Проект "Плазма" (физика высокотемпературной плазмы и фундаментальные основы плазменных и микроволновых технологий)

Проблема управляемого термоядерного синтеза является весьма актуальной. Основное преимущество энергетики, базирующейся на реакциях термоядерного синтеза, состоит в использовании изотопов водорода, запасы которых практически неограниченны. Подход, основанный на магнитной термоизоляции, подразумевает создание систем, работающих стационарно, что существенно лучше согласуется с требованиями промышленного производства энергии. Хотя большая часть исследований удержания высокотемпературной плазмы в замкнутых магнитных ловушках сосредоточена на токамаках, большой интерес представляют также стационарные или квазистационарные установки без индукционного тока – стеллараторы. Предлагается исследование в подобной ловушке удержания плазмы, создаваемой и нагреваемой с помощью СВЧ и ВЧ излучения. Вместе с тем многие процессы, происходящие в плазме токамаков и стеллараторов, не имеют достаточно полного объяснения и нуждаются в проведении дополнительных физических исследованиях, которые и планируются провести в рамках данной темы государственного задания в 2023-2025 гг. Развитие фундаментальных основ плазменных и микроволновых технологий имеет особую важность для народного хозяйства. В частности, получение новых экспериментальных данных в совокупности с разработкой теоретических моделей позволит описать свойства газоразрядной и пылевой плазмы, разработать инновационные методы синтеза алмазных покрытий и упрочнения поверхности материала, создать плазменные антенно-фидерные и СВЧ устройства, оптимизировать способы получения плазменно-активированной жидкости, коллоидных растворов, осаждения алмазных пленок. Несомненно, актуальны исследования взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения с веществом, направленные, в частности, на получение вторичного когерентного коллимированного излучения широкого диапазона частот, от терагерцового до рентгеновского, и сверхмалой фемтосекундной и аттосекундной длительности. Различные схемы взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой также рассматриваются в качестве перспективных методов генерации сверхсильных магнитных полей. Для прикладных задач важное значение имеет исследование процессов инициации разрядов в порошках металл-диэлектрик с целью синтеза новых материалов и разрядов в газах для разложения вредных примесей или синтеза новых соединений. С точки зрения развития микроволновых технологий актуально изучение спиновой динамики в магнитных наноструктурах на временных масштабах от десятков наносекунд до субпикосекунд с возможным применением в физике плазмы, СВЧ и радиотехнике, телекоммуникациях и материаловедении. При этом введение в состав редкоземельных ионов во многих случаях позволяет улучшить характеристики упомянутых материалов, поэтому изучение их свойств по отношению к действию внешних полей также представляется актуальным. Целями научного исследования являются: 1. Теоретическое и экспериментальное исследование фундаментальных свойств полностью ионизованной высокотемпературной плазмы, создаваемой в трехмерных магнитных конфигурациях стелларатора и токового слоя, а также изучение механизмов развития турбулентных и нелинейных процессов в широком интервале частот и волновых чисел с целью идентификации механизмов возникновения и развития турбулентности. 2. Развитие фундаментальных основ плазменно-лучевых и микроволновых плазмохимических технологий в поддержку прикладных научных задач, в том числе для создания, изучения и применения плазменно-пылевых структур, применения низкотемпературной плазмы газового разряда, новых типов плазменных СВЧ-устройств, для плазменной обработки поверхностей материалов и плазменного осаждения поликристаллических алмазных пленок, создание новых типов гетерогенных катализаторов на основе микро – и нанопорошков. 3. Исследование низкотемпературной плазмы методами численного эксперимента. 4. Разработка и создание плазменных антенно-фидерных и СВЧ устройств, изучение физических механизмов их работы с целью повышения эффективности их работы. 5. Разработка теоретических методов описания взаимодействия электромагнитного излучения с конденсированными средами, газами и плазмой. 6. Исследования динамики и излучения элементарных частиц, атомных систем и плазмы в лазерных полях экстремальной интенсивности. 7. Разработка метода расчета фотоэмиссионных и электронно-эмиссионных характеристик для многоэлектронных атомов и ионов в поле интенсивного фемтосекундного лазерного импульса. 8. Исследование физических механизмов спиновой динамики и эффективных способов управления спиновыми системами в магнитных гетероструктурах. 