Изучение свойств и процессов в сильнонеидеальной, в том числе коллоидной, плазме

Отчет 195 стр., 84 рис., 5 табл., 287 источн. ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА, ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД, КОМПЛЕКСНАЯ ПЛАЗМА, МИКРОЧАСТИЦА, НЕИДЕАЛЬНАЯ ПЛАЗМА, ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ ВОЛНЫ, КУЛОНОВСКИЕ СИСТЕМЫ, НЕОН, ОДНОКОМПОНЕНТНАЯ ПЛАЗМА, ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ, КВАНТОВЫЕ МЕТОДЫ МОНТЕ-КАРЛО, ФУНКЦИЯ ВИГНЕРА, КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД, ТЕОРИЯ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ, НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ, ПАРНАЯ КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ, ДИОКСИД ЦИРКОНИЯ, ТВЕРДЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ, ИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА, НАНОКОМПОЗИТЫ, СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ, ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ПОДВИЖНОСТЬ ДИПОЛЕЙ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, БИНАРНАЯ КОЛЛОИДНАЯ СМЕСЬ, ЭНТРОПИЙНАЯ СИЛА, СУПЕРФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ, АТОМНЫЙ ПАР, ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯД, ВИРТУАЛЬНЫЙ КАТОД, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЯМА, DD- НЕЙТРОНЫ, СКЕЙЛИНГ МОЩНОСТИ СИНТЕЗА, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ КОЛЬЦО, ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ КВАДРУПОЛЬНАЯ ЛОВУШКА, ПЛОСКАЯ ВОЛНА, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СФЕРОИД, РЕЗОНАНСНЫЕ СПЕКТРЫ РАССЕЯНИЯ, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, КОЛЬЦЕВЫЕ ПЫЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ, ИОННОЕ УВЛЕЧЕНИЕ, ВРАЩЕНИЕ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР Объектами исследования являются: Плазменно-пылевая система в положительном столбе газового разряда низкого давления. Заряженные пылевые частицы в электродинамической ловушке. Диэлектрический сфероид и диэлектрическое кольцо. Электронный газ на положительно заряженном однородном фоне. Уравнение состояния неидеальной невырожденной электрон-ионной плазмы. Ограниченная квазидвумерная система заряженных пылевых частиц. Кристаллический молекулярный водород при высоких давлениях. Поликристаллический диоксид циркония. Сольватные оболочки в неводных растворителях. Системы заряженных частиц, взаимодействующих с экранированным кулоновским потенциалом. Композитные полимеры. Фазовые переходы в бинарных коллоидах. Плотный атомарный пар цезия. Свойства однородных и неоднородных нейтральных и плазменных кулоновских систем, в том числе и при наличии микрочастиц. Свойства излучения взаимодействующего с кулоновскими системами заряженных частиц в условиях зарядовой квазинейтральности. Комплексная плазма, содержащая ускоренные до сотен кэВ протоны, реализуемая в компактной схеме инерциального электродинамического (осцилляторного) удержания на основе вакуумного наносекундного разряда. Целями работы являются: Экспериментальные и теоретические исследования продольных волн плотности в трехмерном изотропном плазменно-пылевом облаке. Разработка новых численных методов для моделирования термодинамических свойств неидеальных квантовых кулоновских систем. Расчёт термодинамических свойств электронного газа на положительно заряженном однородном фоне. Экспериментальное и теоретическое исследование квазидвумерной комплексной плазмы, находящейся во внешнем удерживающем электростатическом поле (конфайнменте). Исследование уравнение состояния и структурных изменений кристаллического молекулярного водорода при высоких давлениях. Моделирование переноса ионов в монокристаллическом и поликристаллическом диоксиде циркония и вычисление коэффициентов ионной электропроводности данных материалов. Молекулярно-динамическое моделирование сольватации и диффузии ионов в неводных растворителях. Определение оптимальных методов для расчетов свойств растворов электролитов. Численное исследование условий энергетического обмена в трёхмерных облаках заряженных частиц, взаимодействующих с экранированным кулоновским потенциалом. Исследование корреляции между коэффициентами диффузии, сдвиговой вязкости и теплопроводности плотных простых жидкостей (включая кулоновские жидкости). Выявление