авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК в 2011 году I. Основные научные результаты В 2011 г. институты Сибирского отделения продолжали ...»

-- [ Страница 2 ] --

46 2. Основные результаты научных исследований промоделировано возможное экстремальное оптимальных параметров охлаждения, разра (вплоть до радиационных поясов) сжатие маг- ботаны и созданы лазерные системы для суб нитопаузы Земли в результате воздействия на доплеровского охлаждения (рис. 18).

нее сверхмощного коронального выброса сол- В Институте лазерной физики разработа нечного вещества (рис. 17). ны и созданы мобильные фемтосекундные оп Учеными Института лазерной физики в тические часы (рис. 19) с высокой долговре содружестве с учеными Института автоматики менной стабильностью и воспроизводимостью и электрометрии и Института физики полу- всех основных параметров, что важно для проводников им. А. В. Ржанова проведены ис- практического использования.

следования по субдоплеровскому охлаждению Учеными Институтов автоматики и элект атомов магния до температуры порядка 10 мкK рометрии, Органической химии, Лазерной фи для создания нового поколения оптических зики, Теоретической и прикладной механики в стандартов частоты на основе ультрахолодных рамках междисциплинарного проекта разрабо атомов магния в оптических «решетках» с от- таны физические и экспериментальные основы носительной погрешностью частоты / = трехмерной лазерной интерференционной мик = 10–16—10–17. Разработана схема охлаждения ро- и макромодификации светочувствительных на замкнутом переходе 3P2—3D3, проведены сред в режимах линейного и нелинейного теоретические исследования по определению (двухфотонного, двухступенчатого) поглоще а б Рис. 16. Общий вид деформографов ИЛФ СО РАН в местах установки.

Лазерный деформограф на сейсмостанции «Талая» Байкальской рифтовой зоны (а) и лазерный деформограф в штольне «Талгар» (Казахстан) (б).

б а R м/ R d Лазерная плазма Магнитный диполь 0,1 1 Рис. 17. Искусственная магнитосфера, время экспозиции t = 30 нс, радиус диполя –3,75 см, = 3·105 Гc·см (а) и зависимость положения магнитопаузы от параметра при изменении магнитного момента в интервале = 105 107 Гc·см3 (б).

1 — сканирование, 2 — эксперимент.

Физико-технические науки а Оптическая накачка Л5-пробное излучение 458 нм на уровень 3Р2 Часовой переход 3Р0,1 б Триплетная ловушка МОТ Mg-источник Т = 10 мкK 383,8 нм Л3 3P —3D 2 457 нм 383,2 нм Л1 Л2 3P —3D S0—3P1 1 Л4-оптическая «решетка» 432 нм Л1 — полупроводниковая накачка Nd:YVO4 914 нм Л2, Л3 — полупроводниковый лазер 766 нм Л4 — полупроводниковый лазер 864 нм Л5 — полупроводниковая накачка Nd:LuVO4 916 нм Рис. 18. Схема стандарта частоты на основе ультрахолодных атомов Mg в оптической «решетке» (а) и одно частотный полупроводниковый лазер для субдоплеровского охлаждения магния (б).

ния. Опытным путем подтверждена возмож- лой усадкой, фотоиндуцированным изменени ность записи однородных микро- и макроре- ем показателя преломления, механизмами ли шеток во всем светочувствительном объеме нейного и нелинейного поглощения и т. п., изучаемых сред: фотополимерных материалов включая томографические методы исследова и электрооптических кристаллов ниобата и ния их пространственных, в том числе послой танталата лития. Предложены методы синтеза ных, свойств (рис. 20).

«толстых» фотополимерных материалов с ма Рис. 19. Внешний вид мобильных фемтосекундных оптических часов.

48 2. Основные результаты научных исследований Слой 1 А—А 0 5 10 15 A Х мкм A Y – 0 5 10 15 X Слой 10 300 А1—А 0 10 15 Х мкм A1 A1 – 0 5 10 15 Рис. 20. Результаты гетеродинного детектирования матриц микрорешеток, записанных на разных глубинах.

а — томограммы сигнала детектирования слоя 1 (z = 20 мкм) и слоя 10 (z = 110 мкм);

б — распределения амплитуд и фаз сигналов детектирования при сканировании вдоль направлений А—А и А1—А1.

Программа II.8.2. Фундаментальные проблемы взаимодействия излучения с веществом (координатор акад. А. М. Шалагин) Конденсат содержит 105—106 атомов рубидия, Учеными Института лазерной физики раз работана мощная импульсно-периодическая ла- находящихся в сверхтонком состоянии Fg = зерная система генератор—усилитель (рис. 21), основного электронного состояния. Рисунок на основе которой создана уникальная лазерно- демонстрирует проявление конденсации при плазменная установка для вневакуумного (в воз- свободном падении облака атомов. Неконден духе) синтеза функциональных покрытий на сированные атомы (температура атомов 0,6 мкK) металлах и впервые экспериментально показана разлетаются изотропно (левая колонка рисун перспективность разработки ряда высокоэффек- ка;

снимки сделаны с интервалом 5 мс). Кон тивных лазерно-плазменных нанотехнологий. денсированные атомы разлетаются анизотроп Учеными Института автоматики и элект- но (правая колонка): кинетическая энергия атомов в аксиальном направлении 50 пK, рометрии впервые в России получен бозе-эйн штейновский конденсат охлажденных атомов. энергия в радиальном направлении 30 нK.

Физико-технические науки Fe б а Fe нм Интенсивность 0 10 6 4 мкм 4 0 10 20 30 40 50 60 Интенсивность, отн. ед.

в 7000 G 4000 Breathing moda 2000 D G' 0 500 1000 1500 2000 2500 Рамановский сдвиг, см– Рис. 21. Лазерно-плазменная установка на основе импульсно-периодической СО2-лазерной системы генератор—усилитель.

а — внешний вид;

б — рентгеновская дифрактограмма и АСМ-изображение нитрид-углеродного g-C3N покрытия;

в — спектр комбинационного рассеяния и микрофотография массива однослойных углерод ных нанотрубок.

Учеными Института физики полупровод- 1 мм 0,5 мм ников им. А. В. Ржанова на основе эффекта дипольной блокады предложен новый метод детерминированного возбуждения одиночных ридберговских атомов в узлах оптических ре шеток, первоначально загруженных случай ным образом. Обнаружено, что при сильном взаимодействии между атомами освещение N-атомного ансамбля чирпованным (с быст рым изменением частоты) лазерным импуль сом приводит к детерминированному возбуж дению только одного атома с вероятностью, близкой к 1 (рис. 23). Предложенный метод мо жет быть использован для загрузки одиночных атомов в узлы оптических решеток и создания квантовых регистров на нейтральных атомах.

Учеными Института автоматики и элект рометрии совместно с учеными ИВС РАН (г. Санкт-Петербург) созданы новые тепло стойкие хромофорсодержащие полиимиды с высокими нелинейно-оптическими свойствами второго порядка для сверхбыстрых электрооп тических преобразований. Получены рекорд ные значения нелинейно-оптического коэффи циента d33 = 25 50 пм/В в спектральном диа пазоне от 800 до 1500 нм для ряда новых тер мически стабильных хромофорсодержащих Рис. 22. Фото свободного падения облака некон полиимидов в виде тонких пленок (рис. 24). денсированных и конденсированных атомов.

Установлено, что максимум значения d33 сдви- Поясн. см. в тексте.

50 2. Основные результаты научных исследований /(2n) = 2 мГц, /(2n) = 0,5 мГц, а б Чирпованный /(2n) = 1 ТГц/с /(2n) = 0,5 ТГц/с импульс 1, Амплитуда r е ж N = 1 атом N = 1 атом 0, 0, Время Р 0, g 0, Время 1, з и N = 2 атома в г д N = 2 атома 0 0 0 r 0, 0, + r+ r+ Р 0, r– r r– 0, r– g+ 1, g+ к л g+ N = 5 атомов N = 5 атомов 0, g– g– g 0, g– Р 0, 0, Рис. 23. Временная зависимость амплитуды и отстройки чирпованного лазерного импульса 1, м н (а);

дипольная блокада в ансамбле ридбергов- N = 7 атомов N = 7 атомов 0, ских атомов (б);

схема адиабатического возбуж- 0, Р 0, дения ридберговских атомов (в—д);

Расчет 0, ные временные зависимости вероятности воз будить один ридберговский атом из N атомов –4 –2 0 2 4 –4 –2 0 2 для разных параметров чирпованного лазерного Время, мс Время, мс импульса (е—н).

нут в длинноволновую область спектра отно- Notebook. Инструментальная среднеквадрати сительно пика поглощения хромофора, что ческая погрешность измерения абсолютного следует учитывать при создании электроопти- значения ускорения силы тяжести гравимет ром не превышает ±5·10–8 м/с2 (5 мкГал). Раз ческих модуляторов на основе хромофорсо держащих полимеров. работана новая программа контроля лунно-сол В Институте автоматики и электрометрии нечных приливов, позволившая повысить точ разработан и изготовлен полевой лазерный ность измерений. Комплексные испытания гравиметр «ГАБЛ-ПМ» с габаритами 45 50 гравиметра в экспедиционных условиях осу 93 см и весом не более 60 кг (рис. 25). ществлялись в 2009—2010 гг. в Байкальской Управление всеми узлами прибора осуществ- рифтовой зоне на сейсмостанции «Талая» и на ляется с одного портативного компьютера типа гравиметрических пунктах Горного Алтая.

Рис. 24. Дисперсия квадратичного нелинейного коэффициента d33 (символы — экспери ментальные данные на длине волны второй гармоники, сплошная линия — коэффициент экстинкции образца). На врезке показана структурная формула полиимида, содержащего ковалентно связанный хромофор DR-1.

Физико-технические науки Рис. 25. Гравиметр «ГАБЛ-ПМ».

Создание прибора с указанной погреш- высить эффективность гравиметрических и гео ностью и улучшенными эксплуатационными дезических работ в стране.