9. Разработка методик количественного описания магнитных свойств материалов, включающих в состав редкоземельные ионы, под действием нестационарных электрических и магнитных полей. В рамках НИР будут решаться следующие научные задачи: В направлении физики высокотемпературной плазмы: 1. Удержание и нагрев плазмы в трехмерной магнитной конфигурации стеллараторного типа: исследование удержания энергии и частиц плазмы в моноимпульсном режиме электронного циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева и в режиме амплитудной модуляции вводимой мощности СВЧ излучения. 2. Турбулентные процессы в бестоковой плазме стелларатора в условиях центрального и нецентрального ЭЦР нагрева и их роль в энергетических потерях плазмы. 3. Исследование механизмов возбуждения и подавления неустойчивостей в высокотемпературной плазме стелларатора. 4. Исследование удержания плазмы в стеллараторе в условиях омического разряда с ВЧ (ионно-циклотронным) нагревом 5. Исследование физики удержания плазмы, переходных процессов и взаимосвязи плазменной турбулентности с процессами переноса. 6. Исследование возбуждения, распространения и затухания волн в плазме, удерживаемой в тороидальной трехмерной магнитной конфигурации стелларатора. 7. Исследование процессов генерации токов в плазме, создаваемой в трехмерных магнитных конфигурациях, при различных параметрах плазмы и энерговклада. 8. Исследование особенностей формирования и структуры токовых слоев в плазме с ионами различной массы. Получить экспериментальные данные по структуре и эволюции токовых слоев, формируемых в плазме, создаваемой на основе различных благородных газов. 9. Эволюция нагрева плазмы токовых слоев и динамика сверхтепловых потоков плазмы в токовых слоях, формируемых в трехмерных и двумерных магнитных конфигурациях. 10. Расчет трехмерных конфигураций квазистационарного магнитного поля и проведение реперных измерений внешними магнитными зондами в модернизированной установке «Токовый слой». 11. Моделирование и сопоставление особенностей динамики высокоскоростных плазменных потоков в токовых слоях, создаваемых в лабораторных условиях, и в токовом слое хвостовой области магнитосферы Земли. В направлении фундаментальных основ плазменных и микроволновых технологий: 1. Получение новых данных о свойствах газоразрядной плазмы и создание вычислительных моделей на основе метода частиц и Монте Карло для решения прикладных задач. Разработка теории теплопроводности плазменных кристаллов. 2. Изучение физических основ работы, разработка, создание и моделирование новых конфигураций плазменных антенно-фидерных устройств с использованием газоразрядной или полупроводниковой плазмы, элементов СВЧ систем диагностики плазмы. 3. Исследование резонансного усиления нелинейно-оптических эффектов высокого порядка в интенсивных лазерных полях. Разработка методов атомной диагностики мощного жестко фокусированного лазерного излучения. Определение эмиссионных характеристик с учетом многоэлектронной структуры мишени. 4. Исследование и моделирование процесса генерации мощного коллимированного терагерцового излучения при ионизации газовых мишеней фемтосекундными лазерными импульсами высокой интенсивности. 5. Исследование релятивисткой ионизации тяжелых атомов в лазерных пучках мультипетаваттной интенсивности. 6. Моделирование процесса возбуждения магнитных полей экстремальной интенсивности при взаимодействии петаваттных лазерных пучков с плазменными мишенями. 7. Применение различных методов плазменной обработки твердых материалов для улучшения прочности и износостойкости, развитие методов обработки жидких сред с целью создания плазменно-активированных жидкостей и придания им новых перспективных физико-химических характеристик. 8. Инициация разрядов в смесях порошков металлов и диэлектриков в потоке СВЧ излучения мощных импульсных гиротронов с целью синтеза новых микро и наноматериалов. 9. Инициация разрядов в газах и их смесях для разложения вредных примесей или синтеза новых соединений. 10 Разработка технологии получения коллоидных растворов наноуглерода и осаждения поликристаллических алмазных пленок в поле поверхностной электромагнитной волны. 11. Разработка мощных релятивистских СВЧ источников сверхширокополосного излучения – плазменных мазеров. 12. Исследование и моделирование микроволновых свойств магнитных туннельных контактов, возбуждаемых спиновым током. 13. Исследование сверхбыстрой динамики намагниченности в спинтронных гетероструктурах на основе ферри- и антиферромагнетиков, мультиферроиках и мономолекулярных тороиках при включении в состав редкоземельных ионов. 14. Разработка теоретических и численных моделей генерации когерентного коллимированного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с газами и плазмой.