фундаментальной роли вторичных кристаллов в ориентированной аморфной фракции в усилении электрострикции полимера. Развитие математической модели для расчета вращательной диффузии и подвижности диполей в нанокомпозитах Исследование энтропийной силы противоионов в генерации жидкость-жидкость фазового перехода в бинарной коллоидной суспензии. Экспериментальное исследование пикосекундных и фемтосекундных сверхфлуоресцентных биений в плотном атомарном паре. Исследование свойств вещества на основе рассмотрения однородных и неоднородных нейтральных и плазменных кулоновских систем (не содержащих подгоночных параметров потенциала), в том числе и при наличии микрочастиц. Изучение влияния неидеальности кулоновской системы заряженных частиц на оптические свойства плазменных систем. Экспериментальное и теоретическое исследование динамических и радиационных свойств комплексной плазмы высоковольтного вакуумного наносекундного разряда с виртуальным катодом, реализуемой в диодоподобной электродной системе с палладиевым анодом, насыщенным дейтерием. Изучение физических процессов, приводящих к возникновению волн и неустойчивостей в кулоновских структурах одноименно заряженных частиц микронного размера в электродинамических ловушках при атмосферном давлении. Изучение резонансного рассеяния от диэлектрического сфероида и кольца при возбуждении плоской ЭМ-волной СВЧ диапазона. Численные и экспериментальные исследования взаимовлияний пылевых облаков различной плотности и компонент плазмы разряда постоянного тока низкого давления. Исследование влияния параметров разряда на форму пылевой структуры. Определение вклада разных механизмов в скорость вращения пылевых структур. Методы и методологии проведения работы. Для выполнения работ по теме: Продольная плазменно-пылевая волна плотности в протяженном плазменно-пылевом облаке возбуждалась с помощью электрического потенциала, подаваемого на дополнительный встроенный электрод. Параметры полны - фазовая скорость и амплитуда, определялись PIV-методом по измеренному распределению скоростей пылевых частиц. Теоретический анализ полученных экспериментальных результатов проводился в гидродинамическом приближении. В рамках вигнеровской и фейнмановской формулировок квантовой статистики получены выражения для термодинамических средних величин: кинетической и потенциальной энергии, парных корреляционных функций, функций распределения по импульсу. Развит метод Монте-Карло для расчёта многократных интегралов по алгоритмы Метрополиса и численного моделирования идеального фермионного газа и неидеального электронного газа на положительно заряженном однородном фоне. Экспериментально и численно (методом молекулярной динамики) исследовано поведение ограниченной квазидвумерной системы микрочастиц в плазме ВЧ разряда пониженного давления. Выполнен анализ результатов экспериментального и теоретического исследования эволюции квазидвумерной комплексной плазмы на установке Zyflex. Квантовый метод молекулярной динамики в рамках теории функционала плотности применяется для расчета уравнения состояния, парной корреляционной функции протонов и электропроводности. Учет влияния энергии нулевых колебаний на уравнение состояния и структуру кристаллического водорода проводится в рамках метода молекулярной динамики на интегралах по траекториям (PIMD – path integral molecular dynamics). Моделирование с помощью метода классической молекулярной динамики с использованием силовых полей, учитывающих эффекты поляризации ионов, процессов переноса ионов кислорода в монокристаллическом и поликристаллическом кубическом диоксиде циркония. С использованием метода молекулярной динамики проводилось моделирование сольватных оболочек ионов лития в широком спектре органических растворителей. Выполнен анализ результатов моделирования. Анализировались парные корреляционные функции и их интегралы, среднеквадратичные смещения ионов и молекул в зависимости от времени. Численное исследование процессов энергетического обмена в трехмерных облаках заряженных частиц выполнялось методом молекулярной динамики для систем, состоящих от 30 до 1000 частиц. Проведены молекулярно динамические расчеты для выявления связи мобильности диполей в полярных нанодоменных участках пьезоэлектриков с диэлектрической проницаемостью нанокомпозитов. Проведен