«ЕЖЕГОДНЫЙ ОТЧЕТ 2010 НОВОСИБИРСК 2011 ОГЛАВЛЕНИЕ Оглавление Введение 7 1. Физика элементарных частиц 1.1 Детектор КМД-3 1.2 Детектор СНД ...»

Спектр масс в суперсимметричной квантовой хромодинамике ЖЭТФ, 137 (2010), стр. 437-459, (JETP, 110 (2010) 383-405) Найден аналитически спектр масс в суперсимметричной квантовой хромодинамике (SQCD) с произвольным числом цветов Nc и кварковых ароматов NF для кварков с равными массами, в рамках динамического сценария, в котором кварки конденсируются бесцветными парами ( QQ), тогда как цвет остается ненарушенным. Результаты оказались качественно отличающимися от многочисленных предыдущих публикаций в литературе, основанных на гипотезе о дуальности, предложенной N.

Seiberg. Показано, что (в отличие от несуперсимметричной квантовой хромодинамики) как спектры масс, так и даже фазовые состояния теории чрезвычайно чувствительны к соотношению между числом цветов Nc и числом ароматов кварков NF. Получено, что спектры масс прямой и дуальной теорий отличаются параметрически, что свидетельствует о том, что эти теории не эквивалентны.

О спектре масс в суперсимметричной квантовой хромодинамике. Найден аналитически спектр масс в суперсимметричной квантовой хромодинамике (SQCD) с произвольным числом цветов Nc и кварковых ароматов NF для кварков неравных масс, в рамках динамического сценария, в котором кварки конденсируются бесцветными парами ( Q). Показано, что, в зависимости от числа цветов и ароматов кварков и от соотношений между массами кварков, теория может находиться в четырех различных фазах. Описаны свойства этих фаз и найдены спектры масс в каждой из них.

Дан обзор современного состояния экспериментальных и теоретических исследований различных эксклюзивных процессов с двухфотонными начальными состояниями. Подробно обсуждается, какая информация о свойствах волновых функций адронов может быть извлечена из появившихся в последнее время новых экспериментальных измерений сечений таких процессов.

Проведено сравнение с предсказаниями различных теоретических моделей.

Поляризация нуклонов в процессе e+e- NN вблизи порога А.Е. Бондарь, В.Ф. Дмитриев, А.И. Мильштейн, В.М. Страховенко Процесс e+e- NN изучается вблизи порога с учетом поляризации всех начальных и конечных частиц. Благодаря зависимости от энергии электромагнитных форм факторов GE(Q2) и GM(Q2), обязанной взаимодействию нуклонов в конечном состоянии, сильную энергетическую зависимость обнаруживает и поляризация нуклонов N. Показано, что измерение N и дифференциального сечения процесса позволяет определить как модуль отношения, так и относительную фазу этих формфакторов. Для анализа поляризации используются форм факторы, вычисленные с помощью Парижского NN оптического потенциала. Оказалось, что степень поляризации, |N|, достаточно высока в довольно широком интервале энергий выше порога реакции. Будучи особенно высокой для продольно поляризованных пучков, поляризация остается заметной даже если оба e+e- пучка не поляризованы.

Теоретическая физика Влияние изменения массы кварков на нуклеосинтез во время Большого Взрыва Мы вычисляем влияние изменения токовой массы лёгких кварков, mq, на стандартный нуклеосинтез при Большом Взрыве. Изменение mq во время нуклеосинтеза меняет скорости ядерных реакций и, следовательно, первичные распостранённости через изменение энергии связи лёгких ядер.

Было найдено, что относительное изменение mq/mq = 0,016 ± 0,005 даёт лучшее согласие между наблюдаемыми первичными распостранёностями и предсказанными теорией. В основном это происходит из-за уменьшения существующих расхождений для 7Li. Однако, этот метод игнорирует возможное изменение положения резонансов участвующих в ядерных реакциях. Предсказываемая распостранённость 7Li сильно зависит от сечений резонансных реакций 3He(d,p)4He и t(d,n)4He. Мы показываем, что изменение mq во время BBN может сдвинуть положение этих резонансов от гамовского окна, что ведёт к увеличению производства 7Li, усиливая тем самым литиевую проблему.

Размерность пространства-времени D как комплексная переменная:

вычисление петлевых интегралов с помощью размерностного рекуррентного соотношения и аналитических свойств интегралов по D Показано, что размерностное рекуррентное соотношение и аналитические свойства петлевых интегралов как функций комплексной переменной D (размерности пространства-времени) предоставляют регулярный способ получения аналитических выражений для петлевых интегралов. Эти представления имеют вид экспоненциально сходящихся сумм. Дано несколько примеров.

