Теоретический отдел ОИВТ РАН
advertisement
Работы теоретического отдела ОИВТ РАН Воробьев В. С. 1. Немного истории. Разговор о создании теоротдела в НИИ ВТ возник в сентябре 1965 года, когда Леон Михайлович Биберман обратился с таким предложением к сотрудникам возглавляемой им группы теоретиков при кафедре физики МЭИ. В состав группы тогда входили: Б.А. Векленко, И.Т. Якубов, Г.Э. Норман, А.Н. Лагарьков, В.С. Воробьев, А.Х. Мнацаканян, А.Н. Старостин, Г.А. Кобзев и некоторые другие. Леон Михайлович Биберман (1915-1998) Теор. группа кафедры фзики МЭИ (1964 г.). Нижний ряд (слева направо) И.Т. Якубов, Б.А. Векленко, Л.М. Биберман, Н. Давыдова, А.Н. Лагарьков; верхний ряд: А.Х. Мнацаканян, А.Н. Старостин, Е. Подпалый, В.С. Воробьев, Г.Э. Норман. Решение было принято и в октябре того же года большинство членов группы стали сотрудниками теоретического отдела НИИ ВТ. Первоначально Л.М. Биберман и все его сотрудники были поглощены единой проблемой – радиационным нагревом космических аппаратов, входящих со сверхзвуковой скоростью в атмосферу Земли или других планет. Раскаленный газ перед головкой аппарата интенсивно излучал, и этот нетрадиционный для того времени вид нагрева в ряде случаев являлся определяющим для выбора тепловой защиты. Проблема радиационного нагрева была сформулирована Л. М. Биберманом в конце 50-х годов. В ее основе лежала развитая несколько ранее теория переноса излучения в спектральных линиях, результатом которой явилось знаменитое интегральное уравнение, известное в литературе как уравнение Бибермана-Хольстейна. Были разработаны основы радиационной газовой динамики, развиты методы расчета радиационных свойств горячих газов, исследованы некоторые вопросы физики интенсивных ударных волн в газах. Результаты этих работ были использованы при проектировании тепловой защиты космических аппаратов в КБ, возглавляемом С.П. Королевым, и в дальнейшем нашли отражение в монографии «Оптические свойства горячего воздуха», вышедшей в свет под ред. Л.М. Бибермана в 1972 году [М1]. Поток ссылок на эту монографию не иссякает до настоящего времени. Параллельно с исследованиями оптических свойств горячих газов Леоном Михайловичем были поставлены принципиальные задачи физики неравновесной низкотемпературной плазмы. Проблема заключалась в том, что, как правило, низкотемпературная плазма, которая используется в качестве рабочего тела газоразрядных приборов, плазмотронов и других устройств современной техники, является неравновесной. Это означает, что населенности возбужденных состояний нельзя рассчитывать по формуле Больцмана, концентрацию электронов – по формуле Саха, а распределение свободных электронов не является максвелловским. Анализ процессов, управляющих движением электрона по энергетической оси, показал, что оно подобно случайному блужданию –диффузии. Необходимо было сформулировать соответствующее ситуации уравнение диффузии. В результате было создано так называемое модифицированное диффузионное приближение (МДП), позволяющее рассматривать низкотемпературную плазму как единую систему возбужденных атомов, электронов различных энергий и ионов различной природы. Такой подход стал традиционным в кинетике неравновесной плазмы и послужил основой известной монографии (Л.М. Биберман, В.С. Воробьев, И.