характеристиками позволит в перспективе по Программа II.8.3. Фундаментальные проблемы оптики и дистанционного зондирования атмосферы (координатор докт. физ.-мат. наук Г. Г. Матвиенко) Учеными Института оптики атмосферы ражающих горизонтальных слоев кристалли им. В. Е. Зуева совместно с учеными ФИАН ческих частиц (рис. 29). Эти слои имеют высо впервые экспериментально установлен и тео- кий коэффициент обратного рассеяния и не ретически подтвержден порог по мощности, вызывают деполяризации отраженного излу необходимой для прохождения филаментом чения. Возникновение аномальных зон на фоне ультракороткого лазерного импульса в воздухе хаотической ориентации частиц обусловлено через фокус оптической системы (рис. 26, а). однородными восходящими потоками, способ Построена физическая модель филамента, ко- ствующими устойчивой левитации кристаллов торая в отличие от известных моделей объяс- и их ориентации в горизонтальной плоскости.

няет феномен прохождения филамента через Заметные отклонения матрицы рассеяния от линейный фокус (рис. 26, б). диагональной формы свидетельствуют о нали В этом же Институте впервые определены чии выраженной азимутальной ориентации оптико-геометрические условия невидимости частиц во всех зонах облака.

отражающих объектов на фоне неба в диапазо- Учеными Института оптики атмосферы не 0,2—0,3 мкм (рис. 27). Также впервые обос- им. В. Е. Зуева совместно с учеными Универ нована возможность применения и реализован ситета г. Ридинг и Лабораторией им. Резер многофакторный физический подход к атмо- форда (Великобритания) впервые в мире экс сферной коррекции спутниковых инфракрас- периментально показано, что континуальное ных изображений, позволяющий в ряде случа- поглощение водяного пара в окнах прозрачно ях кратно повысить эффективность их темати- сти атмосферы ближнего ИК-диапазона на по ческой обработки по сравнению с разработан- рядок величины превышает значения, исполь ной в США (НАСА) технологией (табл. 1, зуемые в современных моделях дистанционно рис. 28). го зондирования атмосферы и предсказаниях Учеными Института оптики атмосферы климата (рис. 30). Данный результат потребует им. В. Е. Зуева первыми в мире выявлено на- переоценки отдельных методик, которые ис личие тонких (десятки метров) зеркально от- пользуют окна прозрачности для дистанцион 52 2. Основные результаты научных исследований а б E 4 мДж Р 57 ГВт E 12 мДж Р 170 ГВт = 70 фс, = 800 нм, E 19 мДж = 10 Гц, Р 270 ГВт Fзеркала = 125 см E 26 мДж Р 371 ГВт в г RI Линейный режим распространения пучка 0,5 Аппроксимация 1 2 контуром моды I, ТВт/см Таунса 10– –0, –1,0 10– 0 0,1 0,2 0,3 Z' –6 –4 –2 0 2 4 y/R Рис. 26. Фотографии филаментов в воздухе при различной энергии в импульсе (а);

фотография структуры пучка на экране на расстоянии 52 см от фокуса зеркала при Е 26 мДж, P 371 ГВт (б) и эволюция по трас се радиуса фокусированного модельного фемтосекундного пучка с числовой апертурой NA = 1,3·103 при его самофокусировке в воздухе (в);

поперечный профиль интенсивности модельного пучка с NA = 1,3· при его самофокусировке в воздухе (г).

в — P/Pкр = 2 (1), P/Pкр = 3 (2), P/Pкр = 12 (3). г — P/Pкр = 3 (1), P/Pкр = 12 (2).

Is 0, Is Iob Контраст –0,2 Is If –0, k Is = Iob + Is1 –0, If = Is –0, 0 5 10 15 20 25 Высота объекта, км SURF Рис. 27. Зависимость контраста объекта на фоне неба от высоты: = 0,3 мкм, SURF = 0,5.

Кривые 1, 2 и 3 соответствуют коэффициенту отражения объекта ob = 0, 0,5 и 1,0.

Физико-технические науки Таблица Эффективность обнаружения из космоса лесных пожаров конкурирующими методами тематической обработки спутниковых изображений Алгоритм Обнаружено всего (раннее обнаружение) ИОА СО РАН 186 (77) NASA, MOD14 98 (37) NASA, MOD14/T 78 (28) NASA, MOD14/A 74 (23) X Тюменская область 25 X2 Количество обнаружений X F8 F F5 F Томская область F9 F F4 F3 F F F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 X1 X2 X Факелы Рис. 28. Эффективность обнаружения из космоса стационарных малоразмерных высокоинтенсивных тепло вых источников (факелов сжигания попутного газа на месторождениях Тюменской и Томской областей) конкурирующими методами тематической обработки спутниковых изображений (1 — МОD14 (NASA), 2 — RTM (ИОA).

11000 S.R.

Дистанция, м 10000 11000 0, d 0, Дистанция, м 0, 0, 0, 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Число пульсаций Рис. 29. Наблюдения кристаллических облаков при круговой поляризации лазерного излучения 19.05.2009 г.

54 2. Основные результаты научных исследований 10 – Cf, см2·молек–1·атм– 10 – 10 – 10 – 10 –27 10 – см– 2000 3000 4000 5000 6000 7000 6 5 4 3 2 мкм Рис. 30. Экспериментально восстановленный в работах Ptashnik et al. (1) спектр континуального поглощения H2O—воздух в сравнении с полуэмпирической моделью MTCKD (2) и теоретической моделью Tipping & Ma (3) на основе крыла линии.

Затененная область показывает погрешность новых данных.

ного зондирования аэрозоля, и некоторых дру- водяным паром в ближнем ИК-диапазоне обу гих метеопараметров, пренебрегая контину- словлен димерами воды, а не далекими крыль альным поглощением. Полученные результаты ями линий мономера, как считается в настоя позволяют также предположить, что домини- щее время.

рующий вклад в континуальное поглощение Физико-технические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.9.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ВКЛЮЧАЯ ОБРАБОТКУ И МОДИФИКАЦИЮ МАТЕРИАЛОВ, ОПТИЧЕСКУЮ ИНФОРМАТИКУ, СВЯЗЬ, НАВИГАЦИЮ И МЕДИЦИНУ Программа II.9.1. Актуальные вопросы оптико-информационных технологий (координатор докт. техн. наук Ю. В. Чугуй) В Конструкторско-технологическом ин- К настоящему моменту проконтролировано ституте научного приборостроения разрабо- несколько десятков тысяч колец.

тана установка промышленного контроля коль- В этом же Институте совместно с учены цевых изделий из керамики (рис. 31). Установ- ми Института автоматики и электрометрии ка позволяет измерять внутренний и наружный разработан и создан круговой 3D лазерный ге диаметры колец, отклонение от соосности со- нератор изображений (ЛГИ) нового поколения ответствующих поверхностей, высоту, плоско- с повышенными точностными и эксплуатаци стность и параллельность торцевых поверхно- онными характеристиками, предназначенный стей с погрешностью 5 15 мкм (в зависимо- для синтеза микроструктур произвольной то сти от параметра). Также она позволяет обна- пологии в пленках фоторезиста, нанесенных на руживать дефекты размером более 0,2 мм на подложку. Экспериментально показано, что торцах изделий и производить автоматическую ЛГИ нового поколения позволяет в обычных разбраковку по видам брака. Время контроля лабораторных условиях производить синтез одного изделия не более 8 с. дифракционных оптических элементов с по Установка прошла производственные грешностью формирования волнового фронта испытания и находится в эксплуатации в менее /100 (рис. 32).

ХК ОАО «НЭВЗ-Союз» (г. Новосибирск).

Рис. 31. Установка «Кольцо».

1 — осветитель телевизионного канала;

2 — лазерный осветитель;

3 — осветитель теневого канала;

4 — позиция загруз ки детали;

5 — манипулятор;

6 — измерительная позиция;

7 — позиции разбраковки;

8 — панель включения;

9 — панель отображения статуса детали;

10, 11 — аппаратные отсеки.

56 2. Основные результаты научных исследований Рис. 32. Пример компьютерного моделирования интерферограммы поверхности дифракционного оптичес кого элемента, изготовленного на ЛГИ. Ошибка волнового фронта менее /100.

Физико-технические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.11.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Программа II.11.1. Электроника больших мощностей, импульсная энергетика (координатор член-корр. РАН Н. А. Ратахин) В Институте сильноточной электроники В этом же Институте впервые в мире соз впервые обоснована возможность реализации дан многоволновый черенковcкий генератор эффективного механизма предыонизации воз- (МВЧГ) гигаваттных СВЧ-импульсов с линей духа атмосферного давления при его пробое в но-поляризованным выходным излучением сильных электрических полях. Теоретически при распределении поля, близком к гауссовому показано, что быстрые электроны, возникаю- (рис. 33).

щие при электрическом пробое воздуха пос- В этом же Институте разработан и создан ле подачи импульса напряжения с коротким компактный уникальный опытный образец фронтом, должны порождать кванты характе- электроразрядной KrF-лазерной системы для ристического K-излучения кислорода с энерги- обнаружения в атмосфере паров взрывчатых ей 525 эВ, которые могут эффективно иниции- веществ, содержащих нитрогруппы (рис. 34, а).

ровать вторичные фотоэлектроны в плотном Использование оригинальной оптической схе газе. Этот механизм предварительной иониза- мы формирования пучка в задающем генера ции газовой среды объясняет наблюдаемую в торе и усиления его в активной среде усилите экспериментах диффузную форму импульсно- ля в условиях, близких к насыщению, позволи го высоковольтного разряда в газах атмосфер- ло достичь рекордных значений энергии вы ного давления, а также быстрое продвижение ходного излучения в спектральном диапазоне стримерного канала атмосферного разряда в 247,5—247,8 нм для данного класса лазеров неоднородном электрическом поле. (рис. 34, б).

а в б py py py X, Y X, Y X, Y Рис. 33. Свечение газоразрядной панели и распределение плотности мощности линейно-поляризованного излучения в вертикальной (сплошная линия) и горизонтальной (пунктирная линия) плоскостях при различ ных положениях дифракционного отражателя.