Мы вычисляем точно по d мастер-интегралы для безмассовых трехпетлевых формфакторов в КХД. Вычисление основано на комбинации метода, предложенного недавно одним из авторов (Р.Ли), с другими методами: разложение по секторам реализованное в FIESTA, метод представления Меллина-Барнса и алгоритм PSLQ. Используя наши результаты для мастер-интегралов, мы получаем аналитические выражения для двух недостающих констант в -разложении двух наиболее сложных мастер-интегралов и представляем формфакторы в полностью аналитическом виде.

Размерностное рекуррентное соотношение: простой способ вычисления высоких порядков разложения по Представлены приложения метода, предложенного одним из авторов (Р.Ли). Метод основан на использовании размерностного рекуррентного соотношения и аналитических свойств фейнмановских интегралов как функций параметра размерностной регуляризации d. Метод использовался для получения аналитических выражений для двух недостающих констант в -разложении наиболее сложных мастер-интегралов для трехпетлевых безмассовых кваркового и глюонного формфактора и, тем самым, для представления формфакторов в полностью аналитическом виде. Для иллюстрации силы метода мы приводим следующий член разложения, имеющий трансцендентальный вес 7, одного из наиболее сложных интегралов. В качестве еще одного приложения, мы предствляем три ранее неизвестных члена разложения трехпетлевого непланарного безмассового пропагаторного интеграла. Наш результат выражается только через кратные -ряды в целых точках.

Вычисление многопетлевых интегралов с помощью размерностного рекуррентного соотношения и D-аналитичности Мы представляем метод расчета многопетлевых интегралов, недавно предложенный автором.

Представлен простой способ вывода размерностных рекуррентных соотношений, удобных для автоматизации. Приведены некоторые новые аналитические результаты.

3.2 СР несохранение Ограничения на электрический и слабый дипольные моменты W-бозона arxiv: 1010.2018[hep-ph], направлено в Phys. Lett. B Получены ограничения на параметры CP-нарушения во взаимодействиях WW и WWZ из полных сечений аннигиляции e+e- W+W- при 2E ~ 200 ГэВ.

Можно ли наблюдать нарушение CP-инвариантности в столкновениях тяжелых ионов?

Мы демонстрируем, что, по крайней мере в настоящее время, нет надежного способа обнаружить CP-нарушение в столкновениях тяжелых ионов.

парциальная вероятность и Т-нечетные импульсные корреляции arxiv: 1012.0147[hep-ph], направлено в журнал "Ядерная физика" Найдены парциальные ширины распадов K+l3 и T-нечетные тройные импульсные корреляции в этих процессах, обусловленные электромагнитным взаимодействием в конечном состоянии. Вклады порядка -1 и 0 в соответствующие амплитуды найдены точно. Оценены вклады порядка 1 и показано, что они малы. Полученные результаты сравниваются с результатами других авторов. В некоторых случаях отличие оказывается весьма значительным.

3.3 Квантовая электродинамика Рождение пары фотоном в электрическом поле Вероятность рождения пары фотоном в постоянном и однородном электрическом поле найдена с использованием поляризационного оператора. Получены приближенные выражения для этой вероятности в четырех взаимно перекрывающихся областях энергии фотона. В области высоких энергий вычислены поправки к стандартному квазиклассическому приближению. В области промежуточных энергий при нахождении вероятности используется метод перевала. В этой области вероятность рождения пары в электрическом поле существенно превышает соответствующую вероятность в магнитном поле. Для относительно небольших энергии фотона развито низкоэнергетическое приближение. При очень низких энергиях вычислена вероятность поглощения мягкого фотона частицами, созданными внешним полем.

Теоретическая физика Точная теория фоторождения заряженных частиц во внешнем поле Тезисы доклада на международной конференции "Channaling 2010", Феррара, Италия.

Вероятность рождения пары заряженных частиц фотоном в постоянном и однородном электромагнитном поле произвольной конфигурации вычисляется с использованием мнимой части поляризационного оператора. Разделение по областям энергии фотона такое же, как в электрическом поле. Показано, что в области энергии фотона выше порога рождения пары в магнитном поле, слабое электрическое поле устраняет корневые расходимости вероятности рождения частиц на уровнях Ландау. При низких энергиях действие электрического поля на процесс является определяющим, а влияние магнитного поля связано с его взаимодействием с магнитным моментом рождающихся частиц. Такое взаимодействие проявляется, в частности, в отличии вероятностей рождения пары полем для скалярных и спинорных частиц.

Применение метода DRA к вычислению четырехпетлевых Мы применяем метод DRA для вычисления четырехпетлевых вакуумных интегралов КЭДтипа. Для произвольной размерности D результаты имеют вид кратных сходящихся сумм. Мы используем эти результаты чтобы получить -разложение интегралов вблизи D=3 и D=4.

