировано существенное понижение (до порядка величины) порогов устойчивого зажигания импульсного СВЧ разряда по сравнению с порогами самостоятельного пробоя во всем диапазоне давлений. Получены данные об инициирующих свойствах лазерного излучения в зависимости от величины задержки в подаче СВЧ импульса относительно лазерного, опробованы и исследованы схемы инициации при различной взаимной ориентации СВЧ и лазерного пучков. Расчетные величины снижения порога возникновения СВЧ разряда соответствуют зарегистрированным в эксперименте. Впервые описан эффект неравновесной ионизации воздуха при гиперзвуковом обтекании летательного аппарата с магнитным полем в верхней атмосфере. В рамках развития концепции «МГД парашют» – использования магнито-гидродинамического (МГД) взаимодействия для управления высокоскоростным спуском воздушно-космических аппаратов, теоретически предсказан и качественно подтвержден в наземных экспериментах механизм интенсивной неравновесной ионизации воздуха в результате МГД взаимодействия набегающего потока с бортовой магнитной системой аппарата даже при умеренных (до 1 Тесла) величинах индукции магнитного поля. Основной фактор управления полетом – объемная тормозящая сила, достигает в этом случае значений, существенно превосходящих «обычные» газодинамические силы. Использование этого механизма ионизации позволяет решать практически важные задачи оптимизации траектории спускаемого аппарата с целью кардинального снижения пиковых тепловых и динамических нагрузок на элементы его конструкции. Впервые получен и экспериментально исследован эффект стабилизации горения углеводородного топлива (этилен С2Н4) и водорода (Н2) в каверне, за уступом и на плоской стенке сверхзвукового канала при помощи электрического разряда в холодном и подогретом воздухе. Получены новые данные по взаимодействию разряда и топлива при варьировании параметров потока, вида топлива и его расхода, параметров разряда. Проведенные исследования позволили получить режимы сверхзвукового горения бедных смесей с полнотой сгорания топлива выше 95%. Энергетический эффект применения плазмы превышает фактор 100. Предложена новая схема стабилизации работы сверхзвуковых камер сгорания, находящихся в неоптимальных условиях. Впервые продемонстрирован эффект смешения в двухкомпонентной среде при помощи филаментарного мощного импульсного разряда. Изучены характеристики высоковольтного наносекундного разряда с длительностью разрядного импульса t = 40-80 нс и максимальными значениями напряжения, тока и импульсной мощности Umax= 120 кВ, Imax= 2 кА, Wmax= 90 МВт, как в неподвижном газе при варьировании свойств газа и параметров источника питания разряда, так и в высокоскоростном потоке. Впервые реализована визуализация развития канала разряда и зоны возмущения с помощью теневого метода с точностью синхронизации не хуже 0.1 мкс. Обнаружен и исследован эффект развития газодинамической неустойчивости послеразрядного канала, которая проявлялась в виде поперечных струй, возникающих на 100-200 микросекундах после пробоя. Проведенные исследования показали, что искровой разряд может обеспечивать значительное ускорение смешения, зажигания и стабилизацию пламени вследствие быстрого турбулентного расширения послеразрядной зоны. Впервые получены эксперименты по созданию устойчивых долгоживущих плазмохимических образований (ДПХО) в холодных и горячих газовых потоках. При этом обнаружено неизвестное ранее явление интенсивного взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона с заряженными долгоживущими плазмохимическими образованиями в химически активном горячем газовом потоке. В лабораторных и полевых экспериментах измерено, что ослабление зондирующего электромагнитного излучения, отраженного от металлической пластины, покрытого слоем ДПХО может достигать 20-40 дБ и более. Обнаруженное явление может быть использовано в ряде фундаментальных исследований и прикладных разработок, таких как нелинейная электродинамика и плазмодинамика. (ОИВТ РАН) 9.3. Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы внутреннего строения Земли и планетВпервые экспериментально обнаружена в антиферромагнетике-сверхпроводнике CeRhIn5 при давлении 2.3 ГПа «локальная» квантовая критическая точка. Соответствующая «локальная» квантовая фаза характери-зуется мощными спиновыми и зарядовыми флуктуациями, создающими притягивающее электрон- электронное взаимодействие и приводящее к возникновению сверхпроводимости нетрадиционного типа. В частности исследовано поведение электросопротивления слоистого антиферромагнетика CeRhIn5 в широком диапазоне температур (1-300 К) и давлений до 5 ГПа, включающем квантовую критическую точку (2.3 ГПа). Измерения проводились вдоль различных кристаллографических направлений монокристаллов высокого качества (R300K/R1K ~ 500) с очень малым шагом по давлению. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что квантовая критическая точка (ККТ) в CeRhIn5 при 2.3 ГПа является локальной, что проявляется в изотропном квантовом рассеянии носителей тока и необычной сублинейной зависимости сопротивления при 2.35 ГПа в широком диапазоне температур. Экспериментально установлено существование трех состояний одного и того же расплава AsS, отличающихся друг от друга по структуре ближнего порядка и физическим свойствам. Под давлением 2 ГПа молекулярная жидкость AsS превра-щается в ковалентную, а при дальнейшем сжатии до 5 ГПа в металлическую. Так при высоких давлениях и температурах исследован расплав халькогенида AsS методом энергодисперсионной рентгеновской дифракции, резистивными измерениями и закалкой расплава. Получены прямые доказательства существова-ния двух структурных превращений в жидкости при сжатии: первое, из молеку-лярной жидкости умеренной вязкости в высоковязкую неметаллическую полиме-ризованную жидкость при давлениях 1.6-2.2 ГПа, а второе последующее в низко-вязкое металлическое жидкое состояние при 4.6-4.8 ГПа. При быстрой закалке молекулярная и металлическая жидкости кристаллизуются в обычную фазу низкого давления и в фазу высокого давления, соответственно, тогда как полиме-ризованный промежуточный расплав легко закалить в стекло. (ИФВД РАН)