теоретический анализ роли релаксорных нанодоменов в ориентированной аморфной фазе в усилении электрострикции композита. Проведены молекулярно динамические расчеты для бинарной коллоидной системы с сильной кулоновской связью для изучения роли энтропийных сил в появлении жидкость-жидкость фазового перехода. Использовалась экспериментальная техника, применяющая связанное синхронизированное спонтанное излучение, которое обычно называется связанной сверхфлюоресценцией и происходит в значительно сокращенных временных масштабах по сравнению с несинхронизированным спонтанным излучением. Проведено предварительное исследование распространения диффузионных процессов для капель и микрочастиц одинакового размера в газовых средах при наличии гравитационного поля на основе уравнения Мейсона-Уивера (Mason - Weaver). Сформулированы отвечающие реальным условиям граничные условия в направлении действия гравитационного поля. Изучены оптические свойства неидеальной полностью ионизированной плазмы классической плазмы. Показано, что описание динамической проводимости и, следовательно, оптических свойств невырожденной плазмы в умеренно неидеальном режиме может быть улучшено модификацией полностью сходящегося кулоновского логарифма. Экспериментально применен метод импульсного инерциального электродинамического удержания в миниатюрном наносекундном вакуумном разряде с палладиевым анодом, насыщенным дейтерием, с возникновением виртуального катода и соответвующей глубокой потенциальной ямы, удерживающей ускоренные в поле виртуального катода до 100 кэВ протоны, эмиттированные из анода во внутрианодную область и внутрь Pd-трубок в результате бомбардировки пучком ускоренных автоэлектронов и реализацией в результате осцилляторного режима удержания плазмы. На основе полного электродинамического кода в миниатюрном наносекундном вакуумном разряде выполнено PiC моделирование проникновения пучка автоэлектронов внутрь насыщенных дейтерием анодных Pd-трубок и образования в них короткоживущих виртуальных катодов. Выполнено двухмерное компьютерное моделирование динамики микрочастицы в линейной квадрупольной электродинамической ловушке в воздухе при атмосферном давлении. Видеосъемка динамики заряженных пылевых частиц микронного размера в квадрупольной электродинамической ловушке в воздухе при атмосферном давлении. Расчет и экспериментальные измерения магнитных полей при резонансном возбуждении диэлектрического сфероида или диэлектрического кольца, возбуждаемых плоской электромагнитной волной СВЧ – диапазона. С помощью диффузионно-дрейфовой модели однородного положительного столба тлеющего разряда и модели баланса энергии микрочастицы, находящейся в плазме, проводилось математическое моделирование параметров комплексной плазмы в экспериментально изученном диапазоне. Выполнен анализ результатов экспериментов по формированию пылевых структур в стратифицированном тлеющем разряде. Проведены расчеты вклада ионного увлечения во вращение пылевых структур в сильных магнитных полях. Результаты работы и их новизна: Выполнено экспериментальное исследование распространения линейной плазменно-пылевой волны в протяженном изотропном трехмерном плазменно-пылевом облаке. Измерения проводились в плазме газового разряда низкого давления при внешнем возбуждении плазменно-пылевой волны. Интерпретация экспериментальных результатов проведена в рамках линеаризованного гидродинамического приближения. Получено удовлетворительное согласие между измеренными и расчетными фазовыми скоростями плазменно-пылевой волны. Предлагается представление матрицы плотности, функции Вигнера и термодинамических средних величин (кинетической и потенциальной энергии, парных корреляционных функций, функций распределения по импульсу) в виде интегралов по траекториям. Развитые представления термодинамических величин удобны для использования численных методов и проведения расчётов термодинамических свойств (кинетической и потенциальной энергии, парных корреляционных функций, функций распределения по импульсу) неидеальной фермионной системы. Впервые у плазменной квазидвумерной системы были определены все три координаты каждой микрочастицы в течение длительного времени, т.