Т. Якубов «Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы») [М2]. Эта монография переведена на английский язык и является одной из основополагающих книг по физике низкотемпературной плазмы, имеющей по сей день высокий индекс цитируемости. График из этой книги (см. рис. 1), отражающий зависимость коэффициента столкновительной тройной рекомбинации для различных элементов, вошел во многие учебники и монографии. Рис. 1. Зависимость коэффициента тройной столкновительной рекомбинации (КТСР) (α) от электронной температуры для различных элементов. При низких температурах КТСР для всех элементов описывается универсальной 9 / 2 зависимостью Te (линия 1), поскольку скорость рекомбинации определяется временем прохождения электроном группы высоко возбужденных водородоподобных состояний (практически одинаковой для всех элементов). При более высоких температурах она уже определяется низколежащими возбужденными состояниями, индивидуальными для каждого атома. Линии 2, 3, 4, 5 и 8, 6, 7 – КТСТ для K, Cs, N, H, He, Ar соответсвенно. Символы: ○ – расчеты Бейтса; экспериментальные данные: Δ, и – для H, а + для He. В последующие годы тематика работ теоретического отдела существенно расширилась. В конце 70-х годов начались исследования по неидеальной плазме, в которых коллективу принадлежит существенная роль. Так, в работе [1] впервые обращено внимание на то, что в неидеальной плазме возможен специфический плазменный фазовый переход. Эта работа породила целый поток теоретических и экспериментальных исследований, и вопрос о фазовом переходе в неидеальной плазме актуален и поныне. Ввиду отсутствия малого параметра, аналитическая теория неидеальной низкотемпературной плазмы наталкивается на большие трудности. В этой связи успешно развивается направление физики, связанное с расчетом различных свойств плазмы при помощи численных методов, таких, как метод Монте-Карло и метод молекулярной динамики. Особенностью этих методов является возможность получения результатов в таких областях параметров, где обоснованные аналитические подходы отсутствуют. Расчеты обычно проводятся для физических моделей, построенных из первых принципов с минимальным количеством допущений. Бурное развитие вычислительной техники позволило решать эти задачи оперативно и без больших затрат времени. Для расчета термодинамических свойств плазмы в качестве основного приближения была предложена псевдопотенциальная модель [М4]. Термодинамические величины для этой модели рассчитывались методами, используемыми для изучения неидеальных классических систем: методом молекулярной динамики и методом Монте-Карло [М6]. Исследования сильно сжатых кулоновских систем представляют собой одну из наиболее интенсивно развивающихся ветвей фундаментальной физики, которая лежит на пересечении физики плазмы, физики конденсированного состояния, атомной и молекулярной физики. К наиболее впечатляющим результатам последних лет можно отнести ионизацию давлением диэлектриков и наблюдение упорядочивания в кулоновских системах («плазменно-пылевые жидкость и кристалл») таких как сильно неидеальная плазма ионов, охлаждаемых до сверхнизких температур лазерным излучением в электростатических и магнитных ловушках, конденсация экситонов в полупроводниках, двумерная кристаллизация электронов на поверхности жидкого гелия, кулоновское «замерзание» коллоидной плазмы, а также исследования пылевой плазмы в наземных условиях и в условиях микрогравитации [М3, М7 – М9]. В работах сотрудников теоретического отдела исследованы особенности кинетического уравнения и уравнения состояния, коэффициенты переноса и оптические свойства неидеальной плазмы. Рассмотрены такие разновидности неидеальной плазмы как плазма многозарядных ионов, приповерхностная лазерная плазма, плазма с конденсированной дисперсной фазой. Исследования последней, начавшиеся еще в 80-е годы по инициативе А.