Аналитическое -разложение мастер-интегралов для трехпетлевых формфакторов и аномального магнитного момента вплоть до четырёхпетлевого трансцензентального веса Мы аналитически вычисляем высшие члены -разложения трехпетлевых мастер-интегралов для трехпетлевых кваркового и глюонного формфакторов и трехпетлевых мастер-интегралов для вычисления аномального магнитного момента электрона в КЭД до трансцендентального веса, типичного для четырехпетлевых вычислений, то есть, до веса 8 и 7, соответственно. Вычисление основано на комбинации метода, предложенного недавно одним из авторов (Р.Ли), с другими методами: разложение по секторам реализованное в FIESTA, метод представления Меллина-Барнса и алгоритм PSLQ.

Плотность индуцированного заряда, создаваемого потенциальной ямой в графене Рассмотрена плотность индуцированного заряда, ind(r), создаваемого потенциальной ямой конечного радиуса R в графене. Результата для ind(r), получен для расстояний r > R. Мы также получили полный индуцированный заряд вне радиуса r > R и внутри этого радиуса в докритическом и сверхкритическом режиме. Рассмотрение основано на удобном представлении плотности индуцированного заряда через функцию Грина электрона в поле.

Влияние сильного лазерного поля на процесс фоторождения e+e - пар Мы изучаем влияние сильного лазерного поля на процесс Бетэ-Гайтлера на релятивистских ядрах. Лазерное поле, распространяющееся в том же направлении, что и падающий фотон выТеоретическая физика сокой энергии, учитывается точно. Два случая подробно рассмотрены. В первом случае энергия падающего фотона в системе покоя ядра много больше массы электрона. При этом присутствие лазерного поля может существенно подавлять вероятность фоторождения при доступных вскоре параметрах лазеров. В другом случае энергия падающего фотона в системе покоя ядра близка, но меньше энергии порога рождения электрон-позитронной пары. Присутствие лазерного поля разрешает процесс фоторождения, и полученная вероятность много больше, чем вероятность рождения только в суперпозиции лазерного и кулоновского полей. В обоих случаях мы получили сильную зависимость вероятности от поляризации лазерной волны и фотона высокой энергии. Наибольшая вероятность достигается при линейной поляризации фотона, параллельной линейной поляризации лазерной волны.

Поляризация электрона и позитрона, рожденных в кулоновском и лазерном полях Рассмотрен процесс рождения e+e- пары в суперпозиции кулоновского и сильного лазерного поля. Найдена вероятность процесса, проинтегрированная по импульсу и просуммированная по проекции спина одной из частиц. Ответ получен точно по параметрам лазерного поля и в борновском приближении по кулоновскому полю. Детально рассмотрен случай циркулярной поляризации монохроматической волны. Получено очень простое аналитическое выражение для вероятности процесса и ее зависимости от поляризации одной из частиц. Вычисление проведено в квазиклассическом приближении для случая докритического лазерного поля, который имеет прямое отношение к эксперименту. Найдена поляризация рожденного электрона (или позитрона).

Сечение фоторождения при высоких энергиях e+ e - пары близко к концу спектра Мы рассматриваем сечение рождения электрон-позитронной пары фотоном большой энергии в сильном кулоновском поле вблизи конца электронного или позитронного спектров. Показано, что это сечение существенно отличается от результата, полученного в борновском приближении и результата, в котором кулоновские поправки получены в предположении, что обе частицы пары являются ультра-релятивистскими. Вычислено также сечение процесса тормозного излучения электроном большой энергии в сильном кулоновском поле в случае, когда конечный электрон не является ультрарелятивистским.

Источник позитронов для линейных коллайдеров с использованием X.Artru, R.Chehab, M.Chevallier, T. Kamitani, T. Omori, L. Rinolfi, В.М. Страховенко, Представлен альтернативный традиционному источник позитронов для e+e- коллайдеров. Он содержит две последовательных мишени. В первой, кристалле вольфрама, ориентированном по пучку электронов с энергией в несколько ГэВ, большое число фотонов генерируется в процессе излучения при каналировании электронов вблизи оси. Эти фотоны рождают e+e- пары во второй, аморфной мишени, расположенной за кристаллом. Между мишенями расположен магнит, способный удалять все или часть заряженных частиц, вылетающих из кристалла. Проведена оптимизация схемы с целью совместить максимальный выход позитронов с приемлемым (позволяющим избежать разрушения мишени) значением пиковой плотности энергии, выделяемой в аморфной мишени.

Теоретическая физика 3.4 Гравитация Интегрирование по связностям в дискретизованных гравитационных Результат интегрирования по связностям плохо определен в дискретной теории поля с некомпактной калибровочной группой с мерой Хаара, экспоненциально растущей в некоторых направлениях. Это обстоятельство изучено в случае функционального интеграла на основе дискретной формулировки первого порядка теории гравитации Эйнштейна. Результат определен как обобщенная функция векторов ребер или тензоров площадок. Сингулярная часть этой функции лежит в нефизической области. Регулярная часть экспоненциально подавлена при больших площадях/ длинах и имеет ряд максимумов приближенно при эквидистантных ненулевых значениях площади. Другими словами, наиболее вероятными является ряд эквидистантных значений элементарной площади (порядка планковского масштаба (10 -33см)2.

