6. Импульсная электрофизика, физика плазмы, физическая электроника, коллективные плазменные процессы в конденсированных средах, кинетические и волновые явления в плазме и проводящих средах, экстремальные состояния вещества, физика высокой плотности энергии, пучков заряженных и источников электромагнитного излучения

Тема Плана Научно-исследовательских работ Государственного задания ФИАН № FFMR-2024-0005 представляет собой комплексное экспериментально-теоретическое исследование в области физической электроники, физики плазмы, пучков заряженных частиц и источников вакуумного ультрафиолета и рентгеновского излучения. Работы выполнялись в Отделе физики плазмы ФИАН, лабораториях Отделения ядерной физики и астрофизики ФИАН, и Физико-техническом центре ФИАН. Успешное выполнение работ по данному направлению предусматривало развитое сотрудничество с ведущими Академическими институтами – Институт электрофизики УрО РАН (ИЭФ УрО РАН) и Институт сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН), Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) и Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), что отражено в совместных публикациях. Цель проекта - проведение исследований в области физической электроники, физики плазмы, металлов, полупроводников, пучков заряженных частиц и источников вакуумного ультрафиолета и рентгеновского излучения. Методология проведения работы – в рамках выполнения данной темы Плана Научно-исследовательских работ Государственного задания ФИАН проводились как как экспериментальные исследования и разработка соответствующего оборудования, так и развитие теоретического описания с проведением детальных численных расчетов. В 2024 году получены следующие основные результаты: Экспериментально выявлены качественные различия в условиях генерации убегающих электронов в газе в сильно- и слабонеоднородных электрических полях. В первом случае порог убегания определяется приложенным к зазору напряжением; во втором – локальным распределением поля вблизи катодного острия. Реализован времяпролётный метод для оценки энергии сгустков умеренно релятивистских (100-300 кэВ) убегающих электронов. Сгустки транспортируются в воздушной дрейфовой трубке в сильном ведущем магнитном поле; энергия оценивается по смещению пиков пикосекундных импульсов тока. Методом частиц в ячейке выполнено численное моделирование генерации микроволнового черенковского сверхизлучения диапазона частот 38 ГГц, где показана возможность получения СВЧ пиков с мгновенной мощностью до 50 ГВт при взаимодействии электронного пучка (1,1 МэВ, 12,5 кА, 0,5 нс) с попутной замедленной волной TM01 в гофрированном волноводе. Разработана модель и впервые проведено моделирование разогрева микровыступа на катоде током автоэлектронной эмиссии при самосогласованном учете эмиссии электронов, объемного заряда эмитированных электронов и изменения геометрии вершины после плавления. Полученные расчетные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по исследованию вакуумного пробоя медных электродов. Проведены магнитогидродинамические расчёты взрыва медных проводников в условиях, аналогичных тем, что возникают при взрыве микровыступов на поверхности катода. На основе полученных результатов получены оценки радиационных потерь при функционировании взрывоэмиссионных центров в квазистационарном и радиочастотных режимах. Найдены времена и длины торможения разреженного пучка быстрых ионов в плазме с развитой ионно-звуковой турбулентностью, возникающей под действием электрического поля E. При торможении вдоль или поперёк электрического поля, получены зависимости компонент скорости ионов пучка u⊥ и uz от времени или координаты для различной напряженности электрического поля. Черенковское взаимодействие ионов пучка с волнами возможно если их скорость больше фазовой скорости ионно-звуковыми волн. Вследствие этого их скорость уменьшается до скорости ионного звука vs. Наличие магнитного поля, направленного вдоль электрического поля, приводит к изменению траектории ионов пучка при торможении поперёк оси ионно-звуковой турбулентности. При этом магнитное поле не влияет на время торможения и величину компонент скорости в момент окончания торможения. В сильном магнитном поле траектория ионов имеет вид сжимающейся спирали, вытянутой вдоль магнитного поля. Число витков спирали тем больше, чем сильнее магнитное поле. Построена теория излучения терагерцовых (ТГц) волн из плазменного слоя при воздействии сфокусированного p-поляризованного лазерного излучения. Показано, что экстремально сильное увеличение энергии ТГц сигнала и коэффициента конверсии происходит