Е. Шейндлина применительно к проектировавшемуся в те годы МГД-генератору на твердом топливе, после того как были экспериментально обнаружены упорядоченные структуры пылевых частиц в плазме радиочастотного разряды, плавно переросли в изучение новой разновидности низкотемпературной плазмы – пылевой плазмы [М9 – М11]. Л. М. Биберман был заведующим теоретическим отделом вплоть до 1988 г. Впоследствии короткое время отделом заведовали С.И. Анисимов и И.Т. Якубов. С 1996 года по настоящее время его возглавляет В.С. Воробьев. Традиции и стиль научных исследований, заложенные Л. М. Биберманом, были продолжены в теоретическом отделе, носящем его имя, и после его кончины. В следующем разделе остановимся более подробно на основных направлениях научных работ ТO. 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, ne ~ 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.) -1 , V 10 -1 5 -2 1 10 -3 10 3 2 4 -4 10 -5 10 1 10 10 2 3 10 -17 10 4 Рис. 2 Зависимость от приведенной напряженности электрического поля E / N ( N -плотность). GN2: 1литературные 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. 2 E/N, 10 Vcm 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. 3. Заключение. Научные направления ТО не исчерпывается вышеприведенными темами. Так в разные годы в ТО исследовались: физика позитрона и позитрония, свойства жидкого гелия, автолокализованные и поверхностные состояния заряженных частиц в криогенных жидкостях, коллоидная плазма, гранулированные среды, cлабо-неидельный Бозе газ и сверхтекучесть и другие. Актуальные физические проблемы обсуждаются на еженедельном семинаре ТО, в работе которого участвуют также сотрудники различных подразделений ОИВТ РАН и других институтов. Теоретический отдел всегда был кузницей высококвалифицированных кадров. За годы руководства отделом Л. М. Биберманом было подготовлено 21 докторов наук. Некоторые из них ныне возглавляют или работают в других научных подразделениях ОИВТ РАН и других институтах (А. Н. Лагарьков, Г. А. Кобзев, Г.Э. Норман, А. Н. , Минц Р.Г., Филинов В. С., Старостин и другие). За последние 10 лет в отделе подготовлено 4 доктора наук и 6 кандидатов наук. Ежегодно публикуется 25 – 30 статей в ведущих физических журналах мира, что содействует повышению научного рейтинга ОИВТ РАН в целом. В настоящее время ТО представляет собой коллектив высококвалифицированных специалистов, способных решать актуальные задачи современной теплофизики, электрофизики, физики плазмы. Исследования, проводимые в отделе, постоянно поддерживаются российскими и международными грантами. Многие сотрудники отдела принимали активное участие в написании статей для Вводного и тематических томов «Энциклопедии низкотемпературной плазмы», издаваемой под редакцией академика В. Е. Фортова. Сотрудники отдела входят в оргкомитеты международных конференций и редколлегий различных журналов. Большое внимание уделяется преподавательской работе. За успешное сочетание научной и преподавательской работы Воробьев В. С. И Храпак А. Г. с 1999 по 2004 годы удостаивались звания «Соросовского профессора». Закончить эту статью хотелось бы ссылками на работы 2009 – 10 годов [24-26], по исследованию поведения веществ в экстремальных условиях. Избранные труды теоретического отдела Монографии 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Авилова И. В., Биберман Л. М., Воробьев В.С., Замалин В.М.,.Кобзев Г.А, Лагарьков А.Н., Мнацаканян А.Х., Норман Г.