Экспериментальное исследование турбулентной динамики и процессов стохастической кластеризации материи в астрофизической плазме

Содержание

Слайд 2

Актуальность, цель и задачи Сильная турбулентность плазмы: дальние корреляции, перемежаемость, супердиффузия,

Актуальность, цель и задачи
Сильная турбулентность плазмы: дальние корреляции, перемежаемость, супердиффузия, негауссовая

статистика
Сравнительное исследование турбулентности и супердиффузии в астрофизической и лабораторной плазме
Стохастическая кластеризации материи: агломерация ионов и атомов под влиянием динамики турбулентной плазмы, фрактальный рост структур, самоподобие
Экспериментальные установки, исполнители
Программа экспериментов на 2022 г

V.P. Budaev , S.P. Savin, L.M Zelenyi, Physics Uspekhi, 181 , 905-952 (2011)
V.P. Budaev, L.M Zelenyi, S.P. Savin , Journal of Plasma Physics, 81, 395810602, (2015)
V.P. Budaev, Physics Letters A. (2017) 381 43 3706-3713.
V.P. Budaev, Symmetry (2021) 13 796.
V.P. Budaev, Physics of Atomic Nuclei (2016) 79(7) 1137-1162.

План

2

Слайд 3

Актуальность, цель и задачи Актуальность: выявление закономерностей тепло-массопереноса в межпланетной среде

Актуальность, цель и задачи

Актуальность:
выявление закономерностей тепло-массопереноса в межпланетной среде для целей

обеспечения безопасности космических межпланетных полетов, систематизация экспериментальных наблюдений топологии и формообразования астрофизических объектов под влиянием космической плазмы.
Цель исследования:
Экспериментальное исследование универсальных свойств турбулентной динамики, описание топологии астрофизических объектов, универсальных свойств кластеризации и формообразования материи как на больших масштабах, так и на микромасштабах с целью систематизации и выявления закономерностей масштабной инвариантности материи - дилатационных симметрий.

крабовидная туманность

туманность Орион

кластеры лития осажденные из турбулентной плазмы
в установке ПЛМ

туманность Омега

Космическая пыль под микроскопом

3

Слайд 4

Задачи исследования экспериментальные измерения характеристик турбулентности плазмы в лабораторных плазменных установках

Задачи исследования
экспериментальные измерения характеристик турбулентности плазмы в лабораторных плазменных установках и

сравнительный анализ с данными космических спутников;
исследование дальних корреляций и масштабной инвариантности турбулентности плазмы в неоднородных магнитных полях, экспериментальное определение скейлингов самоподобия и сравнение со статистическими моделями развитой турбулентности для определения универсальных закономерностей масштабной инвариантности турбулентности плазмы;
анализ динамики ионов и атомов, в том числе ридберговских, в процессе агломерции под действием турбулентной плазмы с целью выявления закономерностей масштабной инвариантности топологической структуры для систематического описания топологии астрофизических объектов ;
экспериментальные измерения ридберговских состояний атомов в замагниченной лабораторной плазме, исследование условий формирования молекулярных кластеров, в том числе, из ридберговских атомов, сравнительный анализ с астрофизическими наблюдениями, обобщающий анализ данных возможности существования ридберговского вещества;
фрактальный рост агломератов под влиянием динамики турбулентной плазмы;
тепломассоперенос в материалах с фрактальной структурой, сравнительное исследование супердиффузии в астрофизической и лабораторной плазме;
разработка технологий создания материалов с фрактальной структурой для применения в ядерных и термоядерных реакторах, биомедицинского применения, разработки компонентов квантового компьютера, технологий плазменного космического двигателя.

4

Слайд 5

Сильная турбулентность плазмы: дальние корреляции, перемежаемость, супердиффузия, негауссовая статистика Свойство неизотропности,

Сильная турбулентность плазмы: дальние корреляции, перемежаемость, супердиффузия, негауссовая статистика

Свойство неизотропности, нестационарности

турбулентности - причина формирования структур разных масштабов, от микромасштабов до мегамасштабов

5

Слайд 6

Магнитосфера Земли: Interball , 1998 Турбулентность космической плазмы Турбулентные погранслои: сильная

Магнитосфера Земли: Interball , 1998

Турбулентность космической плазмы

Турбулентные погранслои: сильная турбулентность,

перемежаемость, супердиффузия
Универсальные свойства с лабораторной плазмой в термоядерных установках
V.P. Budaev , S.P. Savin, L.M Zelenyi, Physics Uspekhi, 181 , 905-952 (2011)

6

Слайд 7

Низкочастотная турбулентность плазмы в пристеночной зоне термоядерных установок - Флуктуации δϕ/T

Низкочастотная турбулентность плазмы в пристеночной зоне термоядерных установок

- Флуктуации δϕ/T

и δn/n~0,1÷1, ρi ~ 0,02÷0,1, f~1÷ 1000 kHz,
- электростатическая дрейфово-диссипативная турбулентность
- Перемежаемость сильной турбулентности
- Бомовская аномальная диффузия, дальние корреляции
- Тепловая нагрузка на материалы первой стенки и дивертора 0,1-5 MВт/м2

Термоядерные установки (токамаки, линейные установки и др.)
с магнитным удержанием горячей плазмы