при почти нормальном падении ультракороткого остросфокусированного p-поляризованного лазерного импульса на тонкий плазменный слой с околокритической плотностью и редкими соударениями электронов. Рассмотрено явление временной задержки отраженного и прошедшего лазерных импульсов при воздействии s-поляризованного лазерного излучения на слой сверхкритической плазмы. Показано, что с ростом толщины плазменного слоя выхода на плато времени задержки прошедшего сигнала (эффект Хартмана) не происходит из-за экспоненциального убывания его интенсивности. Вычислена скорость туннелирования лазерного импульса сквозь слой непрозрачной плазмы и показано, что при больших углах падения лазерного излучения она может превышать скорость света в вакууме. Найдены коэффициенты отражения и прохождения электромагнитной волны, взаимодействующей со слоем фотоионизованной плазмы инертных газов в магнитном поле. Выявлены условия, при которых существует возможность увеличения отражения и прохождения излучения более, чем на порядок. Получена система уравнений для разностей фаз сверхпроводящего параметра порядка, описывающая связанные джозефсоновский переход, волновод и полубесконечную диэлектрическую среду. Для такой слоистой структуры описано черенковское излучение быстрого вихря, испускаемое с поверхности сверхпроводящего сандвича в диэлектрик. В такой структуре быстрый вихрь движется со скоростью, близкой к скорости Свихарта волновода, которая может значительно превышать скорость обычного джозефсоновского вихря. Определены характерные частоты излучения и радиационные потери быстрого вихря. Изучены бегущие вихри в джозефсоновском переходе, помещенном в замедляющую среду. Показано, что в такой системе, помимо обычных джозефсоновских вихрей, скорость которых ограничена скоростью Свихарта, могут существовать необычные вихри, обладающие большей предельной скоростью. Определены параметры джозефсоновского перехода и внешней среды, при которых эти вихри могут излучать электромагнитные волны в среду вследствие эффекта Вавилова−Черенкова. Характерные частоты этих волн попадают в терагерцовую область и могут плавно перестраиваться, что интересно с точки зрения использования необычных вихрей для создания компактных сверхпроводниковых устройств. Изучена генерация звука фемтосекундным лазерным импульсом в тонкой пленке металла, расположенной на подложке из диэлектрика. Показано, что при однородном нагреве пленки происходит возбуждение звука только на нечетных гармониках, частота которых увеличивается при уменьшении толщины пленки. Описаны осцилляции коэффициента отражения, связанные с наличием смещения атомов решетки. Осцилляции происходят около положения равновесия, наличие которого связано с нагревом пленки. Уменьшение толщины пленки сопровождается увеличением амплитуды осцилляций коэффициента отражения. Наиболее значительный рост амплитуды осцилляций происходит при толщине пленки меньшей глубины скин-слоя. Оценена степень точности приближенных моделей, используемых для описания лазерной генерации звука в металле на подложке из диэлектрика. Показано, что используемое для тонких пленок предположение об однородном нагреве пленки оправдано в случае, если толщина пленки меньше глубины прогрева пленки, а также для более толстых пленок на временах больших времени прогрева пленки по всей толщине. Если же толщина пленки меньше глубины проникновения греющего поля, то необходимо учитывать отражение поля от подложки. При этом, в зависимости от оптических свойств металла и подложки, учет отражения может приводить, как к увеличению, так и к их уменьшению изменения коэффициента отражения, связанного со смещением атомов решетки. Дан детальный анализ влияния легких и тяжелых дырок на генерацию ТГц излучения в GaAs в магнитном поле. Показано, что учет движения легких дырок приводит к относительному увеличению напряженности поля ТГц импульса в несколько раз. Такое увеличение проявляется на временах сравнимых или больших обратной плазменной частоты электронов и сопровождается относительным увеличением спектральной плотности излучения на низких частотах. В диапазоне частот от 0.1 до 10 ТГц влияние тяжелых дырок оказалось относительно слабым и привело к незначительному изменению спектральной плотности энергии на частотах несколько больших 0.1ТГц, что привело к небольшому относительному увеличению напряженности ТГц поля на последней стадии генерации. Изучен перенос заряда и энергии в металле в кинетическом приближении. Получено решение кинетического уравнения для функции распределения электронов. Найдены плотности потоков заряда и тепла в условиях, когда