Получены новые данные о физике сильноточных газовых разрядов и эрозии электродов в них при начальной концентрации частиц 10е18-10е22 /см3, dJ/dt~10e9-10e10 А/с, токах разряда 0.01-2 МА. При этом впервые зафиксирован переход канала разряда в режим сжатия в водороде и гелии в условиях сверхвысоких давлений. Причиной этого явления является не только испарение материала электрода, которое создает высокую концентрацию паров металла в канале, но и высокая плотность газа. Проделаны измерения яркостной температуры периферической зоны канала разряда в водороде и гелии, величина которой составила в зависимости от начальных параметров экспериментов до ~50 тыс. К и ~80 тыс. К соответственно. Впервые получены фоторазвертки разряда в водороде и гелии при амплитуде разрядного тока до 1.5 МА и начальных давлениях рабочего газа в сотни атмосфер (до 150 МПа). Разработана уникальная система для регистрации собственного мягкого рентгеновского излучения из канала разряда. Впервые зарегистрирован поток мягкого рентгеновского излучения из канала разряда в водороде высокой плотности, что подтверждает утверждение о достижении критического тока сжатия. Разработан метод рентгеновской флеш-радиографии в мягком рентге-новском диапазоне канала разряда. Получены радиографические изображения инициирующей проволочки в разрядной камере при начальном давлении водорода в несколько десятков атмосфер при помощи созданного уникального комплекса на основе рентгеновской ПЗС-камеры и мощного импульсного источника с рентгеновской взрывоэмиссионной трубкой. (ИЭЭ РАН) Получены данные о временном распределении эрозии электродов за разряд и доле эрозии, приходящейся на симметричные выбросы материала электрода. Зарегистрирован симметричный выброс вещества со всей поверхности торца электрода, как со стороны катода, так и со стороны анода. Предложен единый механизм для анода и катода такого выброса, который связан с интенсивным прогревом электрода и нарушением баланса давлений в расплавленном слое электрода и над его поверхностью. Резкий рост падения напряжения у электродов соответствует началу образования эрозионных струй. Время образования эрозионной струи соответствует зарегистрированному времени увеличения падения напряжения вблизи электродов. Исследованы взаимодействия наноструктур серебра, меди, железа, титана, цинка и платины, находящихся в водных дисперсиях, получаемых в результате обработки воды импульсными электрическими разрядами, с белками (лизоцим). Взаимодействие заключается в агглютинации (налипании) структур белка на поверхности наночастиц. Причем, чем выше концентрация наноструктур, тем более крупные надмолекулярные комплексы (наночастица + белок) образуются в результате взаимодействия. Исследовались также гидродинамические явления, сопровождающие импульсный электрический разряд в воде, в частности, скорость распространения фронта фотоионизации и возникающей в результате этого ударной волны, при энергии, вложенной в разряд ~ 1 Дж и скорости нарастания тока до 1010 А/с, которая на момент времени 0,1 мкс от начала разряда составляет ~5.0103 м/с. (ИЭЭ РАН) На стенде, созданном для изучения с помощью капиллярного разряда спицеобразных плазменных образований с высоким удельным энергосодер-жанием, проведены эксперименты по регистрации собственного рентгеновского излучения плазмы сильноточного разряда в плотной газовой среде. Экспериментально проведена оценка температуры центральной высокотемпера-турной области разряда. Выполнены расчеты равновесного состава плотной неидеальной плазмы гало-генидов щелочных металлов. Найден диапазон температур и давлений, в котором концентрация отрицательных ионов превышает концентрацию электронов. (ФТИ РАН) Показано, что искровой канал в твердом теле в микросекундном диапазоне является высокоэффективным преобразователем электрической энергии в работу разрушения. (Филиал КНЦ РАН – Центр физико-технических проблем энергетики Севера) На основе комбинации методов КАРС-спектроскопии и эмиссионной спектроскопии изучены вращательные распределения молекул водорода в основном H2(Χ1Σ+g) и возбужденных H2(d3Пu, I1Пg) состояниях в плазме газового разряда и при возбуждении молекулярного водорода моноэнергетическим электронным пучком. Сопоставление указанных распределений показало, что в условиях газоразрядной плазмы при возбуждении электронных состояний молекул электронным ударом возможна передача молекуле значительных (до 6 Проведены новые эксперименты по определению статической электропроводности в частично ионизованной плазме аргона при следующих параметрах ne =1017–1019 см–3, ГD=0.1–1.0, P=0.2-1.5 кбар. Выполнены расчеты проводимости и холл-фактора для экспериментальных условий. Генерация плазмы осуществлялась ударно-волновым сжатием исследуемого газа. Электропроводность определялась зондовыми методами. (ИПХФ РАН) жүктеу/скачать 2.65 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
) моментов импульса. На основе законов сохранения момента импульса и четности состояний установлены возможные каналы образования H2(d3Πu, 1Пg). Предло-жена модель для расчета относительных вероятностей возбуждения вращательных уровней.