перемежаемость
когерентные структуры

7

токамак Т-10

NAGDIS-II

ПЛМ

Слайд 8

Interball Tokamak T-10 NAGDIS-II магнитосфера Земли T-10 токамак широкополосные спектры Универсальность

Interball

Tokamak T-10

NAGDIS-II

магнитосфера
Земли

T-10 токамак

широкополосные
спектры

Универсальность сильной турбулентности плазмы и перемежаемости в турбулентных погранслоях


Перемежаемость (впервые Novikov and Stewart ,1964) - локальное нарушение однородности в турбулентном потоке, когда активные зоны сосущесвуют с квазиламинарными. Перемежаемость - связь всех масштабов . Re, Rem ~102-103 .
Многочисленные наблюдения в лабораторной и космической плазме
V.P. Budaev, L.M Zelenyi, S.P. Savin , Journal of Plasma Physics, 81, 395810602, (2015)

8

Слайд 9

В неравновесной гидродинамической системе (в т.ч. плазме) свойства тепломассопереноса во многом

В неравновесной гидродинамической системе (в т.ч. плазме) свойства тепломассопереноса во многом

определяют турбулентные погранслои

Недиффузионный перенос
Описание интегро-дифференциальными уравнениями типа
Свойство решений – масштабная инвариантность (симметрии).
Описание турбулентности: парадигма каскадов,
подход А.Н. Колмогорова

Будаев, Савин, Зеленый, УФН 2011

Фундаментальная задача: из эксперимента определить свойства масштабной инвариантности

Зеленый, Милованов, УФН 2004

Сильная турбулентность плазмы: масштабная инвариантность и супердиффузия

9

Слайд 10

l l/2 l/4 Модель K41 Колмогорова А.Н. сильной изотропной турбулентности: статистический

l
l/2
l/4

Модель K41 Колмогорова А.Н. сильной изотропной турбулентности: статистический подход, спектр

энергии в модели каскада , простейшее самоподобие турбулентных пульсаций

сильная турбулентность
с перемежаемостью –
отклонение от модели К41 :
многомасштабность,
нетривиальное самоподобие,
дальние корреляции

модель K41
E~k-5/3

ln k

ln E

инерционный диапазон

диссипативный
диапазон

E~k-f(k)

ln k

ln E

турбулентность
с перемежаемостью

E

E/2

E/2

энергия

турбулентный каскад энергии, сильные вихри всех размеров, взаимодействующие друг на друга
турбулентные флуктуации достигают статистического квазиравновесного состояния
самоподобие, масштабная инвариантность, δυl~ l1/3

10

Слайд 11

VA VA VA VA Турбулентность: подходы к описанию в периферийной плазме

VA

VA

VA

VA

Турбулентность: подходы к описанию

в периферийной плазме ТУ :
все масштабы

важны,
нитевидные когерентные структуры вытянутые вдоль магнитного поля долго взаимодействующие -
возврат к подходу локальности Колмогорова

Колмогоров, K41

MГД

ИК
Iroshnikov-
Kraichnan

Goldreich-
Sridhar

малое

большое

B

l

l

tlNL~ l/δlυ

tlNL~ l/δlυ, δlυ= υ’⊥ -υ⊥

tlNL~ l/VA<< l/δlυ

время нелинейного взаимодействия структур tlNL

11

Слайд 12

Статистическая неоднородность - перемежаемость, негауссовская статистика Степенные законы - признак самоорганизации

Статистическая неоднородность - перемежаемость, негауссовская статистика
Степенные законы - признак самоорганизации
турбулентность

вызывает аномально большой поток поперек магнитного поля, у стенки он доминирует

Статистический анализ: функция распределения (PDF)
флуктуаций по амплитуде

поток плазмы на стенку
T-10 токамак

12

негауссовская

Слайд 13

Мультифрактальность (многомасштабность) PDF разностей сигнала δlX(t)=X(t+l)-X(t), зависит от масштаба, l=1-128 μs

Мультифрактальность (многомасштабность)
PDF разностей сигнала δlX(t)=X(t+l)-X(t), зависит от масштаба, l=1-128 μs

lag

l

негауссовая

гауссовая

- используется для моделирования иерархического каскада турбулентности, ограниченного пределом (например, турбулентный пограничный слой в пристеночной плазме)
- каскадную модель К41 Колмогорова следует пересмотреть
- вызывает корреляции

Мультифрактальный подход - обобщение самоподобия с богатыми статистическими свойствами
Отклонение от простейшей Броуновской стохастичности

13

Слайд 14

МГД уравнения имеют структуру и симметрии (группы) подобные уравнению Навье-Стокса :

МГД уравнения имеют структуру и симметрии (группы) подобные уравнению Навье-Стокса

:
∂tu + u · ∇u = − ∇p/ρ+[jB]/c+νΔu
они инвариантны относительно преобразований при замене переменных:
Для вязкости ν = 0 : любое h.
Для ν ≠0 : h на масштабе l
распределены по Ph(l) ~ l 3−D(h).
Фрактальная размерность D(h)
подмножества флуктуаций скорости
с законом δul~ lh

Масштабная инвариантность: свойство турбулентности

Многомасштабность (мультифрактальность)

14

Слайд 15

Сравнительное исследование турбулентности и супердиффузии в астрофизической и лабораторной плазме 15

