РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКПрограмма № 2 фундаментальных исследований

Президиума РАНВещество при высоких плотностях энергии

Подпрограмма 1«Энергетика и механика быстропротекающих процессов и самоорганизация в плазменных,

газовых и конденсированных средах»

Основные цели и задачи программы –  Термодинамические, переносные и кинетические свойства

веществ при экстремально высоких давлениях и температурах.

–  Физика сильнонеидеальной плазмы, ионизационная устойчивость и плазменные фазовые переходы.

–  Металлизация и диэлектризация вещества в мегабарном диапазоне давлений.

–  Фундаментальные исследования и приложения пылевой плазмы.

–  Взаимодействие мощного электромагнитного и корпускулярного излучения с веществом.

–  Горение, детонация, ударные волны.–  Физика и механика неупругого деформирования и

разрушения под воздействием интенсивных импульсных механических, корпускулярных и электромагнитных воздействий.

–  Быстрые физико-химические превращения.

В программе принимают участие следующие отделения РАН:

• Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления: ОИВТ, ИЭЭ, ФТИ, ИПГ ДагНЦ

• Отделение физических наук: ФИАН, ИТФ, ИФТТ, ИОФАН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе

• Отделение химии и наук о материалах: ИПХФ, ИХФ, ИСМАН• Отделение математических наук: ИАП• Сибирское отделение РАН: ИГЛ, ИЯФ, ИСЭ, ИФПМ• Уральское отделение РАН: ИТ, ИМСС • Дальневосточное отделение: ИАПУ• Кольский научный центр: ФКНЦ РАН-ЦФТПЭС

Международное сотрудничество – Проект FAIR, GSI, Дармштадт, ФРГ – коллаборация по физике плазмы

HEDgeHOB;– Соглашение о сотрудничестве между ОИВТ РАН и Laboratoire de

Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), Université Paris, Франция по исследованиям взаимодействия лазерного излучения с веществом, лазерно-плазменным ускорителям заряженных частиц и физике высоких плотностей энергии в веществе

– Соглашение о сотрудничестве между ОИВТ РАН и Gesellschaft für Sschwerionforschung (GSI), Darmstadt, Германия по исследованиям взаимодействия лазерного излучения с веществом, лазерно-плазменным ускорителям заряженных частиц и физике высоких плотностей энергии в веществе

– Соглашение между Российской академией наук и Национальным центром научных исследований Франции (CNRS) по теме «Исследования в физике высоких плотностей энергии методами рентгеновской изображающей спектроскопии»

– Межинститутское соглашение о совместных работах между Kansai Photon Science Institute Japan Atomic Energy Agency (Japan) и Объединенным институтом высоких температур РАН Россия по теме «Исследования нелинейных процессов в релятивистской лазерной плазме методами рентгеновской спектромикроскопии»

– Проект FELIX, DESY (лазер на свободных электронах), ФРГ;

0.04 0.060.080.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 1010-1

100

101

102

103

Sarov S=Const (new) Sarov S=Const (new)

Nellis et al., 1984 Eggert et al., 2009 Sarov (recent results)

P, G

Pa

, g/cm3

В кооперации с Центром исследований экстремальных энергетических процессов Росатом – РАН и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» получены уникальные экспериментальные данные по термодинамическим свойствам изоэнтропически сжатого дейтерия и гелия в области давлений 1500–2000 ГПа. Измерены значения плотностей 4,3 г/см3 и 3,8 г/см3 в дейтерии и гелии при давлениях 2210 ГПа и 1580 ГПа, соответственно. Внутренняя энергия дейтериевой плазмы при этом давлении в 100 раз превосходит удельную энергию химических конденсированных взрывчатых веществ. На основе квазихимической модели плотной плазмы и расчетов методами квантовой молекулярной динамики разработаны уравнения состояния водорода, дейтерия и гелия, согласованные с последними экспериментальными данными.

Развита теория генерации характеристического рентгеновского излучения при вакуумном нагреве электронов на поверхности массивной мишени фемтосекундным лазерным импульсом и проведены первые измерения параметров рентгеновского излучения, возникающего при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью ~1017 Вт/см2 на наноструктурированные мишени. Выход характеристического рентгеновского излучения на наноструктурированной мишени в 1.5÷ 2 раза выше по сравнению с мишенью без наноструктур.

1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.600.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

K

o

Инт

енси

внос

ть (*

1012

, фот

/(А*с

.р.)

Длина волны, А

С использованием зондирующего лазерного излучения трех длин волн выполнены измерения поляризационных свойств сильнонеидеальной плазмы ксенона с плотностью до 2.8 г/см3, полученной ударным сжатием газовой среды. Измерения дополнены компьютерным моделированием взаимодействия градиентной плазмы с пробной электромагнитной волной с учетом рассеяния электронов на атомах и изменения температуры в переходном слое.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

RS calc L=800nm

RP calc L=800nm

RP calc L=200nm

RS calc L=200nm

Rexp s-wave

Rexp p-wave

RP calc ea-collisions

RS calc ea-collisions

pola

rized

refle

ctiv

ity in

dex

incident angle, deg

las

=1064nm

ne=7*1021cm-3

T=29250 K

pl=2.7 g/cc

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0 Rexp s-wave

Rexp p-wave

RP calc L=800nm

RP calc L=200nm

RP calc ea-collisions

RS calc ea-collisions

pola

rized

refle

ctiv

ity in

dex

incident angle, deg

las

=694nm

ne=7.8*1021cm-3

T=32020 K

pl=2.8 g/cc

Исследованы процессы субмикросекундного превращения графита в алмаз в условиях ударного сжатия

LiF

Win

dow

LiF

Win

dow

Gra

phite

Gra

phite

II

T

0.0 0.5 1.00.0

0.5

1.0

1.5

II

2.185 г/см3, 2.87 ммT

2.169 г/см3, 4.25 мм

Прессованный графит ОСЧ-T1,измерения на границе графит/LiF

Ско

рост

ь по

верх

ност

и, к

м/с

Время, мкс

Сдвиги в базисных плоскостях затрудняют превращение графит-алмаз.