58 2. Основные результаты научных исследований а б 1, 0, Энергия, отн. ед.

0, 0, 0, 247,5 248,0 248,5 249,0 249,5 250, Длина волны, нм Рис. 34. Внешний вид лазерной системы на несущей раме (а) и энергия выходного излучения (б).

Физико-технические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.12.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКУ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, ФИЗИКУ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ, ФИЗИКУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ И ОСНОВЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ Программа II.12.1. Физика высокотемпературной термоядерной плазмы (координатор акад. Э. П. Кругляков) В Институте ядерной физики им Г. И. Буд- В этом же Институте впервые в мире соз кера на установке ГОЛ-3 при коллективном дан источник отрицательных ионов водорода взаимодействии мощного релятивистского пуч- со стационарным током пучка 25 мА, в кото ка с плазмой зарегистрирована генерация ин- ром моделируются основные закономерности тенсивного излучения на второй гармонике формирования пучка в элементарной ячейке плазменной частоты в терагерцевом диапазоне будущего сильноточного инжектора нейтраль (рис. 35). ных атомов высокой энергии (~1 МэВ) для тер моядерных приложений (рис. 36).

0, 0, U, МВ 0, 0, 275 ГГц Отн. ед.

312 ГГц Отн. ед.

350 ГГц Отн. ед.

0 2 4 6 8 10 Время, мкс Рис. 35. Временная эволюция частотного спектра излучения из плазмы при изменении ее плотности в диапазоне 1,5—3·1014 см–3. Показано напряжение на диоде (вверху) и мощность излучения из плазмы на различных частотах (внизу).

60 2. Основные результаты научных исследований а б в Ток пучка, мА 0 60 120 t, мин Рис. 36. Общий вид стационарного поверхностно-плазменного источника отрицательных ионов (а), пучок отрицательных ионов с током 25 мА и энергией 32 кэВ (б) и осциллограмма тока пучка (в).

Программа II.12.2. Физика низкотемпературной плазмы (координатор докт. физ.-мат. наук Ю. Д. Королев) В Институте сильноточной электроники на установке «СОЛО» (рис. 37) впервые дос тигнуто многократное (до 3,5 раз) повышение усталостной долговечности сталей аустенитно го и мартенситного классов при обработке по верхности материала плотным низкоэнергети ческим электронным пучком субмиллисекунд ной длительности и вскрыты физические ме ханизмы этого явления, заключающиеся в из мельчении зеренной и субзеренной структуры, растворении субмикронных и повторном вы делении равномерно распределенных нанораз мерных частиц карбидной фазы (рис. 38).

Рис. 37. Внешний вид установки электронно-пуч ковой обработки неорганических материалов «СОЛО».

Физико-технические науки а в б 200 нм 100 нм 500 нм Рис. 38. Изображения структуры ячеистой кристаллизации, формирующейся в поверхностном слое стали 08Х18Н10Т, обработанной плотным низкоэнергетическим электронным пучком субмиллисекундной дли тельности: а — сканирующая электронная микроскопия;

б, в — просвечивающая электронная дифракцион ная микроскопия. Стрелками указаны частицы карбида TiC, расположенные по границам ячеек высокоско ростной кристаллизации.

62 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.13.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКУ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, ФИЗИКУ НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, А ТАКЖЕ ФИЗИКУ АТОМНОГО ЯДРА, ФИЗИКУ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ДЕТЕКТОРОВ, СОЗДАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ НЕЙТРОНОВ, МЮОНОВ, СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В НАУКЕ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МЕДИЦИНЕ Программа II.13.1. Физика элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий (координатор акад. А. Н. Скринский) Учеными Института ядерной физики им. ны параметры (2S)- и (3770)-мезонов и ус Г. И. Будкера в эксперименте в международ- тановлено наиболее чувствительное ограниче ном сотрудничестве с Belle (KEK, Япония) в ние на сечение рождения узких резонансов в распадах (5S) впервые обнаружены резонанс- области энергии 2E = 1,85—3,1 ГэВ.

ные состояния с экзотической кварковой струк- В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд турой (рис. 39). кера в эксперименте с детектором СНД на В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- электрон-позитронном коллайдере ВЭПП- кера в экспериментах с детектором «КЕДР» на с рекордной точностью измерено сечение про цесса e+e 0 00 (рис. 40).

ВЭПП-4М с лучшей в мире точностью измере События/(5 МэВ·с2) События/(5 МэВ·с2) 10,40 1045 10,55 10,60 10,65 10,70 10,75 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, M(Y(2S))max', ГэВ/с2 М(+–), ГэВ/с Рис. 39. Распределения по инвариантной массе (2S) (а) и +– (б) систем для событий (5S) (2S) +–.

Точками показаны экспериментальные данные, гистограмма — результат аппроксимации эксперименталь ных данных, заштрихованная гистограмма показывает ожидаемый вклад фоновых событий.

, нБ SND 1,6 SND CMD- 1,4 CLEO DM 1, 1, 0, 0, Рис. 40. Измеренное сечение процесса e+e 0, 00 (черные кружки). Остальные знаки — ре 0, зультаты предыдущих измерений сечения этого процесса.

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2Е, ГэВ Физико-технические науки Программа II.13.3. Физика и техника ускорителей заряженных частиц (координатор член-корр. РАН. В. В. Пархомчук) В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- ВЭПП-2000 достигнуто рекордное значение кера разработан концептуальный проект уско- «параметра встречных пучков» и проведен экс рительного комплекса со встречными элект- перимент с двумя детекторами СНД и КМД-3 в рон-позитронными пучками — Супер Чарм/ диапазоне энергии 1000—2000 МэВ с рекорд Тау-фабрика, вошедший в число шести проек- ной интегральной светимостью (рис. 41).

тов, рекомендованных к рассмотрению Прави- В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд тельственной комиссии по высоким техноло- кера разработана, изготовлена и успешно ис гиям и инновациям по вопросу о создании ус- пытана установка высоковольтного электрон тановок класса «мегасайнс» на территории ного охлаждения протонного пучка с рекорд России. ным темпом охлаждения для немецкого нако В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- пителя COSY (Юлих, Германия) (рис. 42).

кера на электрон-позитронном коллайдере L, 1030 см–2·с– 0 0,05 0,10 0, Рис. 41. Измерения светимости на энергии 537 МэВ Рис. 42. Установка электронного охлаждения в ходе в зависимости от параметра при значении * = 8 см. испытаний в экспериментальном зале ИЯФ СО РАН.

Программа II.13.4. Создание интенсивных источников синхротронного и терагерцевого излучения (координатор акад. Г. Н. Кулипанов) В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- ния на основе ускорителя-рекуператора, яр кера успешно испытан на источнике синхро- кость излучения которого на несколько поряд тронного излучения ALBA-CELLS (Испания) ков превосходит яркость строящихся сейчас в разработанный и созданный в ИЯФ СО РАН Европе и США источников рентгеновского уникальный 119-полюсный сверхпроводящий излучения. Проект входит в число шести про вигглер с рекордной яркостью излучения в об- ектов, рекомендованных к рассмотрению Пра ласти рентгеновского диапазона (рис. 43). вительственной комиссии по высоким техно В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- логиям и инновациям по вопросу о создании кера разработан концептуальный проект рент- установок класса «мегасайнс» на территории геновского источника СИ четвертого поколе- России (рис. 44).

64 2. Основные результаты научных исследований а б Рис. 43. Сверхпроводящий вигглер, установленный на источник СИ ALBA. Идет подготовка к испытанию с пучком (а). Пучок СИ из сверхпроводящего 119-полюсного вигглера с полем 2,1 Тл и током 20 мА на стан ции порошковой дифрактометрии (б).

4 4 5 Рис. 44. Схема рентгеновского источника излучения 4-го поколения МАРС.

1 — электронная пушка;

2 — предварительная ускоряющая секция;

3 — основные ускоряющие секции;

4 — ондуляторы;

5 — поглотитель.

Физико-технические науки ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.14.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АСТРОНОМИИ, АСТРОФИЗИКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА, В ТОМ ЧИСЛЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ, СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ, ПРИРОДА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ И ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ, ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУНЫ И ПЛАНЕТ, СОЛНЦА И СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ, ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКЗОПЛАНЕТ И ПОИСКИ ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ, РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ВНЕАТМОСФЕРНОЙ АСТРОНОМИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ КОСМОСА, КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ Программа II.14.1. Физические процессы на Солнце, в околоземном космическом пространстве и солнечно-земные связи (координатор акад. Г. А. Жеребцов) Учеными Института солнечно-земной фи- конвективной зоны Солнца. Модель основана зики в сотрудничестве с учеными лаборатории на представлении о балансе магнитной спи экспериментальной физики Солнца Стэнфорд- ральности и учете пространственных распре ского университета и Московского государст- делений угловой скорости вращения и турбу венного университета разработана реалистиче- лентной диффузии в конвективной зоне Солн ская численная модель солнечного цикла, ко- ца. Модель конвективного динамо с подпо торая открывает возможность построения дол- верхностным шир-слоем может удовлетворить госрочного прогноза солнечного цикла и ре- всем требованиям по генерации общего маг шения обратных задач по восстановлению па- нитного потока Солнца механизмом динамо раметров магнитной активности в глубине (рис. 45). Данная модель, при учете малых В, Гс 50 Широта, град – – –50 –   0 5 10 15 20 25 r/R В, Гс 0, 0, 0,85 – 0,80 – – 0,75 – 0 5 10 15 20 Время, годы Рис. 45. Диаграммы широтно-временной эволюции полей (цветные линии — напряженность торои дального поля, контуры — напряженность (радиальное поле)) и радиально-временной эволюции на широте 30 (серым — тороидальное поле, контуры — полоидальные поля).

66 2. Основные результаты научных исследований Число Вольфа, нечетный цикл 200 200 150 150 Число Вольфа 100 100 50 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 50 100 150 200 Период, годы Скорость роста, число Вольфа/год Число Вольфа, четный цикл Рис. 46. Статистические свойства циклов по модели (квадратики и красная линия) и по наблюдениям — синяя штриховая линия.