Сравнительное исследование турбулентности и супердиффузии в астрофизической и лабораторной плазме

15

Слайд 16

〈..〉 усреднение Sq(τ)~τ q/3 гауссовская (для модели K41) Sq(τ)~ τ ζ(q)

〈..〉 усреднение
Sq(τ)~τ q/3 гауссовская (для модели K41)
Sq(τ)~ τ ζ(q) – негауссовская

статистика

Броуновский сигнал

Метод моментов функции распределения
(структурные функции высоких порядков) : демонстрация обобщенной масштабной инвариантности - расширенного самоподобия (ESS )

Аппроксимация экспериментальных PDF известными функциями: очень сложная задача. Альтернативой является описание неоднородности турбулентности на различных масштабах методами моментов PDF (структурными функциями)

16

Toкамак T-10

Sq()

Sq()

Слайд 17

Метод моментов: демонстрация обобщенной масштабной инвариантности - расширенного самоподобия (ESS )

Метод моментов: демонстрация обобщенной масштабной инвариантности - расширенного самоподобия (ESS )

GSE

Bx
TBL MP
Interball, 19.06.1998

Tokamak T-10
edge plasma

q=8
q=7
q=6
q=5
q=4
q=3
q=2

Дальние корреляции и аномальный перенос (супердиффузия) вызваны ESS
С учетом граничных эффектов, универсальность турбулентности

Колмогоров K41 ζ(q)=q/3

Budaev,Savin,Zelenyi e a PPCF 2008

17

Слайд 18

Расширенное самоподобие: обобщенная масштабная инвариантность Benzy и др. , 1993, жидкость,

Расширенное самоподобие: обобщенная масштабная инвариантность

Benzy и др. , 1993, жидкость, феноменологическое

предположение:
даже для умеренных чисел Рейнольдса -

She, Leveque, Dubrulle, 1994:
- “Скрытые” статистические симметрии (группа ) НС уравнений за этими свойствами
-Иерархия моментов
-Логпуассоновская статистика, масштабная инвариантность
- граничный масштаб учтен и влияет на инвариантность

Турбулентность более универсальна даже чем предполагал Колмогоров !

18

Наблюдения в плазме
подобны нейтральной жидкости

Слайд 19

Модели турбулентности с перемежаемостью Логнормальная (Колмогоров,1961,статистика флуктуаций ) Бэта модель (Novikov,

Модели турбулентности с перемежаемостью

Логнормальная (Колмогоров,1961,статистика флуктуаций )
Бэта модель (Novikov, Stewart 1964,Frish

1978)
Мультифрактальная модель (Frish 1985, Sreenivasan e.a. 1991)
Логпуассоновская модель (расширенное самоподобие, She, Leveque, Debrulle, 1994)

турбулентность
нейтральной жидкости
Frish, 1995

экспериментальные скейлинги
ζ(q) плазменной турбулентности получены для сравнения с данными нейтральных жидкостей

ζ(q)

q

19

V.P. Budaev, L.M Zelenyi, S.P. Savin , Journal of Plasma Physics, 81, 395810602, (2015)

Слайд 20

иерархия моментов Обобщение каскадных моделей турбулентности- логпуассоновская модель с пермежаемостью ,


иерархия моментов

Обобщение каскадных моделей турбулентности- логпуассоновская модель с пермежаемостью , случайный

мультипликативный процесс
ln(ε) обладает логпуассоновской статистикой

Скорость диссипации энергии ε на масштабах l1 и l2: ε(l2)=W(l1, l2) ε(l1)
ε(l)~lζ(q) , log(Wq(l1, l2) )/log(l2/l1)= ζ(q)

x=ln εl / ln β.

β - уровень перемежаемости (β=1 → ζ(q)=q/3 колмогоровская модель К41)
Δ - скейлинг наиболее диссипативных перемежаемых структур εl∞ ~l – Δ
Изотропная 3D (She -Leveque model): Δ= β=2/3 если диссипативные структуры - нитевидные филаменты 1D

S(q,l)~ lζ(q) , ζ(q) оцениваются из экспериментальных данных

20

Слайд 21

Универсальность свойств сильной турбулентености с перемежаемостью: пристеночная плазма в термоядерных установках

Универсальность свойств сильной турбулентености с перемежаемостью: пристеночная плазма в термоядерных

установках и космическая плазма в магнитосфере Земли

Логпуассоновская статистика с β=0.3÷0.4 , Δ=0.2 ÷0.44

PPCF 2008, NF 2008, PFR 2008, JPP 2015

космическая
плазма

21

лабораторная
плазма в ТУ

Слайд 22

(2) 1D диссипативные структуры (нитевидные филаменты) , Budaev, 2009 gf :

(2) 1D диссипативные структуры (нитевидные филаменты) , Budaev, 2009
gf :

tlNL ~l(1+θ)2/3 , θ=0, gf =3 ⇒ К41
δlυ ~ l1/gf

(1) 2D диссипативные структуры (листовые), Biskamp and Mueller, 2003
 ζ(q)=q/g2+1-(1/g)q/g

Логпуассоновская модель: 2D и 1D диссипативные структуры

Т-10
tokamak

Budaev PLA, 2009, Budaev Zelenyi Savin IPP 2015

Многие экспериментальные скейлинги получены в термоядерной плазме и в космической - близки к модели для 1D диссипативных структур.

