СКОРОСТЬ ЗВУКА И СЖИМАЕМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Программа № 2 фундаментальных исследований
Президиума РАН
Вещество 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, лазерноплазменным 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;
P, GPa
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.
10
3
10
2
10
1
10
0
10
Nellis et al., 1984
Eggert et al., 2009
Sarov (recent results)
Sarov S=Const (new)
Sarov S=Const (new)
-1
0.04 0.060.080.1
0.2
0.4
0.6 0.8 1
2
4
6
8 10 ,
3
g/cm
1.8
K
1.5
1.2
12
Интенсивность (*10 , фот/(А*с.р.)
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.
0.9
0.6
0.3
0.0
1.50
1.52
1.54
1.56
1.58
o
Длина волны, А
1.60
R
1.0
R
0.9
R
R
0.8
polarized reflectivity index
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.
R
0.7
R
exp
exp
s-wave
p-wave
P calc
P calc
P calc
S calc
las=694nm
L=800nm
21
-3
ne=7.8*10 cm
L=200nm
T=32020 K
pl=2.8 g/cc
ea-collisions
ea-collisions
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
incident angle, deg
60
70
80
90
Скорость поверхности, км/с
LiF Window
LiF Window
Graphite
T
II
3
2.185 г/см , 2.87 мм
1.5
T
Graphite
Исследованы процессы субмикросекундного превращения
графита в алмаз в условиях ударного сжатия
II
3
2.169 г/см , 4.25 мм
1.0
0.5
Прессованный графит ОСЧ-T1,
измерения на границе графит/LiF
0.0
0.0
0.5
1.0
Время, мкс
Сдвиги в базисных плоскостях
затрудняют превращение графит-алмаз.
500
932 K
Al 99.99%
400
0.1 мм
800 K

 1
  A 
300
500 K
300 K
200
932 K
2 мм
Ударная
волна
HEL
100
300 K
 = 10 + 2 lg( ')
0
3
10
4
5
10
6
10
7
10
10
-1
Скорость пласт. деформации, с
20
Откольная прочность, ГПа
Напряжение сдвига, МПа
Проведены исследования температурноскоростных 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.
Al
Предельная прочность
10
8
8 0.2
spall = 0.4 + 3.75(' /10 )
6
4
МД
Ашитков
и др., 2012
Монокристаллы
2
AД1
1
0.8
0.6
Foils
Moshe, Eliezer,
2000
Al 99.99%
Плоский удар
Лазеры и пучки
0.4
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
-1
Скорость деформации, с
10
10
Обзорная камера
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
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