флуктуаций турбулентных параметров генера- ды, а также статистическую взаимосвязь чет ции магнитных полей способна количественно ных и нечетных солнечных циклов (рис. 45).

воспроизвести все известные статистические В Институте солнечно-земной физики по свойства солнечного цикла, в частности, эф- казано, что в магнитосфере Земли имеется фекты Вальдмайера, связь периода и амплиту- единый генератор магнитосферных токов, а не три независимых генератора, как считалось до настоящего времени (рис. 47). Результаты вно сят принципиальные изменения в существую щую концепцию системы электрических токов I, кА а в возмущенной магнитосфере и ионосфере.

В этом же Институте на основе 50-летнего ряда измерений максимальных плазменных I1– 4500 I0– + I2– частот ионосферы установлено, что характери – стики колебаний с периодами планетарных волн в вариациях максимальных плазменных частот ионосферы (fоF2) в Азиатском регионе, 0200 0230 0300UT определенные по данным, полученным в тече I, кА б ние 1958—2008 гг., зависят от сезона, фазы I1– – 11-летнего цикла солнечной активности. Вол новая активность наиболее выражена летом и в 3500 I0+ + I2+ периоды равноденствия, а их амплитуды мак симальны в годы максимумов солнечной ак 0200 0230 0300UT тивности (рис. 48). Найдена положительная I I, кА в I корреляционная связь между частотами появ 1000 ления колебаний с периодами планетарных 500 волн в ионосфере и с вариациями температуры 0 нижней атмосферы.

–500 В Институте солнечно-земной физики –1000 создан и введен в действие цифровой спектро I –1500 поляриметр диапазона 2—24 ГГц, предназна –2000 ченный для измерений микроволнового спект 0200 0230 0300UT ра излучения солнечных вспышек (рис. 49).

02.08. Данные спектрополяриметра необходимы для Рис. 47. Изменения в ходе магнитосферного воз- идентификации механизмов радиоизлучения мущения 02.08.2002 интенсивности продольных плазмы солнечных вспышек, диагностики па токов зоны 1 (сплошные линии) и суммы интенсив раметров ускоренных частиц. Достигнутые ха ностей зон 0 и 2 (штриховые линии).

рактеристики спектрополяриметра выше, чем у а — утренний сектор, б — вечерний сектор, в — разности существующих аналогичных инструментов на интенсивностей втекающего и вытекающего токов в каж российских и зарубежных обсерваториях.

дой из зон 1, 2 и 0.

Физико-технические науки 12, А, МГц 10,0 1, 1, Период Т, сут.

7, 0, 0, 5, 0, 0, 2, 1958 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 Годы Рис. 48. Межгодовая изменчивость амплитуд колебаний максимальных плазменных частот ионосферы foF2 с периодами 2—12,5 суток в Азиатском регионе в 1958—1994 гг.

Рис. 49. Антенны спектрополяриметра.

Верхняя, диаметром 0,9 м — радиометр 12—24 ГГц. Нижняя, диаметром 1,8 м — радиометр 2—12 ГГц. В рабочее зда ние микроволновый сигнал передается по широкополосной оптоволоконной линии. Управление ведением антеннами, количеством спектральных каналов, временем накопления сигнала автоматизировано. Измеряются обе компоненты кру говой поляризации. При наблюдениях Солнца параллельно на 16 частотах с временным разрешением 1 с чувствитель ность не хуже 10–22 Втм–2Гц–1.

68 2. Основные результаты научных исследований Программа II.14.2. Актуальные проблемы физики космических лучей и гелиосферы (координатор член-корр. РАН Е. Г. Бережко) В Институте космофизических иссле- роких атмосферных ливней (ШАЛ) измерений дований и аэрономии им Ю. Г. Шафера на ос- глубины максимума развития ШАЛ, порож нове выполненных на Якутской установке ши- даемых в атмосфере протонами космических лучей, впервые получена оценка сечения неуп ругого взаимодействия протонов с ядрами ато 102 103 104 105 Fц. м, ГэВ мов воздуха p-air в области сверхускоритель 700 Эксперимент Yakutsk ных энергий 1015—1019 эВ (рис. 50).

Fly’s Eye БАК В этом же Институте на основе разрабо Tevatron 600 HiFles Narlkura танной ранее теории ускорения космических EAS-TOP p–air, мбарн ARGO-YBJ 500 лучей в остатках сверхновых выполнены рас Akeno четы потока гамма-излучения, ожидаемого из PAO Tevatron 400 остатка SN 1987А (рис. 51). Поскольку поток гамма-излучения в ТэВ-ной области энергий, 300 Теория ожидаемый в ближайшие 5—10 лет, превысит QGSJETO1c SIBYLL 2. порог чувствительности гамма-телескопа HESS, EPOS-1. остаток SN 1987А включен в программу на 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 блюдений установки HESS. Регистрация гам Е, эВ ма-излучения SN 1987А позволит существенно уточнить набор физических параметров объек Рис. 50. Сечение неупругого взаимодействия про тонов с ядрами атомов воздуха p-air в зависимости та SN 1987А и картину его эволюции.

от энергии протонов Е (Ец.м — энергия протонов в Учеными Института космофизических ис системе центра инерции сталкивающихся частиц). следований и аэрономии им Ю. Г. Шафера Помимо экспериментальных данных, полученных экспериментально установлено явление значи на Якутской установке ШАЛ, приведены данные тельного возрастания потока нейтронов в при других установок и данные ускорителя Тevatron, а земном слое атмосферы во время грозовых раз также результаты расчетов, выполненные в рамках рядов, когда напряженность приземного элект трех различных моделей адронных взаимодействий.

рического поля превышает значение 15 кВ/м Стрелками показаны значения максимальных энер (рис. 52), что свидетельствует о генерации в гий, доступных ускорителям Тevatron и Большой грозовых разрядах частиц МэВ-ных энергий.

адронный коллайдер (БАК).

HESS –0,5 2 logE, эВ·см–2·с– N, имп./мин –1, 4 –12 –14 –16 –18 – –1, Е, кВ/м 8 9 10 11 12 13 Рис. 52. Темп счета нейтронного монитора в Якут logE, эВ ске как функция скачка напряженности приземного Рис. 51. Интегральный поток гамма-излучения F, электрического поля во время грозового разряда ожидаемый из остатка SN 1987А для четырех по- 26.06.2010 г. (14—15 ч местного времени).

следовательных эпох, как функция энергии гамма квантов. Приведены значения верхних пределов, полученных гамма-телескопом HESS.

Года: 2010 (1), 2030 (2), 2060 (3), 2090 (4).

Науки о жизни НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 262 Список сокращений Нанотехнологии и информационные технологии ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.6.

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, В ТОМ ЧИСЛЕ КВАНТОВОЙ МАКРОФИЗИКИ, МЕЗОСКОПИКИ, ФИЗИКИ НАНОСТРУКТУР, СПИНТРОНИКИ, СВЕРХПРОВОДИМОСТИ Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология (координатор член-корр. РАН А. В. Латышев) В Институте физики полупроводников кальных размеров после проведения государ им. А. В. Ржанова на основе знаний об элемен- ственных испытаний внесен в Государствен тарных структурных процессах на поверхности ный реестр средств измерений. Эта разработка кристалла разработаны комплекты высокоточ- позволила изготовить серию тест-объектов на ных мер вертикальных размеров в диапазоне основе ступенчатых поверхностей кремния для 0,31—31 нм с погрешностью во всем интерва- калибровки нанометровых размеров прецизи ле измерений менее 0,05 нм (рис. 1). Разрабо- онного оборудования.

танный комплект высокоточных мер верти 5 15 25 35 45 б а Количество точек, ед.

0 2 Высота, нм Рис. 1. Фазовое изображение участка поверхности комплекта с мерой 18,53 нм (а). Спектр высот меры (б) демонстрирует множество пиков, соответствующих отдельным атомно-гладким террасам между моноатом ными ступенями, перепад высот между максимальными пиками составил величину 18,53 ± 0,05 нм, что со ответствует высоте 59 моноатомных ступеней на поверхности кремния.

72 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.7.

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СТРУКТУРЫ, В ТОМ ЧИСЛЕ ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ, ГРАФЕНЫ, ДРУГИЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ, А ТАКЖЕ МЕТАМАТЕРИАЛЫ Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор член-корр. РАН А. В. Двуреченский) В Институте физики полупроводников обработки графена или многослойных графе им. А. В. Ржанова предложена и реализована новых структур в 5%-м водном растворе пла технология создания флуорографена путем виковой кислоты. Обнаружен резкий по вре мени переход металл—диэлектрик при обра ботке в течение некоторого времени ttr (рис.2).

1012 Исследованы изменения в морфологии по ttr 1 верхности в зависимости от времени обработ ки и показано, что для времен t ttr наблюдает 1010 3 HF ся формирование непроводящей сетки с рель Сопротивление, Ом 4 нм ефом несколько нанометров. Для времен t ttr 2, 1, 108 наблюдается формирование гофрированной поверхности с периодом порядка 200—300 нм и высотой 4—10 нм. Увеличение времени об 106 работки приводит к уменьшению периода и 700 увеличению высоты рельефа.

300 0 100 нм 104 Найдено, что предварительная обработка IPA + HF структур в изопропиловом спирте (линия IPA + HF на рис. 2) подавляет взаимодействие с ионами фтора, приводящее к формированию 0 2 4 6 8 10 12 14 t, мин флуорографена. Это обеспечивает возможнос Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления ти для локального перевода графена в флуоро мультиграфена от времени обработки в 5%-м вод графен и открывает новые интересные пер ном растворе плавиковой кислоты. Толщина муль спективы использования функционализации тиграфена, нм: 6 (1), 5 (2), 3 (3), 4 (4). Линия IPA + графена в водном растворе плавиковой кисло + HF соответствует структуре, подвергнутой пред варительной обработке в изопропиловом спирте. ты для дизайна приборных структур.

Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор докт. техн. наук Н. Н. Коваль) В Институте сильноточной электроники ванного слоя интенсивным импульсным элект разработан способ формирования нано- и суб- ронным пучком микро- и субмиллисекунд микрокристаллической (размер кристаллитов ной длительности. Характерное изображение 20—300 нм) многофазной структуры несме- структуры поверхностного слоя, формирующе шиваемых компонентов (например, железо— гося при таком способе обработки, приведено медь). Метод заключается в жидкофазном ле- на рис. 3. Псевдосплавы Fe—Cu имеют более гировании поверхности стали продуктами высокую коррозионную стойкость во влажной электрического взрыва медной фольги с по- атмосфере и в растворах солей, чем литая следующим импульсным плавлением легиро- сталь, обладают повышенной демпфирующей Нанотехнологии и информационные технологии вв а б 200 нм 100 нм Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей обработке высокоинтен сивным электронным пучком.

а — светлое поле;

б — микроэлектронограмма;

в — темное поле, полученное в рефлексе [002]Cu. Стрел ками указано: на а и в прослойки меди, на б — рефлекс, в котором получено темное поле в.

способностью при вибрационном нагружении, лученные результаты могут найти применение самосмазкой в условиях сухого трения, элект- при модернизации поверхностей ответствен роэрозионной стойкостью и износостойкостью ных деталей авиакосмической техники, маши при работе в качестве электроконтактов. По- ностроения и электроэнергетической отрасли.

Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор акад. Ф. А. Кузнецов) В Институте лазерной физики проведены существенного увеличения выходной лазерной спектроскопические и генерационные иссле- мощности, поскольку порог разрушения ком дования новых активных элементов — компо- позитных кристаллов значительно выше, чем у зитных кристаллов калий-лютециевых вольф- монокристаллических тонких слоев, которые раматов, активированных тулием. Такие ком- широко используются в дисковых лазерах. На позитные структуры представляют собой от- композитных кристаллах была получена мощ носительно тонкие кристаллические пленки с ность около 6 Вт в непрерывном режиме, пока РЗМ-ионами, эпитаксиально нарощенные на зана возможность повышения выходной мощ кристалл (матрицу) с близкими параметрами ности до 50 Вт в инфракрасном диапазоне, на кристаллической решетки. Основным преиму- длине волны около 2 мкм.

ществом этих структур является возможность 74 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ II.13.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, ВКЛЮЧАЯ ФИЗИКУ НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, А ТАКЖЕ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА, ФИЗИКИ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ДЕТЕКТОРОВ, СОЗДАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ НЕЙТРОНОВ, МЮОНОВ, СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В НАУКЕ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МЕДИЦИНЕ Программа II.13.5. Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцевого излучения на электронных пучках (координатор докт. физ.-мат. наук Н. А. Мезенцев) В Институте ядерной физики им. Г. И. Буд- излучения накопителя ВЭПП-3 реализован ме кера впервые в мире на пучке синхротронного тод контроля образования и роста наночастиц конденсированной фазы продуктов химичес 100 кой реакции детонации во время взрыва с на 3 носекундным временным разрешением (рис. 4).

Как правило, это наночастицы алмаза и графи та. Ранее экспериментальные данные о присут Размер, нм ствии конденсированной фазы как в зоне хи мической реакции, так и в зоне разлета про дуктов детонации были недоступны из-за от сутствия адекватных экспериментальных ме тодов, что приводило к проблемам построения модели исследуемых физико-химических про цессов и ошибке определения параметров де 0 1 2 3 тонации взрывчатых веществ. Эти ошибки за Время, мкс трудняли конструирование устройств спецтех Рис. 4. Зависимость размеров конденсированных ники с использованием новых взрывчатых ве частиц углерода (алмаза) при детонации ТГ50/ ществ. Работа выполнена совместно с Инсти (1), ТАТБ (2) и БТФ (бензотрифуроксана) (3) от тутом химии твердого тела и механохимии и времени. Впервые измерены в динамике столь Институтом гидродинамики им. М. А. Лав большие размеры частиц (в БТФ) в детонационных реньева.

процессах.

Нанотехнологии и информационные технологии ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ V.37.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ МАТЕРИАЛОВ, ВКЛЮЧАЯ НАНОМАТЕРИАЛЫ Программа V.37.3. Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы член-корр. РАН В. И. Бухтияров, член-корр. РАН Н. З. Ляхов) В Институте химии твердого тела и меха- лочка являются перспективными материалами нохимии показана возможность модификации для практического применения, например наночастицами благородных металлов инкап- в каталитических реакциях, а в медицине — сулированных в оболочки аморфного углерода для адресной доставки лекарственных средств.

наночастиц серебра с использованием реакции Можно ожидать, что эффект осаждения Au и гальванического замещения. Благодаря прони- Pt на углеродной поверхности капсул будет цаемости углеродных оболочек для ионов се- характерен не только для инкапсулированных ребра обработка растворами HAuCl4 и H2PtCl6 частиц серебра, но и для других металлов. Об сопровождается осаждением на внешней по- наруженный факт открывает широкие пер верхности углеродных капсул наночастиц бла- спективы направленного получения и конст городных металлов (рис. 5). Наноструктуры на руирования композиционных наноматериалов основе благородных металлов типа ядро—обо- различного состава.

Наночастицы Pt или Au – PtCl – PtCl6 Ag+ + Cl– AgCl e e Углерод Ag+ + Cl– AgCl e e Ag+ Ag+ Ag+ – PtCl Ag+ e H2PtCl Ag+ – PtCl6 e Серебро Ag+ HAuCl Ag+ Ag+ – e PtCl e – PtCl6 e e Ag+ + Cl– AgCl – PtCl Ag+ + Cl– AgCl Рис. 5. Схема, иллюстрирующая образование наночастиц платины или золота при обработке инкапсулированных углеродом частиц серебра.

76 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ IV.29.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ, CALS-ТЕХНОЛОГИИ, МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ Программа IV.29.1. Теоретические основы и методы информационных и вычислительных технологий проектирования и принятия решений (координаторы акад. Ю. И. Шокин, член-корр. РАН В. В. Шайдуров) В Институте автоматики и электрометрии параметров моделируемого автомобильного по разработана имитационная модель поведения тока согласно заданным условиям. Тестирова плотных автомобильных потоков на сети дорог ние показало адаптивность модели к задавае для реалистичной визуализации дорожной об- мым условиям на дороге при плотном автомо становки в автомобильных тренажерах. Пред- бильном потоке (до 80 автомобилей в области ложенные алгоритмические решения обеспе- видимости) и возможность визуализации в ре чивают стабильность, предсказуемость и уп- альном времени (рис. 6). Модель может ис равляемость в широком диапазоне параметров. пользоваться в системах планирования и орга Для функционирования модели вводятся конт- низации дорожного движения в качестве легко рольные точки для регистрации и коррекции конфигурируемого тестового инструмента.

Рис. 6. Пример виртуальной сцены дорожной ситуации (слева — плотный автомо бильный поток у пункта оплаты въезда на мост, справа — разреженный при сво бодном проезде).

Нанотехнологии и информационные технологии ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ IV.31.

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ И ИНТЕГРИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ.

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ GRID Программа IV.31.1. Фундаментальные основы и прикладные аспекты вычислительных и информационных технологий, в том числе технологий на базе GRID, в интегрированных информационно-телекоммуникационных системах и сетях (координаторы акад. Ю. И. Шокин, акад. И. В. Бычков) В Институте вычислительных технологий дексирования текстов составных ключевых разработаны модели и эффективные алгорит- термов (рис. 7, а). Предложена технология из мы кластеризации русскоязычных текстовых влечения фактографической информации из документов научной тематики, основанные на научных документов произвольной структуры использовании в процессе координатного ин- (рис. 7, б). Разработан алгоритм автоматизиро 50 а Количество документов 4 0 418 236 114 364 391 319 297 10 153 245 432 435 375 81 148 25 342 Номер центроида б Рис. 7. Распределение документов по результирующим кластерам (20 кластеров) (а) и внешний вид навигационной системы (б).

78 2. Основные результаты научных исследований ванного извлечения из текста документа гео- алгоритм кластеризации, который может па графических названий, отражающих его со- раллельно выполняться на нескольких вычис держание. Для задачи кластеризации множест- лительных узлах.

ва документов научной тематики разработан Программа IV.31.2. Новые ГИС- и веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия (координаторы акад. Ю. И. Шокин, акад. И. В. Бычков) В Институте динамики систем и теории томатных отображений, моделирующих дина управления разработан и реализован программ- мику генных сетей.

ный комплекс Transalg, основное предназна- В Институте систем энергетики им.

чение которого состоит в преобразовании про- Л. А. Мелентьева разработан подход к созда цедурных описаний дискретных функций в нию технологии интеллектуальной поддержки системы булевых уравнений (рис. 8). Новизна принятия решений в исследованиях и обеспе данного подхода заключается в использовании чении энергетической безопасности, вклю специализированного проблемно-ориентиро- чающий методику совместного использования ванного языка ТА для исходного представле- онтологического, когнитивного и событийного ния алгоритмов. В отличие от известных ре- моделирования и методику когнитивного мо зультатов по булеву моделированию, данный делирования. Подход основан на концепции подход предоставляет единый способ описания интеллектуальной информационной среды, широкого класса дискретных систем булевыми поддерживающей пространство знаний и ин уравнениями. В комплексе Transalg поддержи- тегрирующей инструментальные средства для вается вывод итогового кода алгоритма в раз- анализа прецедентов чрезвычайных ситуаций.

личных форматах. Программный комплекс ус- Подход использован для создания информаци пешно применен к исследованию некоторых онных систем, которые применяются прави криптографических функций и дискретно-ав- тельством Иркутской области.