е. пылевая структура была описана в (3+1) измерениях. Впервые экспериментально наблюдалось плавление квазидвумерной системы микрочастиц при постоянных параметрах разряда. Впервые обнаружено расслоение указанной квазидвумерной системы в центре плазменного кристалла на два слоя со сдвинутой квадратной решеткой. Численное моделирование позволило объяснить данный эффект. Структурные изменения кристаллического водорода рассматриваются в рамках методов молекулярной динамики (MD) и молекулярной динамики на интегралах по траекториям (PIMD) с силами межпротонного взаимодействия, определяемыми в рамках теории функционала плотности. Получены две структуры молекулярного кристаллического водорода. Первая - моноклинная решетка с симметрией C2/c с 12 атомами в элементарной ячейке, стабильная в диапазоне давлений 302-544 ГПа. Вторая - ромбическая решетка с симметрией Cmca с 4 атомами на элементарную ячейку при давлениях 544-626 ГПа. Учет влияния энергии нулевых колебаний в рамках метода молекулярной динамики на интегралах по траекториям приводит к уменьшению давления в сравнении с классической динамикой протонов в методе молекулярной динамики, причем разница давлений увеличивается с ростом плотности. В рамках метода молекулярной динамики получен рост межпротонного расстояния до 0.78 Å. Учет энергии нулевых колебаний приводит более резкому увеличению межатомного расстояния до 0.84 Å. Более резкий рост межатомного расстояния указывает на уменьшение давления образования атомарной фазы при учете нулевых колебаний. Вычислены коэффициенты диффузии ионов кислорода в монокристаллическом и поликристаллическом кубическом диоксиде циркония, получены их зависимости от температуры системы. Выполнено исследование влияния размерных и граничных эффектов на перенос ионов кислорода. Показано, что для монокристаллов при их размере более 4 нм, что соответствует приблизительно 10000 атомов, зависимость коэффициента диффузии ионов кислорода от размера кристалла исчезает, что позволяет экстраполировать результаты моделирования процессов переноса ионов кислорода в молекулярно-динамической ячейке, содержащей кристаллы превышающие по размеру 4 нм, на макроскопические системы. Кроме того, выполнено исследование влияния границы раздела кристаллов на процессы переноса в поликристаллической структуре на примере бикристалла. Показано, что в такой системе перенос будет осуществляться преимущественно вдоль границы раздела кристаллов поликристаллической структуры, а общий коэффициент диффузии ионов кислорода в такой структуре может превышать его значение для монокристалла до двух раз. Выполнено математическое моделирование и получены данные по конфигурационным и динамическим характеристикам сольватных оболочек ионов лития в органических растворителях. Получены оценки характерных времен релаксации сольватных оболочек в многокомпонентных смесях органических растворителей. Выполнено численное исследование процессов энергетического обмена в диссипативных системах заряженных частиц с неоднородным распределением источников тепла и/или любых других источников стохастической кинетической энергии по степеням свободы. Изучены условия энергетического обмена в трехмерных ансамблях частиц, взаимодействующих с экранированным кулоновским потенциалом. Получено, что величина перераспределяемой энергии полностью определяется разницей температур тепловых источников и величиной характерных частот системы. Предложена полуэмпирическая аппроксимация, которая хорошо описывает процессы энергетического обмена во всех рассмотренных случаях. Показано, что скейлинг по плотности замерзания хорошо работает для вязкости и теплопроводности жидких инертных газов. Обнаружено подобие нормированных транспортных коэффициентов вблизи их минимума и на линии замерзания. Разработан новый теоретический подход для определения вращательной диффузии и флуктуационной подвижности диполя по экспериментальным данным по времени релаксации из пика диэлектрических потерь. В целом, удалось продвинуться в понимании вклада md(T), g(T), и μ(Т) в высокие диэлектрические и пьезоэлектрические свойства электроактивных полимеров на основе ПВДФ. Показано, в бинарных коллоидах теория линейного экранирования Дерягина-Ландау-Вервея-Овербека (ДЛВО) не воспроизводит структурные корреляции в рамках примитивной модели в случае сильной кулоновской связи между противоионами и заряженными коллоидами. Для таких систем показана существенная роль