Проведены исследования температурно-скоростных зависимостей сопротивления деформированию и разрушению для алюминия, серебра и магниевого сплава при температурах от комнатной до близкой к температуре плавления в условиях ударно-волнового воздействия широком диапазоне длительностей нагрузки, включая измерения при скоростях деформации до 109 с-1 вблизи пределов объемной и сдвиговой прочности с использованием фемтосекундной лазерной техники. Найдено, что зависимость начального напряжения течения от скорости пластической деформации описывается степенной функцией с показателем меньше 0.5, сопротивление высокоскоростному деформированию возрастает с увеличением температуры и уменьшается по мере развития пластической деформации.

103 104 105 106 1070

100

200

300

400

500

Al 99.99%

1

A

103 104 105 106 107 108 109 10100.4

0.60.8

1

2

4

68

10

20

Al

FoilsMoshe, Eliezer, 2000

Ашитков и др., 2012

МДspall = 0.4 + 3.75(' /108 )0.2

Предельная прочность

Плоский удар Лазеры и пучки

Al 99.99%

Монокристаллы

AД1

Отк

ольн

ая п

рочн

ость

, ГП

а

Скорость деформации, с-1

В цикле экспериментальных исследований на борту Международной космической станции получены новые данные о процессе кристаллизации и плавления больших трехмерных плазменно-пылевых систем в условиях микрогравитации. Обнаружено возникновение самовозбуждающихся волн сжатия вблизи области двойного слоя пространственного заряда, которые распространялись в направлении ионного потока.

31 Pa

11 Pa

20 Pa

Обзорная камера Камера высокого разрешения

Получены новые экспериментальные, теоретические и численные данные об условиях и критериях фазовых переходов «жидкость–твердое тело» и полиморфных превращений в неидеальных трехмерных и двумерных плазменно-пылевых системах. В совместных с Международным институтом физики неидеальной плазмы Научного общества Макса Планка (ФРГ) экспериментах на Международной космической станции и на борту специализированного самолета A-300 Zero-G исследовано взаимодействие частиц в бинарной пылевой плазме, обнаружены и изучены самовозбуждающиеся колебания пылевой компоненты, исследовано ударное сжатие плазменно-пылевого вещества.

Комплексным экспериментальным и расчетным исследованием получены новые важные данные о процессе возникновения плотной плазмы при субмикросекундном электрическом взрыве проводников при мегаамперных токах и мегагаусных магнитных полях. Показано, что рост магнитогидродинамических неустойчивостей, развивающихся при взрыве цилиндрических проводников, связан с кумуляцией сходящейся цилиндрической ударной волны в проводнике. Электрический взрыв проводников является источником получения экспериментальной информации о транспортных и теплофизических свойствах «теплой» плазмы и генерация мощных импульсов электромагнитного и корпускулярного излучения.

Обнаружено формирование детонационной волны конденсации при термическом разложении ацетилена без участия окислителя. Определена кинетика тепловыделения и ее взаимосвязь с динамикой формирования детонационной волны. Показано, что лимитирующей стадией процесса является реакции роста больших полиуглеводородных молекул, предшествующие образованию конденсированных углеродных частиц.

На базе осесимметричной проточной кольцевой детонационной камеры реализована длительная непрерывная детонация водородо-воздушной смеси в режиме эжекции воздуха. За это время детонационная волна совершила около 2200 устойчивых оборотов по окружности камеры со скоростью 1.46 км/с.

Экспериментально и теоретически исследованы свойства неидеальной плазмы твердотельной плотности при фемтосекундном лазерном воздействии, структура и динамика разлета лазерного факела в широком диапазоне плотностей энергии.

В кооперации с Kansai Photon Science Institute Japan Atomic Energy Agency (Япония) проведены эксперименты по генерации астрофизически-подобных плазменных струй и аккреционных колонн в плазме килоджоульных наносекундных лазерных импульсов. С пикосекундным временным разрешением получены теневые радиографические рентгеновские квазимонохроматические изображения плазменных струй, изучена их эволюция на временах в несколько десятков наносекунд. Интерпретация экспериментальных данных позволит описать характер и параметры столкновительных и радиационных процессов в плазме в моменты образования и распространения плазменных струй и аккреционных колонн при аккреции вещества на поверхность звезд (белых карликов).

Исследовано взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов высокой мощности с кластерными мишенями, получающимися из смесей атомарных и молекулярных газов. Потоки рентгеновских фотонов и ускоренных ионов, генерируемых в такой плазме, использованы для получения изображений объектов, обладающих внутренней наноструктурой. Зарегистрированы фазово-контрастные и абсорбционные рентгеновские изображения различных наноструктур с субмикронным разрешением. По сравнению с существующими, метод, разработанный в проекте, позволяет получать изображения с субмикронным пространственным разрешением на очень большом поле зрения – до нескольких см2.

Методом импульсного нагрева в волне отрицательного давления получены температурные зависимости кавитационной прочности растворов гелия в жидком аргоне