Определение интегралов по связностям в дискретизованных гравитационных Интегрирование по связностям изучено в дискретном функциональном интеграле в формулировке первого порядка общей теории относительности. Результат определен как обобщенная функция векторов ребер или тензоров площадок. Результат предыдущей работы получен без перехода в евклидово пространство, непосредственно в пространстве-времени Минковского. Сингулярная часть этой функции лежит в нефизической области. Регулярная часть экспоненциально подавлена при больших площадях/длинах. Вычислены базисные интегралы, по которым общий функциональный интеграл по связностям может быть разложен.

Версия представления действия Редже в терминах связностей Для каждого 4-симплекса определим замкнутое кусочно-плоское многообразие, состоящее из этого 4-симплекса и такого же идентичного с точностью до отражения (назовем его бисимплексом).

Действие гравитации для произвольного кусочно-плоского многообразия может быть выражено через сумму действий для бисимплексов, построенных на 4-симплексах, составляющих многообразие. Для каждого бисимплекса используется представление действия через матрицы вращения (связности) и тензоры площадей. Рассмотрено применение этого представления к функциональному интегрированию. Интегрирование по связностям приводит к результату, экспоненциально убывающему при больших площадях (длинах). Это важно для внутренней непротиворечивости симплициального описания пространства-времени.

3.5 Астрофизика Захват темной материи Солнечной системой. Простые оценки Исследован захват галактической темной материи Солнечной системой, обусловленный гравитационным трехчастичным взаимодействием Солнца, одной из планет и частицей темной материи.

Даны простые оценки для сечения захвата, а также для плотности этих частиц и их распределения по скоростям вблизи Земли.

3.6 Нелинейная динамика и хаос, квантовые диссипативные системы Электронный квантовый транспорт через мезоскопические устройства: разрушение квантовой когерентности и абсорбция из-за взаимодействия с неупорядоченной средой Проблемы квантового хаоса; избранные статьи, представленные Проблема разрушения квантовой когерентности при электронном транспорте сквозь двумерные мезоскопические структуры представляет особый интерес как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения. В публикуемом в этом сборнике докладе был дан анализ эффектов, вызванных взаимодействием электронов с многочастичной слабо-неупорядоченной средой. Входные резонансные состояния электронов в структуре, возбуждаемые через внешние каналы, приобретают ширины не только из-за распады через такие каналы, но также и благодаря возбуждению долгоживущих состояний в самой среде. В результате сечение прохождения электрона с начальной энергией описывается некогерентной суммой, с одной стороны потока, образуемого интерферирующими между собой вкладами распадов уширенных за счет внутреннего трения входных состояний и, с другой стороны, запаздывающего потока электронов, поглощенных и затем заново возвратившихся в полость прежде чем окончательно покинуть ее через те же внешние каналы. Хотя число электронов строго сохраняется при каждом акте рассеяния, заметная их часть возвращается в полость с энергиями существенно меньшими их первоначальной энергии, что происходит из-за диссипации энергии электрона за счет многочастичных эффектов в среде. Эти электроны покидают резонансную область вблизи энергии влетающих частиц и остаются незамеченными при измерениях, ограниченных областью резонансных значений энергии. Поглощение энергии электронов нарушает инвариантность по отношению к обращению времени и проявляется, в частности, в подавлении слабой локализации. Оба эффекта, разрушение когерентности и абсорбция энергии, трактуются в рамках единой микроскопической модели, основанной на общей теории резонансного рассеяния. Все обсуждаемые эффекты управляются единым параметром - спрэдовой шириной входных состояний.

Баллистический электронный квантовый транспорт Рассмотрено влияние слабо неупорядоченного многочастичного фона на неупругое рассеяние электронов при прохождении сквозь двумерные открытые мезоскопические структуры. Предложен новый механизм подавления квантовой когерентности. Температура неупорядоченной среды предполагается нулевой, в то время как входная энергия электрона Ein может как совпадать с энергией Ферми среды, так несколько превосходить её. Одноэлектронные входные резонансы, возбуждаемые в структуре через внешние каналы, оказываются дополнительно уширенными за счет последующего возбуждения долгоживущих состояний среды. Вероятность пролета сквозь полость электрона, первоначально проникшего в неё с энергией Ein, оказывается из-за влияния среды некогерентной суммой двух потоков, первый из которых формируется за счет интерференции вкладов уширенных за счёт поглощения средой входных резонансов, тогда как второй представляет из себя запаздывающий поток электронов, переизлученных средой обратно в полость. Хотя число частиц строго сохраняется при каждом акте рассеяния, существует вероятность потери (абсорбции) части электронной энергии. Последняя уходит на нагревание среды. Такие электроны могут покинуть резонансный интервал и остаться поэтому незарегистрированными. В результате оказывается нарушенной симметрия по отношению к обращению времени и, как одно из следствий, возникает подавление эффекта слабой локализации. Оба эффекта: разрушение квантовой когерентности и абсорбция описываются в рамках единой микроскопической модели, основанной на общей теории Теоретическая физика резонансного рассеяния. Все рассматриваемые эффекты контролируются в конечном итоге единым параметром - спредовой шириной входных состояний, которая и фиксирует степень потери квантовой когерентности.