22

α ≈ 1.2 ÷ 1.7 > 1
супердиффузия

Слайд 23

Скейлинги, предсказанные в каскадных моделях Budaev Zelenyi Savin IPP 2015 23

Скейлинги, предсказанные в каскадных моделях

Budaev Zelenyi Savin IPP 2015


23

Экспериментальные данные космических и лабораторных наблюдений использовать для определения скейлингов и сравнения с моделями

Слайд 24

Универсальность турбулентности с перемежаемостью: подобие скейлингов в космической плазме, лабораторной плазме

Универсальность турбулентности с перемежаемостью:
подобие скейлингов в космической плазме, лабораторной плазме термоядерных

установок, аэродинамических ТПС

Budaev e a JPP 2015

ТПС магнитосферы Земли,
токамак Т-10,
аэродинамическая труба T-36И ЦАГИ

Мультифрактальные спектры и скейлинги

Ph(l) ~ l 3−D(h)

24

Слайд 25

Стохастическая кластеризации материи: агломерация ионов и атомов под влиянием динамики турбулентной

Стохастическая кластеризации материи: агломерация ионов и атомов под влиянием динамики

турбулентной плазмы, фрактальный рост структур, самоподобие

25

Слайд 26

Эрозия и разрушения материалов под действием плазмы - трещины, испарение, переосаждение,

Эрозия и разрушения материалов под действием плазмы - трещины, испарение, переосаждение,

плавление, дуговые процессы : много процессов действуют одновременно.
Плазма -стенка: сложная система в неравновесном состоянии

Toкамак Т-10, ~1000 разрядов, 1MW ECRH: растрескивание и дуговые кратеры

W VM-P

Grashin e a FED 146 B (2019) 2100

Взаимодействие плазма-стенка в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы : сильная эрозия материалов

26

Слайд 27

Синергетические эффекты стохастической кластеризации материала под действием плазмы проявляются на большом

Синергетические эффекты стохастической кластеризации материала под действием плазмы проявляются на большом

временном масштабе - 10÷12 порядках величины

рекристаллизация
растрескивание
оплавление
распыление

100 - 10000 секунд

1мс - 10 секунд

10 нс - 100 мкс

10 нс - >10000 секунд : термоядерный реактор

ПЛМ

AUG

КСПУ

Т-10

e-beam

Т-10

e-beam

Т-10

ПЛМ

Дуговая эрозия

наноструктурные высокопористые слои

Исследованные

неисследованные

неисследованные

V. P. Budaev, Physics of Atomic Nuclei 79 (2016) 1137

27

Слайд 28

Действие плазмы: универсальность роста нано- микроструктурных кораллоподобных высокопористых поверхностей W, Mo,

Действие плазмы: универсальность роста нано- микроструктурных кораллоподобных высокопористых поверхностей W, Mo,

Ti, Ni, Fe, С

Ti , гелиевая плазма ПЛМ

Mo
гелиевая плазма ПЛМ

Углеродные переосажденные слои, ТокамакT-10

Будаев , Письма в ЖЭТФ, 2017
V.P. Budaev, Symmetry (2021) 13 796.

W,КСПУ-Т

28

самоподобная иерархическая гранулярность - масштабная инвариантность
Кораллоподобные структуры типа «цветная капуста»

Слайд 29

Иерархическая гранулярность кластеризации поверхности под воздействием плазмы в ТУ 29 Бериллий

Иерархическая гранулярность кластеризации поверхности под воздействием плазмы в ТУ

29

Бериллий облученный

в КСПУ-Ве (ТРИНИТИ, ВНИИНМ Бочвара)

Сильное электрическое поле, создаваемое турбулентной плазмой над поверхностью, регулируют динамику агломерации частиц на поверхности

Стохастическая кластеризация: кораллоподобные структуры (цветная капуста), самоподобие от нанометров до мм

Слайд 30

Дилатационная симметрия- автомодельность кораллоподобные структуры (цветная капуста) Фракталы – самоподобие при

Дилатационная симметрия- автомодельность кораллоподобные структуры (цветная капуста)

Фракталы – самоподобие при растяжении-сжатии

(масштабная инвариантность)
Дилатационные симметрии отражают свойства уравнений состояния
определение:
x→ax : h(x) =a-Hh(ax), a>0
Пример: степенные функции и вейвлет преобразование:

Цветная капуста

Дилатация:
a=x1/x2

Ве бериллий
КСПУ

Масштабная инвариантность - фундаментальное свойство структур материи, в том числе астрофизических объектов. Задача- систематизация скейлингов автомодельности, поиск универсальности

30

Слайд 31

Фрактальная размерность агломератов, сформированных при плазменном воздействии W 1 μm T-10:

Фрактальная размерность агломератов, сформированных при плазменном воздействии

W

1 μm

T-10: D = 2.15÷2.30

Tore-Supra:

D = 2.19

QSPA: D = 2.1÷2.3

DIII-D

W.P.West, HIFRM-7,
Portland, USA, 2004

N.Ohno , DFP Workshop,
Napa, USA,2005

NAGDIS-II

P.V.Romanov et al. J. Nucl. Mat.
307 – 311, 2002, 1294

E.Dechlambre , 30th EPS, P3, 169,
St-Peterburg, 2003

Li

Фрактальная размерность D = 2.15÷2.30

31

Слайд 32

Рост поверхности чувствителен к флуктуациям в потоке при кластеризации: два эффекта