Генерация, Задачи с непроцедурными постановками перехват и обработка Программа Задача 0-1-ЦЛП исключительных Задача QAP на языке ТА в LP-формате ситуаций Модуль Модуль Модуль синтаксического преобразования преобразования разбора и интерпретации 0-1-ЦЛП в СБУ QAP в СБУ ТА-программ БИБЛИОТЕКА СЕМАНТИЧЕСКИХ ПОДПРОГРАММ (символьное исполнение операторов языка ТА) Словарь Модуль оптимизации Модуль преобразования термов систем булевых к нормальным формам уравнений Полиномы над LS КНФ AIG полем GF(2) Рис. 8. Схема работы программного комплекса Transalg.

Нанотехнологии и информационные технологии ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ IV.32.

АРХИТЕКТУРА, СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ И СЕТЕЙ НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ.

СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ Программа IV.32.1. Архитектура, информационная безопасность, системные решения и программное обеспечение информационно-вычислительных систем новых поколений (координаторы член-корр. РАН В. Г. Хорошевский, член-корр. РАН В. В. Шайдуров) В Институте вычислительных техноло- ной системы, содержащей четыре германиевых гий и Институте физики полупроводников им. пирамидки разных размеров. Расстояние меж А. В. Ржанова проведено численное моделиро- ду основаниями пирамидок на нижнем слое вание структур твердотельных базовых эле- равно 20 атомарным слоям, а на верхнем ментов квантового компьютера, ориентиро- слое — 60 атомарным слоям.


ванных на работу с электронными спиновыми На рис. 10 представлено распределение состояниями квантовых точек Ge/Si. Для мо- потенциальной энергии электрона в кремнии для 100 долин для структуры, которую можно делирования полей упругих деформаций ис пользовались метод сопряженных градиентов рассматривать как возможный прототип по и атомистическая модель на основе потенциала следовательного восьмиразрядного квантового Китинга. Рассчитаны пространственные рас- регистра. Здесь период вдоль вертикального пределения плотности энергии деформации и направления (ось z) равен 32 атомарным слоям.

потенциальной энергии электронов для разных Наибольшая глубина потенциальной ямы со долин, формирующих дно зоны проводимости ставляет –132,69 мэВ.

кремния. В Институте вычислительных технологий На рис. 9 представлено распределение выполнено математическое моделирование плотности энергии деформации для двухслой- импульсного волоконного лазера на основе z x Энергия/атом, мэВ 3,603· 1,065· 2, 3,505·10– 2,332·10– 2,268·10– Рис. 9. Распределение плотности энергии деформации в цен тральном сечении двухслойной системы, содержащей четыре пирамидки разных размеров.

80 2. Основные результаты научных исследований z x Потенциальная энергия электрона в [100] долине кремния, мэВ –0, –0, –3, –15, –50, –132, Рис. 10. Распределение потенциальной энергии электрона в крем нии для 100 долин в центральном сечении кластера с восе мью пирамидками.

кольцевого резонатора и насыщающегося по- растет с увеличением длины пассивного свето глотителя. Расчеты проводились для длин пас- вода. При этом длительность импульсов с уве сивного световода, лежащих в интервале от личением длины пассивного волокна возраста 10 м до 2 км. В этом интервале установлено ет на три порядка (от нескольких пикосекунд существование устойчивых одноимпульсных до нескольких наносекунд).

режимов генерации, энергия которых линейно МЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА Механика и энергетика ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.15.

ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В РЫНОЧНЫХ УСЛОВИЯХ, ВКЛЮЧАЯ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОНОМИКИ И ГЛОБАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИКИ;

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ;

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ТОПЛИВ Программа III.15.1. Теоретические основы обоснования развития систем энергетики и управления ими (координатор член-корр. РАН Н. И. Воропай) В Институте систем энергетики им. мення диаграмма взаимосвязанных этапов Л. А. Мелентьева разработаны концепция и оценивания, прогнозирования и управления, теоретические основы оперативного и проти- структура интеллектуальных методов решения воаварийного управления интеллектуальными соответствующих задач и эксперимент на ап электроэнергетическими системами (ЭЭС). паратно-программном комплексе (установлен Методические основы и положения концепции в институте) по управлению нормальными и использованы при подготовке ряда стратеги- аварийными режимами ЭЭС.

ческих документов для ОАО «ФСК ЕЭС» по В том же Институте разработана методика заказу Минэнерго РФ. На рис. 1 показаны вре- расчета динамики теплогидравлических режи Рис. 1. Концепция оперативного и противоаварийного управления интеллектуальными электроэнергетичес кими системами (ЭЭС).

84 2. Основные результаты научных исследований мов, в том числе при многоступенчатом отпус- том настраиваемых параметров и соответст ке тепла. Созданы аналитические модели веро- вующих затрат в тепловую сеть.

ятностного потокораспределения в гидравли- На основе специализированных моделей ческих цепях с сосредоточенными параметра- ТЭК исследована возможность появления де ми. На этой основе предложена общая схема фицита в первичных топливно-энергетических вероятностного расчета режимов работы тру- ресурсах (ТЭР) страны к 2014—2015 гг. Пока бопроводных систем, обеспечивающая резкое зано, что даже при умеренных темпах развития сокращение трудоемкости по сравнению с тра- экономики России перспективы обеспечения диционными методами имитационного моде- ее потребностей в первичных ТЭР нельзя счи лирования при сохранении требуемой степени тать удовлетворительными и к 2014—2015 гг.

адекватности результатов (рис. 2). может возникнуть дефицит в первичных ТЭР.

Созданы структурные и математические Без кардинальных мер по нейтрализации стра модели источников тепла, методы оптимиза- тегических угроз энергетической безопасности ции функционирования источников на тепло- невозможно обеспечить темпы экономическо вом рынке. Данный инструментарий, основан- го роста России выше 3—4 % в год.

ный на идее иерархического взаимодействия В Институте физико-технических проблем участников рынка тепловой энергии и теории Севера им. В. П. Ларионова проведена клас оптимизации с экстремальными ограничения- сификация инвестиционных проектов Нефте ми, позволяет определять оптимальный уро- газового центра Восточной Сибири и Респуб вень загрузки источников в течение года с уче- лики Саха (Якутия), планируемых к реализа (P Pтр) Pизб Узел Рис. 2. Вероятностный анализ потокораспределения и обеспеченности потребителей водопроводной сети м-на Солнечный г. Иркутск в час максимального водопотребления.

— вероятность;

Р, Ртр, Ризб = P – Ртр — давление, минимально необходимое и избыточное давления в узле потребле ния;

P — математическое ожидание узлового давления.

Механика и энергетика ции на территории Якутии, по масштабности ней и т. д. Выполнен предварительный анализ проектов, срокам строительства, поставкам на экономической эффективности инвестицион внешний рынок, сроку окупаемости, влиянию ного мегапроекта по освоению Чаяндинского на занятость населения, на бюджеты всех уров- НГКМ Республики Саха (Якутия).

Программа III.15.2. Системные исследования эффективных энергетических технологий и установок (координатор докт. техн. наук А. М. Клер) В Институте систем энергетики им. В том же Институте выполнено системное Л. А. Мелентьева разработана методика опти- сопоставление технологий малой распределен мизации режимов работы теплофикационных ной энергетики (рис. 3). Технологии ранжиро энергетических установок с учетом перемен- ваны по степени проникновения на рынок, ис ного в течение года характера тепловых нагру- следованы условия, определяющие их совре зок, что актуально для когенерационных паро- менную конкурентоспособность. По сумме газовых установок, осуществляющих комби- двух групп критериев технологии подразделя нированное производство электрической и те- ются на три категории, характеризующие сте пловой энергии. Получены оптимальные кон- пень проникновения данной технологии на структивные характеристики установки и ее рынок либо близость к началу такого проник показатели по шести характерным режимам. новения: а) коммерческие технологии — тех Показано, что цена электроэнергии паротур- нически отработанные и пользующиеся спро бинной миниТЭЦ, сжигающей древесную био- сом;

б) зрелые технологии — технически осво массу, будет ниже цены электроэнергии ди- енные, однако не вполне соответствующие зельных станций в 1,5—2 раза. спросу;

в) развивающиеся технологии — не Кондиционеры Зрелые технологии высокий Сжигание ГПД Сжигание угля ГТУ Совместное ТБО сжигание МиниГЭС ТНУ биомассы Сжигание биомассы ПГУ на газе Уровень развития технологии Si-ФЭП ВЭУ ГеоTНУ на суше ВЭУ Коммерческие АСММ на море технологии ПГУ на угле ТП-ФЭП ТЭ Источник: ИСЭМ СО РАН Газификация биомассы Пиролиз биомассы Нано-ФЭП низкий Развивающиеся технологии Уровень развития рынка низкий высокий Рис. 3. Сопоставление технологий по степени проникновения на рынок.

ФЭП — фотоэлектронные преобразователи, АСММ — атомные станции малой мощности, ВЭУ — ветровые энергоустановки, ТНУ — теплонасосные установки, ПГУ — парогазовые установки, ГТУ — газотурбинные установки, ГПД — газо поршневые двигатели.

86 2. Основные результаты научных исследований достаточно освоенные для формирования рын- тиц для применения в перспективных водоох ка. Результаты исследования направлены лаждаемых реакторах, в том числе кипящего на выработку научно-технической политики типа. Показано, что достижение условий запи в сфере развития энергетических технологий. рания потока происходит в выходных слоях Найдены условия достижения критичес- засыпки, где из-за падения давления по высоте ких режимов течения адиабатного потока па- слоя идет увеличение объема и скорости тече роводяной смеси различного паросодержания ния пароводяной смеси.

через плотноупакованные слои шаровых час Механика и энергетика ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.16.