Классический и квантовый динамический хаос: чувствительность к слабым внешним возмущениям, стабильность и обратимость движения решением оргкомитета отобрано для публикации в: Проблемы квантового хаоса;

избранные статьи, представленные на международную конференцию CHAOS2010, Экспоненциальная чувствительность классических хаотических систем к любому внешнему влиянию по существу лишает смысла рассмотрение таких систем как замкнутых. Любое как угодно слабое возмущение со стороны внешней среды, носящее обычно характер шума, кардинально меняет движение системы, превращая его в необратимый случайный процесс. В противоположность этому квантовая динамика той же самой системы оказывается значительно более устойчивой по отношению к внешним возмущениям. Это важное различие обусловлено принципиальным различием в сложности классических и квантовых состояний которую можно количественно охарактеризовать числом гармоник функции распределения в фазовом пространстве в первом случае и квантовой функции Вигнера - во втором Альтернативным показателем степени сложности квантового состояния может служить информационная энтропия Шеннона I(t). Следует подчеркнуть, что в обоих случаях квантовые фазы не входят здесь в рассмотрение.

Как в классическом, так и в квантовом случаях чувствительность движения к внешнему возмущению принято описывать, анализируя временной распад фиделити Переса, то есть, иными словами, средневзвешенного расстояния между двумя фазовыми распределениями (классическими или квантовыми соответственно), эволюционирующими в соответствии с двумя отличающимися друг от друга гамильтонианами. Это, в частности, позволяет установить прямое количественное соотношение между степенью потери памяти о начальном состоянии с одной стороны и степенью сложности (числом гармоник) с другой. В случае классической хаотической динамики число гармоник распределения в фазовом пространстве растет со временем экспоненциально, причем темп этого роста определяется показателем Ляпунова, который характеризует экспоненциальную нестабильность классических траекторий. В то же время, число гармоник квантовой функции Вигнера в силу квантования фазового пространства растет со временем лишь степенным образом.

Именно из-за этого квантовая динамика и оказывается существенно устойчивее классической.

Способ, которым проявляется разрушение квантовой когерентности зависит от природы рассматриваемой физической величины. Например, в присутствии стационарного внешнего шума естественной характеристикой движения является фиделити усредненное по реализациям шума при фиксированном его уровне. Тем самым вводится в рассмотрение усредненная матрица плотности. Поскольку эволюция последней уже не является унитарной, это влечет за собой образование смешанных состояний и подавление квантовой когерентности. Определенную таким образом функцию фиделити оказывается возможным аналитически вычислить только в двух предельных случаях: очень слабого шума ( < 1), когда справедлива теория возмущений, и очень сильного шума ( > 1), когда эволюция усредненной матрицы плотности становится марковской. В промежуточной же области умеренного шума временная эволюция фиделити обнаруживает черты масштабной инвариантности.

Образование под действием шума смешанных состояний ведет к потере памяти о начальном состоянии. Поэтому становится естественным рассмотрение инвариантной (то есть независимой от квантово-механического базиса) энтропии фон Неймана. В отличие от информационной энтропии Шеннона I(t), энтропия фон Неймана чувствительна к квантовым фазам и поэтому остается в течение эволюции меньше меньше последней. С течением времени энтропия S(;t) растет, монотонно приближаясь снизу к I(t). В конечном итоге обе они сравниваются к моменту времени t(dec) () ~ (здесь D - классический коэффициент диффузии). Фазовая когерентность оказываD ется к этому моменту полностью разрушенной, а система занимает в фазовом пространстве максимально допустимый при достигнутой к этому моменту степени возбуждения. После этого происходит лишь “адиабатическое” расширение при практически постоянной энтропии.

Стоит, наконец, отметить, что степень обратимости движения под влиянием стационарного шума, действующего в течение всего цикла движения вперед и назад по времени определяется “чистотой” квантового состояния в момент обращения времени t.

J. Sib. Fed. Univ. Math. Phys., 2010, Volume 3, Issue 3, Pages 303-310.

Изучается квантовая динамика нестационарных одномерных систем, хаотических в классическом пределе и находящихся под действием однородного внешнего шума. Исследованы стабильность и обратимость движения, которые описываются количественно с помощью единой характеристики, называемой fidelity Переса. Последняя зависит от уровня (интенсивности) шума и может быть подсчитана аналитически в пределах слабого или очень сильного шума. В частности, найдено критическое значение уровня шума c(t), ниже которого эффект шумового возмущения остаётся слабым вплоть до времени t. Обнаружено, что после времени Эренфеста tE критический уровень шума алгебраически (а не экспоненциально, как в классическом случае) падает со временем. Получена оценка времени td() полного исчезновения квантовой когерентности. После этого времени матрица плотности становится диагональной, а динамика приобретает марковский характер.