энтропических сил противоионов в генерации жидкость-жидкость фазового перехода и разделении системы на две области, богатые заряженными или богатыми нейтральными коллоидами. Зарегистрирован и изучен связанный сверхфлюоресцентный синий свет на нижних переходах 6S – 7P. При низкой мощности и плотности наблюдаются биения с периодом примерно 100 пикосекунд. Автокорреляционные измерения генерируемого синего света показывают биение с квазипериодом 200 ± 60 фс, соответствующее расщеплению уровня 7P. Проведены предварительные расчеты для процесса диффузии одинаковых микрокапель в газе с целью определения характерных времен осаждения плоского слоя и профиля плотности (концентрации капель) как функции времени. Показано, что физически мотивированная модификация кулоновского логарифма, первоначально предложенная в связи с ионно-частичным рассеянием в пылевой плазме, позволяет улучшить теоретическое описание динамической проводимости и, следовательно, оптических свойств плазмы в умеренно неидеальном режиме. Проведено и подробно обсуждается сравнение экспериментальных и теоретических результатов для коэффициента отражения. С помощью PiC моделирования процессов в миниатюрной схеме наносекундного вакуумного разряда показано, что при частичном проникновении пучка автоэлектронов внутрь насыщенных дейтерием анодных Pd-трубок возможно образование короткоживущих виртуальных катодов очень малых размеров внутри отдельных Pd-трубок, причем, начиная с величины тока 100 А возможна реакция DD-синтеза. Впервые показано, что в устройствах ИЭУ с осциллирующими ионами благоприятный скейлинг мощности DD-синтеза, возрастающей с уменьшением радиуса виртуального катода, может сохраняться вплоть до размеров виртуального катода rвк ≈ 0.02 см. Построена траектория развития неустойчивости, приводящая к вылету частицы из ловушки. В результате моделирования определены условия удержания частицы и развития неустойчивости в виде регулярной траектории с увеличивающейся амплитудой. Экспериментально исследовалась возможность удержания длинных нитевидных частиц. Обнаружено, что в электродинамической ловушке нитевидные частицы занимают два стационарных положения: вдоль оси ловушки и перпендикулярно ось ловушки. Проведены экспериментальные исследования кулоновских структур в вертикально ориентированной линейной электродинамической ловушке Пауля при атмосферном давлении воздуха. Получены устойчивые кулоновские структуры конусообразной формы. Обнаружено, что частицы в таких структурах совершают движение по замкнутым траекториям с малыми амплитудами с частотой переменного поля ловушки. Экспериментальные исследования линейной структуры из двух диэлектрических колец, ориентированной вдоль волнового вектора инициирующей плоской ЭМ волны, показали, что в ближней и дальней волновой зоне в спектре рассеяния наблюдается расщепление резонансной частоты прошедшей ЭМ-волны вследствие взаимной индуктивности колец. Метаэлемент с эффектом "невидимости", а также возможностью управления рассеянным излучением создан на основе поперечного эффекта Керкера в диэлектрическом сфероиде. Компьютерное моделирование и эксперимент показали, что в диэлектрическом сфероиде (эллипсоиде вращения) с определенными соотношениями межу осями сфероида, в результате взаимодействия резонансного излучения электрического диполя и магнитного квадруполя, отраженное излучение вдоль волнового вектора зондирующей волны пренебрежимо мало, а в боковом направлении – максимально. Если поместить приемник отраженного сигнала в точке излучения он не будет регистрировать сигнал от сфероида. Такой метаэлемент можно применять для создания метаматериалов с эффектом "невидимости" на одной частоте в СВЧ или оптическом диапазоне, а, также, для управления излучением в системах передачи сигналов. Изучен нагрев микрочастиц диаметром 2.55 мкм в плазме газового разряда в неоне. Получены численные данные, определяющие вклад метастабильных атомов в нагрев микрочастиц. Обнаружено повышение температуры микрочастиц, образующих в плазме облака с концентрациями микрочастиц 104–105 см–3, полученные экспериментально при давлениях 40–120 Па и токах разряда 0.5–2.0 мА. Получены и исследованы зависимости нагрева микрочастицы от тока разряда при разном давлении с учётом и без учета вклада от тушения метастабильных атомов, от давления