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ;

ТЕПЛОМАССООБМЕН, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА, НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА И ТЕХНОЛОГИИ НА ЕЕ ОСНОВЕ Программа III.16.1. Теплофизические основы энергоэффективных технологий (координаторы член-корр. РАН С. В. Алексеенко, докт. техн. наук А. П. Бурдуков) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- основании чего разработаны таблицы справоч теладзе проведено экспериментальное иссле- ных данных и оценены их погрешности. Таб дование плотности и теплового расширения лицы термических свойств чистых висмута, твердых и жидких сплавов легкоплавких ме- свинца, олова, галлия, индия, магния, а также таллов, предлагаемых в качестве теплоносите- сплавов Bi–Pb, Sn–Pb, Ga–In, Mg–Pb эвтекти лей для ядерных энергетических установок ческого состава аттестованы и опубликованы нового поколения, бланкетов термоядерных Государственной службой стандартных спра реакторов, а также в качестве альтернативы вочных данных о физических константах и токсичным свинцовосодержащим пропоям. свойствах веществ и материалов (ГСССД) как Получены надежные данные по плотности и стандартные справочные данные. Новые на коэффициентам теплового расширения спла- дежные систематизированные данные по свой вов в твердом и жидком состояниях, а также по ствам сплавов легкоплавких металлов могут объемным изменениям при фазовых перехо- служить научной базой для оптимизации тех дах. Для ряда систем построены концентра- нологии использования этих материалов в но ционные зависимости термических свойств вой технике и энергетике.


(рис. 4). Измерены температурные и концент- В том же Институте запущен в эксплуата рационные зависимости коэффициентов вза- цию крупномасштабный стенд факельного имной диффузии в жидких системах Mg–Pb, сжигания углей различной степени метамор Sn–Pb, Bi–In, Bi–Sn, Ag–Sn. Многие экспери- физма (рис. 5). Проведенные системные опыты ментальные результаты получены впервые, на по воспламенению и горению кузнецких углей, сжигаемых на Беловской ГРЭС, позволили раз работать и передать заказчику техническое за 2, Мольный объем, 10–5 м3/моль 1, 1, 1,7 1, 0 20 40 60 80 Концентрация, ат.% Pb Рис. 4. Концентрационная зависимость мольного объема жидкой системы Mg–Pb при 950 K.

1 — экспериментальные данные и аппроксимации;

2 — Рис. 5. Стенд с тепловой мощностью до 5 МВт.

идеальный раствор.

88 2. Основные результаты научных исследований Рис. 6. Схема пароводяного плазмогенератора.

дание на создание безмазутной системы роз- новления стационарного режима пленочной жига на основе углей микропомола для котла конденсации движущегося пара в круглой тру ПК-40 Беловской ГРЭС. Внедрение разрабаты- бе при переходе от нормальной гравитации к ваемой технологии в большую и малую энер- микрогравитации и наоборот. Обнаружено, что гетику позволит заменить дорогостоящие газ и время установления при переходе к земной мазут на более дешевый вид топлива — меха- силе тяжести из микрогравитации меньше, чем ноактивированный уголь микропомола. при переходе к микрогравитации, для каналов Впервые предложено и реализовано науч- диаметром больше капиллярной длины (рис. 7).

но-техническое решение по созданию парово- Модель применена к описанию эксперимен дяного плазмогенератора нового поколения тальных данных по конденсации пара этанола (рис. 6). Решены следующие проблемы: ис- в круглой трубе при различных углах наклона ключено каплеобразование в водоохлаждаемой трубы к горизонту и по конденсации FC72 на разрядной камере;

сведены к минимуму пуль- дисковидном ребре. Расчеты хорошо согласу сации расхода перегретого пара (250—350 °С);

ются с результатами экспериментов, в частно не используется дополнительно защитный газ сти, предсказывают максимум на кривой зави (аргон, азот), поскольку вместо термокатода симости коэффициента теплоотдачи от угла применяется медный трубчатый электрод, то наклона трубы (рис. 8) и теплообмен на диско токовая нагрузка на электроды определяется видном ребре. Результаты послужат основой потребной мощностью плазмотрона и не явля- создания высокоэффективных конденсаторов ется критическим параметром. При токе дуго- пара и будут использоваться при планирова вого разряда 300—400 А мощность плазмо- нии экспериментов в параболических полетах трона составляет 80—100 кВт. и на МКС в условиях переменной и микрогра Разработана нестационарная математиче- витации.

ская модель для исследования процесса уста 30 1, 20 0, /average t, °С 0, 0 1 2 3 4 Диаметр трубы, нм, град 0 20 40 Рис. 7. Время установления стационарного режима. Рис. 8. Коэффициент теплоотдачи:

1 — режим перехода от гравитации к невесомости, 1, 2 — эксперимент, 3 — расчет;

2 — от невесомости к гравитации. — угол наклона трубы.

Механика и энергетика Программа III.16.2. Турбулентный и ламинарный тепломассообмен в многофазных средах при наличии фазовых переходов и химических реакций, в том числе в мини и микроканалах (координатор акад. В. Е. Накоряков) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- фронтов, для которых эффект влияния добав теладзе в экспериментальных исследованиях ления наночастиц не наблюдается. Результаты динамики переходных процессов и кризисных важны для разработки методов описания раз явлений при кипении наножидкостей при не- вития переходных процессов и кризисных яв стационарном тепловыделении впервые обна- лений при кипении и испарении жидкостей и ружено, что добавление во фреон R-21 нано- наножидкостей, а также для разработки спосо размерных частиц SiO2 (0,1 моль.%, средний бов интенсификации теплообмена при кипении размер наночастиц 25 нм, модификация c гид- и определения границ оптимальных и безопас рофильными свойствами) привело к более чем ных режимов работы различных типов тепло двукратному увеличению скорости распро- обменников с высокой и нестационарной теп странения самоподдерживающихся фронтов ис- лонапряженностью.

парения при высоких температурных напорах В том же Институте на основании чис (рис. 9, 10). Показано, что данный весьма зна- ленного моделирования и экспериментальных чительный эффект роста скорости фронтов па- исследований показано, что в вихревом реак рообразования в наножидкости в области вы- торе с центробежным слоем инертных частиц соких значений числа Якоба связан с более реализуется два разных режима горения: с об ранним и быстрым развитием мелкомасштаб- разованием факела над слоем частиц и без об ных возмущений на межфазной поверхности разования пламени с горением в слое (рис. 11).

фронта вследствие неустойчивости Ландау. С увеличением интенсивности закрутки рас Выявлены режимы, сформулированы и опре- ширяется диапазон параметров, обеспечиваю делены физические параметры для границ об- щих существование «беспламенного» горения, ластей при менее интенсивном испарении в причем содержание оксидов азота снижается наножидкости с гладкой невозмущенной меж- в 2—3 раза по сравнению с режимом факель фазной поверхностью самоподдерживающихся ного горения.

а б в Рис. 9. Распространение самоподдерживающегося фронта испарения в наножидкости при ступенчатом тепловыделении.

a — температурный напор Tн – Ts = 57 K, время = 34,3 мс;

б — 64 K, 38,3 мс;

в — 70,4 K, 42,0 мс.

90 2. Основные результаты научных исследований Vф, м/с 6 qм.г 35 45 55 65 Тн – Тs, K Рис. 10. Зависимость скорости распространения самоподдерживающегося фронта ис парения Vф от температурного напора в наножидкости и в чистой жидкости R-21. Сту пенчатое тепловыделение. P = 1,93 бар;

q = 179 Вт/см2.

1 — расчет по модели Павленко, Лель (1998) для невозмущенного гладкого фронта при qм.г qн.л.

Опытные данные: 2 — R-21;

3 — наножидкость. 5 — расчет по модели Авксентюка (1995). 4 — теоретический расчет пороговой плотности теплового потока через межфазную поверхность фронта испарения для развития мелкомасштабных быстрорастущих возмущений в R-21: qм.г = qн.л = r 2 g ( ).

Разработана модель турбулентного тече- ружено, что мелкие капли хорошо вовлекают ния и тепломассопереноса в газокапельном ся в рециркуляционное течение и присутству отрывном течении за внезапным расширением ют по всему сечению трубы. Крупные частицы трубы. Турбулентность газа оказывает значи- проходят через сдвиговый слой и практически тельное воздействие на процесс распростране- не попадают в отрывную область. Теплообмен ния дисперсной фазы в области отрыва. Обна- при добавлении капель резко возрастает. Об а б Рис. 11. Режимы газофазного горения с образованием факела (а) и без образования пламени (б).

Механика и энергетика Numax Рис. 12. Влияние на максимальное число Нуссельта в отрывном газокапельном потоке числа Стокса в осредненном движении.

Штриховая линия — значение теплообмена в однофаз- ном потоке. Массовая концентрация жидкой фазы: 1 — ML1 = 0,01, 2 — 0,05, 3 — 0,10.

наружены эффект накопления дисперсной фазы в рециркуляционной области и немонотонный 60 характер поведения теплообмена в зависимо сти от числа Стокса дисперсной фазы (рис. 12).

Хорошее согласие с экспериментальными дан- Stk 0,01 0,1 1 ными говорит об адекватности разработанной модели расчета двухфазного отрывного тече ния за внезапным расширением трубы.

Программа III.16.3. Физико-химические процессы в лазерной и плазменной обработке материалов и в плазмохимических реакторах (координатор докт. физ.-мат. наук А. М. Оришич) В Институте теоретической и прикладной ржавеющей аустенитной стали просматривает механики им. С. А. Христиановича измерен ся тонкий (2—5 мкм) промежуточный слой, на коэффициент поглощения лазерного излучения котором со стороны наплавленного металла в плазме оптического пробоя при сверхзвуко- видны «выпучины» (рис. 14).

вом потоке воздуха в широком диапазоне газо- Разработана новая физико-математичес динамических параметров. Определены пара- кая модель кинетики кристаллизации металлов метры сверхзвукового течения, обеспечиваю- и сплавов с учетом нерастворимых нанораз щие высокие уровни энерговклада в поток и, мерных инокуляторов. Построены высокоточ как следствие, найдена возможность управле- ные численные алгоритмы для решения неста ния структурой потока. Впервые показано, что ционарных многомерных задач конвективного пороговая плотность воздуха в сверхзвуковом тепломассопереноса с фазовыми переходами и потоке, соответствующая резкому нарастанию выполнена их верификация на основе сравне эффективности поглощения, равна 1,8—2 кг/м3.

Максимальная величина коэффициента погло- П, % щения составила 60 % (рис. 13).