Э. Оптические свойства горячего воздуха, М.: Наука, 1971. Биберман Л. М., Воробьев В.С., Якубов И. Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М.: Наука, 1982. Ваулина О.С., Петров О.Ф., Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Пылевая плазма: эксперимент и теория. М: Физматлит, 2009 Зеленер Б.В., Норман Г. Э., Филинов В. С., Теория возмущений и псевдопотенциал в статистической термодинамике, М.: Наука, 1981. Коваленко Н.П,. Красный Ю.П, Тригер С.А. «Статистическая теория жидких металлов». М.: Наука, 1990. Норман Г. Э., Замалин В. М. Филинов В. С., Метод Монте – Карло в статистической термодинамике, М.: Наука, 1977. Фортов В. Е, Храпак А. Г., Якубов И. Т., Физика неидеальной плазмы, М.: физматлит, 2004. Фортов В. Е, Якубов И. Т., Неидеальная плазма, М.: Энергоатомиздат, 1994. Храпак А. Г., Якубов И. Т., Электроны в плотных газах и плазме, М.: Наука, 1981. Fortov V.E, Havnes O., Horanyi M., Ivlev A.V., Khrapak A.G., Khrapak S.A., Klumov B.A., Molotkov V.I., Morfill G.E., Petrov O.F., Thomas H.M., Vaulina O.S., Vladimirov S.V., Complex and Dusty Plasmas: From Laboratory to Space. London & New York: CRC Press, 2010. Fortov V.E., Iakubov I.T., Khrapak A.G., Physics of strongly coupled plasma, Oxford, Clarendon Press, 2006. Berkovsky M.A., D’yachkov L.G., Iakubov I.T., Khomkin A.L., Khrapak A.G., Kurilenkov Yu.K., Kobzev G.A., Likalter A.A., Transport and Optical Properties of Nonideal Plasma. Ed. Kobzev G.A., Iakubov I.T., Popovich M.M. New York: Plenum Press, 1995. Обзоры 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Биберман Л. М., Воробьев В.С., Якубов И. Т. Кинетика ударно-радиационной рекомбинации и ионизации УФН, 107, 353 (1972). Биберман Л. М., Воробьев В.С., Якубов И. Т. Низкотемпературная плазма с неравновесной ионизацией, УФН, 128, 233 (1979). Биберман Л. М., Норман Г.Э., УФН, «Непрерывные спектры атомарных газов и плазмы» 91, 2 (1967). Воробьев В.С., Плазма, возникающая при взаимодействии лазерного излучения с твердыми мишенями, УФН, 132, 51 (1993). Ликальтер А. А., Критические точки конденсации в кулоновских системах, УФН, 170, 831, (2000). Муленко И. А., Олейникова Е. Н., Хомкин А. Л. Широкодиапазонная модель неидеальной плазмы сложного состава, Энциклопедия низкотемпературной плазмы, т. 3-1/ под ред. В. Е. Фортова. – М.; Наука, 2004, стр. 277. Фортов В. Е., Храпак А. Г., Храпак С. А., Молотков В.И., Петров О. Ф., Пылевая плазма, УФН, 174, 495, (2004). 8. 9. 10. Храпак А.Г., Якубов И.Т. Электроны и позитроны в плотных газах, УФН 22, 703 (1979). Iakubov I.T. and Khrapak A.G. Self-trapped states of positron and positronium in dense gases and liquids, Rep. Progr. Phys. 45, 697 (1982). Fortov V.E., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Khrapak A.G., Morfill G.E., Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives, Phys. Rep. 421, 1 (2005). Статьи 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. Норман Г. Э., Старостин А. Н., О возможности фазового перехода в плотной невырожденной плазме, ТВТ, 8, 413 (1970). Дьячков Л.Г., Кобзев Г.А. Фотопроцессы с участием нестабильных отрицательных ионов в атомарной плазме. Сб. «Химия плазмы», вып. 8, 1981. М: «Энергоиздат». С. 122–156. Новиков В.Г., Воробьев В.С., Дьячков Л.Г., Никифоров А.Ф. Влияние магнитного поля на излучение неравновесной плазмы водорода и дейтерия. ЖЭТФ, 2001, т. 119, № 3, с. 509–523. Воробьев В.С., Хомкин А.Л Метод канонического преобразования в термодинамике ионизированной плазмы. Теоретическая и математическая физика, 1971, том 8, № 1, с. 109-118. Бониц М., Олейникова Е.