Рост поверхности чувствителен к флуктуациям в потоке при кластеризации: два

эффекта – рост «пиков» и их «размывание» диффузией по поверхности. Описывается уравнением Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) – автомодельное решение, самоподобная (фрактальная) поверхность h(x, t)

h(t,x)
поверхность

В термоядерных установках: при агломерации на поверхности стохастическое движение кластеров\ионов в турбулентных электрических полях пристеночной плазмы

T-10

Функция распределения флуктуаций потока частиц при агломерации – негауссова : рост стохастической поверхности с особой масштабной инвариантностью (автомодельностью)

Шероховатость σ ~ xαΦ(t/xα/β)

Фрактальная агломерация поверхности при воздействии высокотемпературной плазмы

плазма

Будаев В.П., Химченко Л.Н. О ФРАКТАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ОСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК В ТОКАМАКЕ, Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2007. 131. № 4. 711.

33

Слайд 33

Перераспределение массы между кластерами в процессе агломерации (слипание/распад кластеров разного размера)

Перераспределение массы между кластерами в процессе агломерации (слипание/распад кластеров разного размера)

аналогичен каскадному процессу передачи энергии в турбулентности Распределение кластеров по размерам в статистически однородной системе описывается уравнением Смолуховского для коагуляции : m1+m2→m

Ядро автомодельное:
K(hm1,hm2,hm)=hη K(m1,m2,m), K(m1,m2)~m1μm2ν, μ+ν=η.
Автомодельные решения: спектр Колмогорова-Захарова N(m)=Cm-(3+η)/2

Теоретическое рассмотрение агломерации

Степенные спектры высот стохастической поверхности после мощного действия плазмы

формальная аналогия между (1) уравнением для описания нелинейного процесса агрегации-фрагментации и (2) кинетическим уравнением для изотропной 3-волновой турбулентности, C. Connaughton, e a, PRL (2005)

34

Слайд 34

C, токамак T-10 W, плазма КСПУ-T Сталь нерж. плазма КСПУ -T

C, токамак T-10

W, плазма КСПУ-T

Сталь нерж.
плазма КСПУ -T

Промышленный
абразив

Форма агломератов материалов

после плазменных испытаний отличается от «простейшей» (броуновской) шероховатости

Стохастическая кластеризация материалов: степенные законы спектров высот рельефа

Будаев и др, Письма в ЖЭТФ, 2012
Будаев , Письма в ЖЭТФ, 2017
Budaev, PLA, 2017

35

Слайд 35

Стохастические рельефы Вольфрам в КСПУ-Т , 2 МДжм–2 Углеродные пленки в

Стохастические рельефы


Вольфрам в КСПУ-Т , 2 МДжм–2
Углеродные пленки в

токамаке Т-10,

стальная отливка после отвердения в промышленных
условиях плавки

Молибден в магнетронном разряде -низкотемпературная плазма

Воздействие высокотемпературной плазмы

32

Слайд 36

Степенные спектры стохастического рельефа Фурье-спектр высот рельефа S(k)~kp В термоядерных установках

Степенные спектры стохастического рельефа


Фурье-спектр высот рельефа S(k)~kp
В термоядерных установках

р от -2,4 до -2,8
Для сравнительных образцов (отливка и молибден в магнетронном разряде) р от -1,97 до -2,2.
Сравниваем со спектром Колмогорова-Захарова N(m)=Cm-(3+η)/2

Молибден в магнетронном разряде - низкотемпературная плазма


Вольфрам
Высокотемпературная плазма
в КСПУ-Т , 2 МДжм–2

Будаев , Письма в ЖЭТФ, 2017
Budaev, PLA, 2017

36

Слайд 37

Функция распределения высот стохастического рельефа Броуновская шероховатость промышленной стальной отливки Вольфрам

Функция распределения высот стохастического рельефа

Броуновская шероховатость
промышленной стальной отливки

Вольфрам

в плазме КСПУ-Т
Негауссова статистика распределения высот

37

Слайд 38

Поверхность имеет уникальную негауссову статистику высот Автомодельность функции распределения высот: х→aх


Поверхность имеет уникальную негауссову статистику высот

Автомодельность функции распределения высот:
х→aх

: P(х) =a-HP(aх), a>0

Н – показатель Хёрста,
Н=0.5 для простейшего самоподобия
Н=0.7-0.9 для самоорганизованных систем

Н=0.7-0.9
Н=3-Df

Фрактальность – статистическое самоподобие структуры после обработки материалов высокотемпературной плазмой

Подобие другим уникальным материалам: фрактальная размерность кластеризации такая же как и в металлических стеклах (Df =2,31), агрегатах кремния (Df =2.27÷2.65), квази-кристаллах

Будаев В.П., и др. Письма в ЖЭТФ 2012 95 84

38

Слайд 39

Стохастические свойства формы рельефа: после обработки горячей плазмой в термоядерных установках

Стохастические свойства формы рельефа: после обработки горячей плазмой в термоядерных установках отличаются