Матрица Гугля, динамические аттракторы и сети Улама e-print: arXiv:0905.4162v2 [cs.IR] (2009); Phys.Rev.E 81, 036213 (2010).

Мы исследовали свойства матрицы Гугля, полученной из дискретизованного оператора Фробениуса-Перрона для типичного отображения Чирикова с включенной диссипацией. Используемое приближение конечномерной матрицей основано на методе Улама. Этот метод, примененный к конкретной динамической модели, порождает ориентированную сеть Улама, обладающую масштабной инвариантностью и другими характеристиками, весьма похожими на соответствующие в реальной сети Интернета. Простые динамические аттракторы играют при этом роль популярных сайтов, концентрирующих на себе критерий значимости (Page Rank). Показано, что вариации параметра в алгоритме Гугля, а также параметров динамического отображения могут привести систему в делокализованное состояние, отвечающее появлению странного аттрактора, при котором используемый в поисковой системе Гугль алгоритм для вычисления коэффициента значимости сайтов (Page Rank) станет неэффективным.

e-print: arXiv:1002.4583v2. [cond-mat.dis-nn] (2010); Phys. Lett. A 374, 3206 (2010).

Метод матрицы Гугля, применяемый в информатике и в поисковиках сети Интернета, применен для анализа свойств нейронных сетей. Матрица Гугля G для нейронной сети построена на основе модели мозга, обсуждавшейся в PNAS 105 (2008) 3593. Показано, что спектр собственных значений G имеет бесщелевую структуру с долгоживущими релаксационными модами. Пейджранг (PageRank) нейронной сети оказывается делокализованным лишь при определенных значениях демпфирующего гуглевского параметра ; исследованы свойства и остальных собственных состояний G. Обсуждено сходство и дальнейшие аналогии между глобальной сетью Интернета и нейронными сетями мозга.

Теоретическая физика e-print: arXiv:1005.0778v1 [cond-mat.stat-mech] (2010) Подробно исследованы свойства классических и квантовых сильно нелинейных цепочек методами детального численного моделирования. Из-за сильной нелинейности классическая динамика таких цепочек остается хаотической при сколь угодно малых энергиях возбуждения. Показано, что коллективные возбуждения классических цепочек описываются звуковыми волнами с коэффициентом затухания степенным образом зависящим от волнового вектора, с показателем степени, принимающим универсальное значение. Свойства квантовых цепочек изучались с помощью квантового метода Монте Карло. Обнаружено, что низкоэнергетические возбуждения описываются эффективными фононными модами, скорость звука в которых существенно зависит от эффективной постоянной Планка. Из наших результатов следует, что при низких энергиях квантовые эффекты риводят к подавлению хаоса и установлению квазиинтегрируемого режима эффективных фононных мод.

e-print: arXiv:1006.4270v1 [cs.IR] (2010), Eur.Phys.J. B 77, p.523 (2010).

Вавилонская библиотека, описанная Хорхе Луи Борхесом, хранила невероятное количество информации, существовавшей с незапамятных времен. Википедия, недавно созданная бесплатная онлайн энциклопедия, уже стала современным аналогом такой библиотеки. Извлечение информации и ранжирование наиболее нужных статей Википедии является важнейшей задачей современного общества. В то время, как пейэджранк (PageRank) подчеркивает наиболее известные (цитируемые) статьи с большим числом входящих линков, чейранк (CheiRank) подчеркивает в статьях их коммуникативность - большое число исходящих линков. Таким образом возникает двупараметрическое ранжирование статей. Используя чейранк и пейэджранк, мы проанализировали свойства такого двумерного распределения всех статей Википедии (английский вариант) и показали, что оно дает разумную классификацию с богатыми и нетривиальными возможностями. Детальный (по категориям) анализ, проведенный для стран, университетов, выдающихся людей, физиков, шахматистов, для компаний, входящих в список Доу-Джонса и других категорий, показывает и эффективность, и адекватность такого ранжирования.

Физика плазмы управляемый термоядерный синтез 4.1 Результаты исследований на установке ГДЛ 4.1.1 Введение Многие проекты термоядерных реакторов на основе магнитных систем открытого типа для удержания плазмы имеют общую структуру. Основной частью реактора является пробкотрон, где выделяется подавляющая доля термоядерной мощности, а к концам пробкотрона присоединены специальные магнитные ячейки, предназначенные для подавления продольных потоков частиц и энергии. Как было показано еще в пионерских работах, термоядерный реактор на основе пробкотрона в простейшей конфигурации из-за большого уровня продольных потерь не может иметь коэффициент усиления мощности, существенно превышающий единицу. В разные годы было предложено несколько эффективных способов ограничения продольных потоков частиц и энергии из пробкотронов: амбиполярные ячейки, гофрированные ловушки и др.