необходимо учитывать пространственную дисперсию и неравновесность функции распределения электронов. Объектом исследований являются ионные медицинские ускорители, предназначенные для лечения онкологических заболеваний. Для них, как для протонов и ионов углерода, характерно наличие пика Брэгга в конце пробега, в котором выделяется максимум энергии. Данный пик более резкий, чем у протонов, но заметно ниже ионов углерода. Целью работы является разработка и создание медицинского ускорителя ионов гелия (Н++), реализация которого позволит России занять одно из лидирующих мест среди стран, занимающихся лучевой терапией. В результате исследований была существенно модернизирована конструкция источника ионов гелия, что позволило значительно повысить интенсивность пучка частиц ионов гелия и стабильность его работы. Было проведено ускорение пучка в протонном кольце, измерены геометрические параметры ионного пучка, построены дозовые кривые пика Брэгга в водном фантоме с использованием ионов гелия разной энергии. Продемонстрирована возможность применения единой системы для работы как с протонным пучком, там и с ядрами гелия. Полученное дозовое распределение свидетельствует о перспективности использования альфа-частиц для лучевой терапии. С целью изучения влияния ионов гелия на терапию опухолей были проведены радиобиологические эксперименты с ускоренными ионами гелия He++ с энергией 305–320 МэВ в дозах 10 Гр и 20 Гр в двух областях кривой Брэгга: до и в модифицированном пике Брэгга. Было определено, что в пике Брегга при дозе в 20 Гр ионы гелия в 1.8 раза более эффективны, чем стандартное рентгеновское облучение. Эти результаты показывают перспективность использования ионов гелия для лечения онкобольных. Изучен процесс образования горячих точек в гибридном Х-пинче на установке КИНГ с промежуточным накопителем энергии, получены рентгеновские спектры многозарядных ионов в гибридных Х-пинчах на установке БИН. Впервые применена светосильная рентгеновская диагностика на основе кодирующей апертуры, позволившая разрешить тонкую структуру излучающей области х-пинча. Установлено влияние собственной структуры тонких фольг при их взрыве на установке ГВП, особенностей структуры тока при взрыве тонкого проводника на установках ГВП и ЭРГ. Выявлены ориентационные эффекты развития неустойчивостей относительно направления тока в случае анизотропной фольги и квазипериодического характера её неоднородностей. Проанализированы и уточнены механизмы эрозии в импульсном вакуумном разряде при инициировании искровым разрядом по поверхности. Создан стенд КТ для исследования параметров формирования плазменных образований - компактных торов (КТ) при низкой энергетике до 5 кДж. На основе PiC моделирования масштабирования и оптимизации анейтронного синтеза протон-бор в наносекундном вакуумном разряде установки NVD-2 оптимизированы условия экспериментов. Обнаружен «гибридный» режим генерации α-частиц.   В рамках новой научной группы построен математический аппарат и создан программный код для моделирования дифракции когерентного лазерного излучения на плазменных микрообъектах при автоматическом учете дифракционного расплывания волнового фронта при прохождении волны через неоднородную плазму, включая описание распространение дифрагированной волны позади объекта на большие дистанции. Код также позволяет описывать визуализацию плазменных микрообъектов, просвечиваемых лазерным излучением и регистрируемых оптическими линзовыми системами при наличии сильных дифракционных эффектов и эффекта дефокусировки линзы. Проведено всестороннее численное моделирование особенностей визуализации плазменных образований в поле когерентного лазерного излучения, в частности, когда микрообъекты регистрируются оптическими линзовыми системами. Проведена верификация разработанного математического аппарата и программных кодов на примере анализа дифракционных картин реальных плазменных образований, возникающих в эксперименте. Анализ экспериментальных картин плазменных микрообъектов подтвердил правильность всех теоретических выводов, сделанных при проведении численных расчетов. С использованием разработанных кодов по обработке лазерных изображений плазменных микрообъектов, повышающих точность и качество данных по восстановлению оптических характеристик объектов, были получены новые знания о структуре токовых каналов сильноионизованной плазмы, генерируемой во время импульсных наносекундных разрядов в атмосферном воздухе. За отчетный период подготовлено 60 публикации в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах, индексируемых в системах WoS, Scopus и РИНЦ.