Н., Филинов В.С., Фортов В.Е., Муленко И.А., Хомкин А.Л. О возможности фазового перехода в сверхплотном водороде и дейтерии. Физика плазмы, 2001, том 27, № 12, с. 1085-1092. Медведев Ю. В. 2009.. Ионно-звуковой солитон в плазме с конечной температурой ионов. Физика плазмы, 2009. Т. 35. № 1. С. 70-84. Petrin A. B., On the Transmission of Microwaves through Plasma Layer, - IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 28, no. 3, pp. 1000-1008, June 2000. Vorob’ev V. S., Malyshenko S. P. Thermodynamics of phase equilibrium in nonuniform fields, Phys. Rev. E 56 3959 (1997) Воробьев В. С., Малышенко С. П.. Ткаченко С. И., Фортов В. Е. Чем инициируется взрыв проводника с током ?, Письма. в ЖЭТФ, 75, 445, (2002) Vorob’ev V.S., Malyshenko S.P., Regarding molecular superfluid hydrogen, Journ. Phys.: Condenced Matter. 12, 5071, (2000). Vorob’ev V.S., Malyshenko S.P., Thermodynamic equilibrium of water and ice at room temperature under electric field in unbounded media, PRL 96, 075701 (2006). E. Allahyarov, P. Taylor, H. Lowen, Simulation study of field-induced morphological changes in a proton-conducting ionomer, Phys. Rev. E 81, 031805 (2010) Belevtsev A.A., Markovets V.V. Nanosecond breakdown in liquid nitrogen J.Phys.D: Appl.Phys. 2001. V.34, P. L52-L56. Atrazhev V. M., Berezhnov A. V., and Timoshkin I. V.. Electron scattering in atomic liquids: Application to the maximum of electron mobility. Phys. Rev. B 66, 205106 (2002) Зеленер Б.Б., Зеленер Б.В., Маныкин Э.А. Кинетические процессы в неидеальной ридберговской материи, ЖЭТФ, 125, 821, 2004. Zhakhovskii V.V., Molotkov V.I., Nefedov A.P., Torchinskii V.M., Khrapak A.G., and Fortov V.E., Anomalous Heating of a System of Dust Particles in a Gas-Discharge Plasma, JETP Lett. 66, 419 (1997) Дьячков Л.Г., Храпак А.Г., Храпак С.А. Влияние электронной эмиссии на заряд и экранировку макрочастицы в плазме в режиме сплошной среды. ЖЭТФ, 2008. Т. 133. Вып. 1. С. 197–203. Lipaev A.M., Khrapak S.A., Molotkov V.I., Morfill G.E., Fortov V.E., Ivlev A.V., Thomas H.M., Khrapak A.G., Naumkin V.N., Ivanov A.I., Treschev S.E., Padalka G.I., Void closure in complex plasmas under microgravity conditions, Phys. Rev. Lett. 98, 265006 (2007) D’yachkov L.G., Petrov O.F., Fortov V.E., Dusty Plasma Structures in Magnetic DC Discharges. Contrib. Plasma Phys. V. 49. No. 3. P. 134147 (2009). Trigger S.A., Charging Kinetics of Dust Particles with a Variable Mass, Contr. Pl. Phys. V.41, p.331 (2001). 21. 22. 23. 24. 25. 26. Trigger S.A, Zagorodny A.G., Negative Friction in Dusty Plasmas, Contr. Pl. Phys., N5-6, 381 (2003). Fortov V. E., Gavrikov A. V., Petrov O. F., Shakhova I. A., and Vorob’ev V. S., Investigation of the interaction potential and thermodynamic functions of dusty plasma by measured correlation functions, Physics of Plasmas 14, 040705, (2007). Vorob’ev V. S., Petrov O.F., Fortov V. E., Self-Consistent Electric Field Inside Ordered Dust Structures, Phys. Rev. E. 77, 036401, (2008). Molodets A.M., Shakhray D.V., Khrapak A.G., and Fortov V.E., Metallization of aluminum hydride AlH3 at high multiple-shock pressures, Phys. Rev. B 79, 174108 (2009) Vorob'ev V. S., Novikov A. G., Melting line and new metastable state of hydrogen at vtgabar pressure, EPL, 89, 40014 (2010) Bobrov V. B., Trigger S. A., G. J. F. van Heijst and P. P. J. M. Schram, Kramers-Kronig relations for the dielectric function and the static conductivity of Coulomb systems, EPL, 90 (2010) 10003.