Независимо от метода подавления продольных потерь, задача создания конкурентоспособных систем термоядерного класса на основе магнитных ловушек открытого типа предъявляет ряд требований к главной реакторной части такой системы – основному пробкотрону. Одно из требований вытекает из задачи минимизации размеров будущего реактора и заключается в необходимости иметь максимально достижимую с технической точки зрения величину магнитного поля. Это ведет за собой необходимость использования простейшей осесимметричной конфигурации магнитной системы. Кроме того минимизация объема реактора требует обеспечения возможности удержания плазмы с величиной относительного давления 1 (- отношение давления плазмы к давлению магнитного поля, =8p/B2, где p – давление плазмы, B – величина магнитного поля). Третье важное требование вытекает из того обстоятельства, что удерживаемая в пробкотроне плазма с термоядерными параметрами, как правило, не может иметь изотропную в пространстве скоростей равновесную функцию распределения ионов. Это может быть обусловлено отсутствием ионов внутри «конуса потерь» в пространстве скоростей, а также инжекцией атомарных пучков с узким угловым распределением для нагрева плазмы и поддержания баланса частиц.

Таким образом, центральный пробкотрон термоядерного реактора на основе магнитной ловушки открытого типа должен быть осесимметричным и обеспечивать удержание неравновесной плазмы с термоядерными параметрами и 1. Перечисленные требования являются особенно жесткими для проектов термоядерных реакторов с относительно малым или нулевым уровнем потока нейтронов на, так называемых, альтернативных топливах: d-3He, p-11B.

Рис.(4.1)1. Схематичное изображение установки ГДЛ: 1 – центральная вакуумная камера; 2 – торцевые баки; 3 – катушки центрального соленоида; 4 – пробочные катушки; 5 – порты вакуумной откачки; 6 – титановые испарители; 7 – инжекторы нейтральных пучков; 8 – поглотители пучков;

9 – генератор предварительной плазмы; 10 – секционированные поглотители плазмы (центральные диски заземлены, внешние кольца – под потенциалом около +300 В); 11 – лимитеры (также под потенциалом около +300 В); 12 – теплая плазма; 13 – горячие ионы; 14 – системы инжекции газа.

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез Установка «газодинамическая ловушка» (ГДЛ), которая в течение ряда лет работает в Институте, является хорошей моделью центральной части реактора на основе открытой ловушки, поскольку имеет магнитную систему с осесимметричной конфигурацией и предназначена для удержания неравновесной плазмы с высоким относительным давлением. Основной частью установки ГДЛ (Рис (4.1) 1.) является аксиально-симметричный пробкотрон с большим пробочным отношением, предназначенный для удержания плазмы, которая содержит две ионные компоненты с сильно различающимися энергиями. Одна из компонент - теплые ионы с изотропной в пространстве скоростей максвелловской функцией распределения имеет температуру около 200 эВ, плотность nw 21019м-3 и удерживаются в газодинамическом режиме. Другая компонента представляет собой горячие ионы, которые образуются в результате наклонной инжекции пучков атомарного водорода или дейтерия в плазму. Энергия инжектируемых атомов лежит в диапазоне 23-25 кэВ, а быстрые ионы, образовавшиеся в результате ионизации атомов, удерживаются в адиабатическом режиме, совершая продольные баунс-колебания между точками остановки вблизи магнитных пробок. Энергетическое время жизни быстрых ионов в основном определяется их торможением за счет столкновений с электронами и оказывается много меньшим характерного времени их углового рассеяния. Таким образом, горячие ионы имеют анизотропную в пространстве скоростей функцию распределения, относительно малый угловой разброс, а их плотность и давление оказываются пикированными вблизи области остановки. Средняя энергия быстрых ионов составляет Eh 10 кэВ, а их плотность вблизи области остановки достигает nh 51019м-3. Температура электронов при этом достигает Te = 230 эВ.

Программа исследований на установке ГДЛ в основном ориентирована на решение фундаментальной научной проблемы удержания неравновесной плазмы с высоким относительным давлением в осесимметричном пробкотроне. Эта проблема включает следующие задачи:

1. Достижение малого уровня поперечных потерь по сравнению с продольными в режимах с высоким значением b. Следует отметить, что в общем случае осесимметричная магнитная ловушка не обладает конфигурацией благоприятной для обеспечения МГД устойчивого удержания плазмы.

2. Изучение влияния микронеустойчивостей на удержание плазмы. Микронеустойчивостями называют явления, связанные с генерацией электромагнитных волн в неравновесной плазме.

Электромагнитные колебания способны существенно модифицировать кинетические процессы в плазме и, следовательно, влиять на ее удержание.