при разной концентрации микрочастиц. Получены и исследованы зависимости от тока разряда при разном давлении для отношения величины нагрева микрочастицы от тушения метастабильных атомов неона, к величине нагрева от рекомбинации на поверхности микрочастицы, полученные. Получена зависимость величины вклада от тушения метастабильных атомов в нагрев микрочастицы от давления неона, связанного с рекомбинацией на ее поверхности. Установлена причина возрастания вклада метастабильных атомов неона в нагреве микрочастиц с ростом давления. Обнаружено влияние увеличение концентрации микрочастиц в облаке на их нагрев. Получены зависимости формы структуры полидисперсных пылевых частиц от тока разряда в магнитных полях порядка 10 мТл, определены размеры образующих их пылевых частиц в зависимости от тока разряда и их положения в структуре. Определен вклад ионного увлечения в скорость вращения пылевых структур в магнитных полях более 1 Тл. Область применения: Результаты экспериментальных и теоретических исследований представляют интерес: для развития теоретических представлений о процессах возникновения и распространения плазменно-пылевых волн в плазменно-пылевых облаках, что является фундаментальной научной проблемой и важно для создания условий стабильного разряда в различных плазменно-технологических и энергетических установках, в том числе, в токамаках; для исследования термодинамических свойств и структуры веществ в экстремальных состояниях (существенные вырождение и неидеальность); для прогнозирования свойства металлов и полупроводников; для создания сильно упорядоченных пылевых структур с заданными структурными свойствами; для развития теоретических представлений о процессах плавления сильно неидеальных систем, находящихся в конфайнменте, что является фундаментальной научной проблемой и крайне важно, в частности, для неинвазивной диагностики газоразрядной плазмы; для изучения возможности практического использования металлического водорода как высокотемпературного сверхпроводника, существенно ограничивающегося давлением, при котором образуется данное состояние водорода; для создания новых материалов высокотемпературных ион-проводящих керамических электролитов пригодных для осуществления высокотемпературного электролиза воды, который является перспективным методом получения водорода; для создания устойчивых систем электрохимического хранения энергии, в частности литий-ионных аккумуляторов, и развития теоретических представлений о процессах сольватации ионов и переноса заряда в жидкости; для анализа энергетического обмена в неоднородных системах, которые представляют интерес в физике пылевой плазмы, включая лабораторные эксперименты с пылевыми частицами в плазме газовых разрядов; для теоретической оценки кинетических и термодинамических свойств плотных жидкостей, включая сильно неидеальную пылевую плазму; для дальнейшего улучшения пьезоэлектрических характеристик электроактивных полимеров посредством увеличения как дипольного момента так и их вращательной подвижности в ориентированном аморфном фазе и во вторичных кристаллах ПВДФ; для объяснения физических процессов в реальных биофизических и химических системах. Выявленный нами жидкость-жидкость фазовый переход в коллоид-нейтральной смеси имеет потенциал применения для разделения коллоидной смеси, таких как краски, порошки, и т.д., на основные составляющие; для исследования кооперативного излучения в системах многих тел, включая твердотельные материалы; для практических расчетов оптических свойств умеренно неидеальной невырожденной плазмы с чисто кулоновским взаимодействием частиц; для фундаментальной задачи в области перспективной энергетики будущего; для создания метаматериалов а также для управления излучением в системах передачи сигналов; для прикладной задачи создания импульсных источников жесткого излучения для материаловедения и медицины; для создания устойчивых структур заряженных частиц в воздухе при атмосферном давлении; для создания фильтров для очистки газовых потоков; для развития теоретических представлений о процессах самоорганизации в сильно неидеальных системах; для разработки новых типов устройств, стимулирующих горение с комплексной плазмой; для разработки способов управления пылевыми частицами в различных экспериментальных и промышленных установках.