от иных условий кластеризации

Будаев , Письма в ЖЭТФ, 2017
Budaev, PLA, 2017

39

Слайд 40

Леви пролеты, H=0.7 супердиффузия Броуновское блуждание - классическое Random walks, H=0.5

Леви пролеты, H=0.7
супердиффузия

Броуновское блуждание -
классическое
Random walks, H=0.5

Почему супердиффузия и

траектории типа «пролеты Леви» агломерирующих частиц формируют кораллоподобную форму ?
(1) Случайное блуждание типа броуновского - тенденция прилипнуть к вершинам растущего кластера. В результате растет фрактальная структура типа разветвленного дерева
(2) Движение в турбулентных электрических полях с негауссовой статистикой формирует пролеты в полости растущего кластера, в результате полости фрактального кластера частично «заливаются»

DLA cluster

40

Слайд 41

классическое броуновское движение агломерирующих частиц, H=0.5 Моделирование DLA c Fractional Brownian

классическое броуновское движение агломерирующих частиц, H=0.5

Моделирование DLA c Fractional

Brownian motion может воспризвести кораллоподобную форму , типа «цветная капуста»

Моделирование фрактального роста методом DLA - диффузно ограниченная агрегация

Углерод после
облучения в токамаке T-10

Скоррелированный процесс
Fractal Brownian motion
H>0.5

41

Слайд 42

Космическая пыль под микроскопом Туманность «Морской конёк» в Цефее Формообразование в

Космическая пыль
под микроскопом

Туманность «Морской конёк»
в Цефее

Формообразование в астрофизических объектах:

аналогия с топологией структур из лабораторных плазменных установок с магнитным удержанием плазмы

туманность Омега

T-10 токамак

пыль

лабораторная плазма

астрофизические объекты

42

Слайд 43

Be КСПУ Ридберговские атомы: кандидатный материал для фрактального роста агломератов Остается

Be КСПУ

Ридберговские атомы: кандидатный материал для фрактального роста агломератов

Остается открытым

вопрос о метастабильности атомов и сконденсированной фазы - агломератов

Энергетический спектр атома водорода :
En = –Ry/n2 , где Ry — постоянная Ридберга, n — главное квантовое число . n>>1 - Ридберговские.
Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона Tn:

Оценка при n = 12 время жизни кластера: 25 секунд. 
При n = 80 - время жизни, сопоставимое с возрастом Вселенной. 
[Л. Холмлид, "Красные смещения в космосе, вызванные вынужденным комбинационным рассеянием света в холодной межгалактической ридберговской материи, с экспериментальной проверкой". J. Exp. Теор. Phys. ЖЭТФ 100 (2005) 637–644.]

потенциальная энергия
атомов цезия

R10=28Å

aB = 0.5·10-10 м — боровский радиус, T1 ~ 10-16 с.

Задача систематизации наблюдений ридберговских состояний атомов
в сравнительном анализе космических данных и лабораторных термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы.

Моделирование кластеров
из ридберговских атомов:
перекрытие электронных оболочек

43

Слайд 44

Ридберговские атомы в термоядерных установках: спектры, n=10-20 Плазменная тороидальная установка NAGDIS-T

Ридберговские атомы в термоядерных установках: спектры, n=10-20

Плазменная тороидальная
установка NAGDIS-T

M. Koubiti,

Plasma Phys. 46, 661 (2006)

S Takamura e a Plasma Sources Sci. Technol. 11 (2002) A42

токамак JET
He I Rydberg Levels

Задача наблюдений ридберговских состояний атомов в лабораторных термоядерных установках: регистрация спектров с высоким разрешением

Высокая мощность в термоядерных установках -
благоприятные условия для возбуждения атомов
эродированных материалов

44

Слайд 45

Экспериментальные установки, исполнители 45

Экспериментальные установки, исполнители

45

Слайд 46

Научная группа, исполнители Научная группа коллег из НИУ «МЭИ», ИКИ РАН,

Научная группа, исполнители

Научная группа коллег из НИУ «МЭИ», ИКИ РАН, НИЦ

«Курчатовский институт», МГУ, ИПМ им. Келдыша РАН, ИВТ РАН
Будаев В.П., д.ф.-м.н., профессор, НИУ «МЭИ», ИКИ РАН , НИЦ «Курчатовский институт»
Дедов А.В., д.т.н., член-корреспондент РАН, НИУ «МЭИ»
Лисица В.С., д.ф.-м.н., НИЦ «Курчатовский институт»
Савин С.П., д.ф.-м.н., ИКИ РАН
Меньшов И.С., д.ф.-м.н., профессор, МГУ, ИПМ им. КелдышаРАН,
Попов В.Ю., д.ф.-м.н., профессор, МГУ, ИКИ РАН
Кавыршин Д.И., к.ф.-м.н., НИУ «МЭИ», ИВТ РАН
Елецкий А.В., д.ф.-м.н., профессор, НИУ «МЭИ»,
Федорович С.Д., к.т.н., доцент, НИУ «МЭИ»
Губкин М.К., к.ф.-м.н., доцент, НИУ «МЭИ»
Лукашевский М.В., к.т.н., доцент, НИУ «МЭИ»
студенты, аспиранты 14 человек
Кафедра Общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ»