В том же Институте впервые проведена лазерная сварка не свариваемых традицион ными методами материалов Ti—Cu—сталь 12Х18Н10Т и получена прочность сварного соединения до 400 МПа. В центральной части наплавленного металла его микроструктура представляет композиционный материал, со- стоящий из медной матрицы и пластинчатых выделений. В корневой части сварного соеди- нения упрочняющие частицы представлены в 0 1 2 3 4 двух морфологических формах: пластинчатые Плотность газа, кг/м и округлые выделения. Данный композицион Рис. 13. Зависимость поглощения лазерного излу ный материал имеет повышенный уровень чения в плазме оптического пробоя в сверхзвуко микротвердости по сравнению с титановым вой струе воздуха от плотности газа при разных сплавом и сталью 12Х18Н10Т. Со стороны не давлениях (МПа: 1 — 1,5, 2 — 1,15, 3 — 0,8).

92 2. Основные результаты научных исследований а б 50 мкм 2 мм Рис. 14. Сварное соединение Ti—Cu—сталь 12Х18Н10Т (а), граница нержавеющая сталь—композит (б).

ния с данными физического эксперимента мов резки, получено экспериментальное под (рис. 15). тверждение теории происхождения шерохова Разработана методика и создана установка тости и других дефектов реза. Найдены усло визуализации процессов, протекающих внутри вия перехода резки от устойчивого режима с реза, при лазерном раскрое типовых металлов хорошим качеством поверхности к автогенно СО2- и волоконными лазерами. Проведена ре- му неуправляемому режиму, когда металл го гистрация скорости распространения периоди- рит по всей поверхности контакта с газовой ческих волн горения вдоль фронта реза, дано струей и процесс носит выраженный неста описание устойчивых и неустойчивых режи- ционарный характер (рис. 16).

б y, мм –3 –2 –1 0 1 а z, мм Ti + Cu + Fe Fe Ti Ti + Cu + Fe Fe Ti Рис. 15. Шлиф поперечного разреза сварного шва между пластинами из титана и стали с медной вставкой (а) и поперечное сечение сварочной ванны, полученное численным расчетом (б).

Механика и энергетика а б Рис. 16. Кадры киносъемки кислородной лазерной резки малоуглеродистой стали:

нормальный (а) и автогенный (б) режимы.

Толщина листа 12 мм, мощность волоконного лазера 2 кВт, скорость резки 20 мм/с, давление кислорода 1,7 атм, интервал между кадрами 10 мс.

94 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.18.

АТОМНАЯ, ТЕРМОЯДЕРНАЯ, ВОДОРОДНАЯ И КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА Программа III.18.1. Перспективные исследования получения водорода в солнечной и ветровой энергетике и использования в топливных элементах (координатор акад. В. Е. Накоряков) В Институте теплофизики им. С. С. Кута- уже в кластерах размером около десятка моле теладзе при молекулярно-динамическом моде- кул;

это приводит к резкому ослаблению по лировании нейтральных кластеров (H2O)n 100 глощения газовой фазой в оптической области (50—300 см–1). Одновременно усиливается по с использованием потенциалов взаимодейст вия различного типа получены данные о пер- глощение излучения межмолекулярными либ манентной дипольной поляризации кластеров рационными колебательными модами, что сдви при изменении их размера и температуры, а гает сечение в сторону максимума спектра те также величины внешнего электрического по- плового излучения Земли, в частности, окна прозрачности земной атмосферы 760—1000 см–1.

ля. Показано, что при малых напряженностях поля наведенная поляризация определяется Методом классических траекторий исследова ориентационной поляризуемостью «жесткого» ны столкновения молекулы воды с кластером.

кластера, а не внутрикластерной переориента- Обнаружено, что при радиусе действия меж цией молекул. В рамках теории линейного от- молекулярных сил, существенно меньшем раз клика рассчитаны абсолютные сечения погло- мера кластера, сечение захвата при низких щения дальнего ИК-излучения отдельными температурах в несколько раз превышает ве кластерами воды и кластеризованным водяным личину, оцениваемую по модели твердых сфер паром, прослежены размерный и температур- (рис. 17). Соответственно увеличивается поток ный эффекты. Установлено, что при кластери- молекул на кластер. Эффект связан с коротко зации вращение молекул «замораживается» действующими (дисперсионным и дипольным) взаимодействием и должен учитываться при построении адекватных моделей нуклеации и роста наночастиц в газовой фазе. Полярность кластеров воды увеличивает их физико-хими ческую активность в природных и технологи ческих процессах. Полученные результаты но Сечение захвата, нм сят приоритетный характер.

В том же Институте в результате экспе риментальных исследований впервые показа но, что при взаимодействии твердых массив ных образцов циркония Zr или вольфрама W со сверхкритической водой (СКВ) (T = = 647—1015 K, P = 30 МПа) образуются на 3 нокристаллы моноклинных оксидов ZrO2 или WO3 (рис. 18) и H2. При взаимодействии Zr или W с СКФ H2O/CO2 впервые установлено 10 100 отличие в механизмах образования горючих Количество молекул в кластере газов. В частности, при окислении вольфрама CO не обнаружен до появления первого слоя Рис. 17. Сечение захвата молекулы воды кластером (H2O)n (1), кластером H+(H2O)n (2) и кластером OH– наночастиц (WO3)n. В дальнейшем (WO3)n про (H2O)n – 1 (3) при температуре 200 K в зависимости являют бльшую каталитическую активность, от размера кластера n. Для сравнения приведены чем (ZrO2)n. Об этом, в частности, свидетель геометрическое сечение кластера в жидкокапель- ствует различное содержание CH4 в составе ной модели (4) и сечение столкновения молекулы с летучих продуктов: 80 % от равновесного при кластером в модели твердых сфер (5).

Механика и энергетика Рис. 18. Наночастицы ZrO2 (а) и WO3 (б), полученные в реакции Me + СКВ.

окислении W и всего лишь 15 % — при окис- тики. Данные о различии во взаимодействии Zr лении Zr, несмотря на большее отношение и W с СКФ H2O/CO2 имеют значение для раз CO/H2. Важно отметить, что весь массив Zr в работки новых катализаторов и при использо СКВ достаточно быстро переходит в наночас- вании металлов для гидрогенизации в процес тицы с образованием водорода и большого ко- сах СКВ-конверсии низкосортных топлив.

личества тепла, что важно для ядерной энерге 96 2. Основные результаты научных исследований ПРИОРИТЕТНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ III.19.

ОБЩАЯ МЕХАНИКА, ДИНАМИКА КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛ, ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И УПРАВЛЯЕМЫХ АППАРАТОВ;

БИОМЕХАНИКА;

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПЛАЗМЫ, НЕИДЕАЛЬНЫХ И МНОГОФАЗНЫХ СРЕД;

МЕХАНИКА ГОРЕНИЯ, ДЕТОНАЦИИ И ВЗРЫВА Программа III.19.1. Математические проблемы нелинейных моделей движения сложных сред (координаторы акад. Л. В. Овсянников, докт. физ.-мат. наук А. П. Чупахин).

f В Институте гидродинамики им. М. А. Лав рентьева изучены характеристические свойст 0,5 ва и классы решений нелинейных уравнений длинноволновой аппроксимации, описываю щие течения квазинейтральной плазмы. Для 0, одномерного кинетического уравнения квази 1 нейтральной бесстолкновительной плазмы оп 0, ределены скорости распространения возмуще ний и сформулированы условия обобщенной 0, гиперболичности. В классе бегущих волн по строены решения кинетической модели с кри 0, тическим слоем, при этом потенциал электри ческого поля задается произвольно. В фазовой плоскости траектории движения частиц имеют –0,5 0 0,5 1,0 u характерную форму «кошачий глаз». Показа Рис. 19. Распределение ионов при t = 0 (1, 2) и t = 1 но, что бегущие волны являются устойчивыми (3, 4): x 0 (1), x 0 (2), x = 1 (3) и x = 1,2 (4). по линейному приближению лишь в случае малого изменения потенциала электрического поля. Предложены дифференциальные законы сохранения, аппроксимирующие исходную n интегродифференциальную модель. Известные гидродинамические пределы (холодная плазма 0, и «Water bag») являются частными случаями этой системы. На основе предложенных урав 0,6 нений выполнены численные расчеты распро странения волн в плазме, возникающие в ре зультате распада начального разрыва (рис. 19, 0, 20). Показан эффект кинетического опрокиды вания функции распределения, т. е. формиро 0, 4 вание двух горбов, аналогичное развитию не устойчивости Кельвина—Гельмгольца в сдви 0, говом потоке жидкости.

В том же Институте выведены нелиней ные интегродифференциальные модели, опи –1,5 –1,0 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 x сывающие движение тонкого слоя идеальной Рис. 20. Плотность плазмы. жидкости в открытом канале с вертикальным 1 — t = 0;

2—4 — t = 1 (2) и (3) расчет на основе прибли- или горизонтальным сдвигом скорости, и уста женных моделей (холодная плазма и «Water bag»);

4 — новлена их математическая эквивалентность.

расчет по полной модели.

Механика и энергетика Сформулированы необходимые и достаточные что в асимметричных волнах направление условия гиперболичности уравнений движе- движения жидких частиц значительно откло ния. Показано соответствие условий гипербо- няется от направления движения волны. Более личности интегродифференциальных уравне- того, траектории жидких частиц могут демон ний теории длинных волн классическим кри- стрировать сложное хаотическое поведение.

териям устойчивости сдвиговых потоков иде- Это обстоятельство существенно осложняет альной жидкости. Построен специальный класс анализ, так как траектории жидких частиц яв решений нелинейных интегродифференциаль- ляются характеристиками системы дифферен ных уравнений горизонтально-сдвигового дви- циальных уравнений, моделирующих волновое жения жидкости в открытом канале в прибли- движение. Для отыскания асимметричных пе жении теории мелкой воды. Этот класс реше- риодических волн исходная задача была реду ний характеризуется линейной связью между цирована к системе из двух нелинейных урав интегральными инвариантами Римана и зада- нений для возвышения волны и сужения по ется гиперболической системой двух диффе- тенциала течения на свободную поверхность.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.