46

Слайд 47

ПЛАЗМЕННЫЕ, ПУЧКОВЫЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ В НИУ «МЭИ» ПЛМ плазменные установки

ПЛАЗМЕННЫЕ, ПУЧКОВЫЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ В НИУ «МЭИ»

ПЛМ плазменные установки

установки с электронным пучком
1- 320 MВт/м2

диверторные макеты

Испытания материалов камеры реактора ИТЭР

0.5-2.5 MПa, 1 кг/с, 15 - 60o C,
газо-жидкостный генератор, интенсивное охлаждение

теплофизический стенд > 10 MВт/m2

47

Слайд 48

Плазменная установка ПЛМ-М в НИУ "МЭИ" (2021) : исследования турбулентности плазмы,

Плазменная установка ПЛМ-М в НИУ "МЭИ" (2021) : исследования турбулентности плазмы,

испытания материалов и технологий плазменного двигателя

Магнитная линейная система -
мультикасп 8-польный
B = 0.025 Тл на оси, в каспах до 0,2 Тл
ne=1018-1020 м-3,
Te = 1-5 эВ, с фракцией до 50 эВ,
Камера из нерж. стали охлаждаемая
Нагрузка на материал до 10 МВт/м−2
Ионный поток ~ 1023-1025 м−2с−1
Cтационарный разряд до 500 мин

Плазменная установка ПЛМ-М не имеет аналогов в России, будет в ряду самых мощных уникальных установок в мире (MAGNUM-PSI ЕС, MPEX США)

Эксперименты в 2022-2024:
-турбулентность плазмы,спектроскопия, управление турбулентностью ;
- плазменные испытания материалов W, Ti, Li, Sn, B, C ;
-мощная лазерная нагрузка совместно с плазмой: стохастическая кластеризация материалов;
-плазменный двигатель.

Лазерный стенд Nd:YAG LQ529A , 1064 нм, 10 нс,
0,5 Дж,21 ТВт/м2

48

Слайд 49

Получение наноструктурированной развитой поверхности тугоплавких материалов при экспонировании в горячей плазме-

Получение наноструктурированной развитой поверхности тугоплавких материалов при экспонировании в горячей плазме-

формирование фрактальной структуры Будаев В.П. и др ВАНТ, Сер.Термояд. синтез 2017

Плазменная установка ПЛМ НИУ «МЭИ» (2017) :
исследований плазмы и испытания материалов, W, Mo, Ti, Li, С, Fe

Диаметр камеры – 0,16 м
Длина камеры – 0,8 м
Камера из нерж. стали – двойная с водным охлаждением
безмасляными вакуумными насосами 1х10-6 Торр.
Магнитная линейная система , мультикасп 8-польный
Магнитное поле продольное на оси – до 0,01 Тл, в каспах до 0,2 Тл
Рабочий газ – гелий, аргон, дейтерий
Время стационарного разряда до 200 мин и более
Ток плазменного разряда – до 15 А
Плотность плазмы – до 3х1018 м-3
Электронная температура – до 4 эВ
с фракцией горячих электронов до ~ 30 эВ.
Ионный поток на материальный образец - до 3х10 21м−2с−1
Диагностика – электрические зонды, оптическая,
магнитная, калориметрия

49

Слайд 50

ПЛМ -линейная ловушка с мультикасповой магнитной структурой водоохлаждаемая камера диаметр/длина 0.18м/0.72

ПЛМ -линейная ловушка с мультикасповой магнитной структурой

водоохлаждаемая камера диаметр/длина 0.18м/0.72

м
плазменный разряд – диаметр 3.5 cм

1- Та катод
2- экран катода
3 – Nd магниты
4 – катушка магнитного поля
5 - анод
6 - сталь
7 – оптическое окно cathode,

8-польный мультикасп

3D топология линий магнитного поля в каспах

Nd магниты

Ta катод

Budaev e a Magnetohydrodynamics, 2019, 55, 31

Зоны с переменным градиентом магнитного поля, каспы - аналог каспов в магнитосфере планет,
аналог истечения плазмы из магнитосферы Земли

50

плазма

плазма

Слайд 51

Импульсный лазер Nd:YAG модель LQ529A , λ = 1064 нм ,

Импульсный лазер Nd:YAG модель LQ529A , λ = 1064 нм ,

энергия импульса 500 мДж; частота повторений 1-10 Гц, длительность импульса 10 нс.
Фокусировка лазерного пучка 1 - 5 мм2
Испытание W вольфрама с количеством импульсов 1,10 и 100 с энергией импульса 500 мДж при частоте импульсов 1 Гц и длительности лазерного импульса 10 нс.
Плотность мощности пучка - до 21 ТВт/м2

после 1 лазерного импульса W поверхность после 100 лазерных импульсов

Стенд мощного лазерного комплекса в плазменной установке ПЛМ-М

лазер

ПЛМ

51

Слайд 52

Диагностика плазмы и материалов, установки в НИУ «МЭИ» диагностика плазмы -

Диагностика плазмы и материалов, установки в НИУ «МЭИ»

диагностика плазмы - зонды,

болометры,
оптические измерения - спектрометры, монохроматор
анализ структуры материалов - от наномасштабов до макромасштабов - сканирующий электронный микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп, просвечивающий электронный микроскоп, оптический электронный микроскоп, 3D микроскопия, Нанофаб, рентгеновская спектроскопия, РФЭС, измерение пористости,

52

Слайд 53

Программа экспериментов на 2022 г измерение турбулентности плазмы: перенос в турбулентной

Программа экспериментов на 2022 г

измерение турбулентности плазмы: перенос в турбулентной плазме,

свойств супердиффузии в магнитных полях с различным градиентом - в каспах и ламинарных зонах, скейлинги турбулентности ( ПЛМ-М, гелиевая плазма); сравнение со скейлингами астрофизической плазмы солнечного ветра и магнитосферы Земли (данные Интербола и Кластера);
измерения скейлингов самоподобия морфообразования агломератов лития при коагуляции под действием турбулентной плазмы (ПЛМ, гелиевая плазма); сравнение со скейлингами самоподобия астрофизических объектов;
измерения спектров ридберговских атомов в ПЛМ-М гелиевая плазма с инжекцией лития, бора, углерода; сравнение со спектрами наблюдаемыми в космической плазме;
исследование влияния возбужденных атомов на кластеризацию при коагуляции материи: сравнительное измерение характеристик самоподобия структуры агломератов металлов, сформированных в (i) плазме и (ii) плазма+мощное лазерное воздействие (ПЛМ-М, гелиевая плазма).

53

Слайд 54

Перспективы применения высокопористых материалов, полученных после обработки высокотемпературной плазмой новые высокопористые

Перспективы применения высокопористых материалов, полученных после обработки высокотемпературной плазмой

новые высокопористые W

катализаторы разложения воды на кислород и водород

Литиевые высокопористые материалы для электродов аккумуляторов большой емкости


Современные кардиостимуляторы ,
нейростимуляторы с биосовместимой фрактальной структурой с шероховатостью от нанометров

новые высокопористые наноструктурные
материалы (С, Ti, W, Ta)
с размером структур < 1 мкм

54

Слайд 55

Выводы Универсальные свойства сильной турбулентности плазмы, такие как перемежаемость, негауссова статистика,

Выводы

Универсальные свойства сильной турбулентности плазмы, такие как перемежаемость, негауссова статистика, многомасштабность

и мультифрактальность, аномальный перенос и супердиффузия, наблюдаются в космической плазме - магнитосфере Земли и в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы.
Взаимодействие плазмы с материалами в термоядерных установках под действием высокой тепловой плазменной нагрузки приводит к сильной эрозии и вовлечению эродированных материалов в процесс стохастической коагуляции, с образованием нано- и микрометровых агломератов с кораллоподобной структурой и высокопористых слоев, не наблюдавшихся ранее.
Стохастическая кластеризация и формообразование материи под действием турбулентной плазмы приводит к иерархической гранулярности - статистическому самоподобию структур, стоит задача систематизации формообразования на масштабах от микро- до мегамасштабов.
Программа экспериментов на 2022 год включает эксперименты на плазменных установках ПЛМ, ПЛМ-М, электронно-пучковых и теплофизических стендах в НИУ «МЭИ», сравнение скейлингов турбулентности плазмы в лабораторных установках и магнитосфере Земли, сравнительное исследование фрактальной (самоподобной) топологии структур астрофизических объектов со структурой стохастических агломератов из лабораторных плазменных установок с целью выявления влияния турбулентности на формообразование.

55

Слайд 56

Иван Айвазовский “Хаос. Сотворение мира” 1841 Спасибо за внимание! Результаты, представленные

Иван Айвазовский
“Хаос. Сотворение мира”
1841

Спасибо за
внимание!

Результаты, представленные в докладе,

получены в России при выполнении НИР, в том числе при поддержке проекта ГК «Росатом» 223-ЕОТП-УТП, РНФ 17-19-01469, РФФИ, Госзадания МОН
- Предыдущая
Информация об авторе туристско-экскурсионного маршрута
Следующая -
Вебинар по особенностям и порядке подготовки практики

Похожие презентации

Исследования вселенной - НАСА - презентация по Астрономии скачать _
Марс
მზის სისტემა
Исследование космоса
Венера (3 класс) - презентация по Астрономии скачать _
Планеты-гиганты
Таинственный космос
Тема урока: Законы Кеплера – законы движения небесных тел
Развитие представлений о строении мира
Судьбы кубанских космонавтов и летчиков
Презентація на тему: Знак Зодіаку-Телець.
Земля. Луна
Последние достижения космической деятельности
Молочний Шлях. Будова Галактики. Місце Сонячної системи а Галактиці
Искусственные спутники Земли
Созвездие Геркулеса
Путешествие в космос
Диаграмма Герцшпрунга-Рессела, основные области на ней: главная последовательность; гиганты и сверхгиганты; белые карлики
Самые большие телескопы
Определение расстояний до тел СС и их размеров
Презентация на тему Наша Галактика
Девятая планета Солнечной системы
Природоведение 5 класс Спутники планет
Развитие представлений о строении мира
Звичайні та подвійні зорі
Переменные и нестационарные звезды
Астрономія. Всесвіт і поняття нескінченності
Карликовые планеты
Вы можете прислать нам Вашу презентацию и мы опубликуем ее на сайте.
Обратная связь
Для правообладателей
Email: Нажмите что бы посмотреть