3. Исследования МГД равновесия плазмы в режимах с высоким значением. Условие означает значительное отличие значения магнитного поля внутри плазмы от вакуумного, с чем, естественно, может быть связан ряд процессов, определяющих равновесные конфигурации.

На начало 2010 года в развитии эксперимента на установке ГДЛ был достигнут значительный прогресс. Установка была существенно модернизирована: увеличена мощность системы атомарной инжекции, увеличено магнитное поле, усовершенствован диагностический комплекс. Кроме того был проведен цикл исследований, направленный на реализацию и обоснование метода вихревого удержания, который предназначен для подавления поперечных потерь плазмы при развитии МГД неустойчивостей. Указанные результаты позволили достичь режимов с максимальным значением относительного давления вплоть до =0,6, что сегодня является рекордом для осесимметричных систем открытого типа для магнитного удержания плазмы.

Настоящий раздел включает описание и результаты трех циклов экспериментальных исследований на установке ГДЛ.

Первая серия исследований была направлена на завершение обоснования метода вихревого удержания и посвящена прямой экспериментальной демонстрации вихревого движения плазмы в соответствующих режимах. Параллельно были проведены измерения предельно достижимой температуры электронов и измерены уровни поперечных потерь энергии в оптимизированных режимах с вихревым удержанием. В последней серии исследований проведены обзорные эксперименты, направленные на обнаружение возможных микронеустойчивостей.

4.1.2 Изучение движения плазмы при вихревом удержании Метод вихревого удержания предполагает отказ от стабилизации МГД неустойчивости, его идея заключается в модификации неустойчивого движения плазменного столба поперек магнитного поля таким образом, чтобы линии потока плазмы оказывались замкнутыми. Это достигается путем создания зоны дифференциального вращения вблизи радиальной границы плазменного столба при помощи специальных электродов: секционированных поглотителей плазмы и радиальных лимитеров.

Рис.(4.1)2. Упрощенная картина движения плазменного столба без вихревого удержания (слева) и при его реализации (в центре и справа): согласно теоретической модели при вихревом движении возможны только азимутальные моды m =1 и m = 2.

Согласно результатам численного моделирования [9] в ГДЛ движение сечения плазменного столба в плоскости перпендикулярной магнитному полю может иметь либо характер вращения вокруг оси установки с небольшим смещением относительно оси (азимутальная мода m=1), либо сечение плазмы приобретает эллиптическую форму, а вращение происходит вокруг оси симметрии эллипса, совпадающей с осью установки (рис.(4.1)2). В направлении параллельном магнитному полю возмущения должны распространяться на всю длину ловушки (желобковый характер колебаний). На начало 2010 года метод вихревого удержания был достаточно обоснован теоретически и экспериментально, однако со стороны эксперимента не хватало очень важной детали – прямого наблюдения вихревого движения плазмы. Поскольку, согласно выводам теории, метод вихревого удержания может быть использован в системах термоядерного класса, его окончательное обоснование представляется исключительно важной задачей.

Рис.(4.1)3. Характерный вид сигналов азимутального набора зондов (колебания радиальной компоненты магнитного поля). Основные стадии: 0-1 мс — нет колебаний большой амплитуды с чётко выраженной частотой; 1-2 мс — колебания с азимутальным числом m=1; 2-4 мс — колебания с азимутальным числом m=2; >4 мс — распад плазмы, частота колебаний заметно уменьшается на периоде колебаний.

Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез Для изучения движения плазменного столба были сконструированы и изготовлены две системы малогабаритных магнитных зондов (катушки Мирнова), способных измерять колебания радиальной компоненты магнитного поля в диапазоне частот до 100 кГц. Одна из систем представляла собой кольцо, на котором эквидистантно были закреплены 16 зондов. Кольцо охватывало плазменный столб в окрестности области остановки горячих ионов. Другая система представляла собой сборку из 12 зондов, расположенных эквидистантно на прямой штанге длиной 0,9 м. Линейная сборка располагалась параллельно оси установки вблизи плазменного столба. Центр сборки был расположен в области с пробочным отношением 2. Каждый из зондов подключался к каналу цифрового регистратора формы импульсов, имеющего адекватное временное и амплитудное разрешение.

В ходе экспериментов, которые проводились в режиме с электронной температурой до Te =200эВ и относительным давлением до =0,55, были изучены пространственные и частотные спектры колебаний плазменного столба при помощи катушек Мирнова и других диагностик.

Обнаружено, что колебания имеют одну доминирующую моду в каждый момент времени. Однако, в режимах с максимальными параметрами, номер моды не остаётся постоянным в течение всего эксперимента. Обычный сценарий следующий: в течение первой миллисекунды от начала инжекции атомарных пучков колебаний не наблюдается, затем в промежутке от 1 до 2 мс доминирует первая мода, примерно в 2 мс происходит резкий переход ко второй моде, которая остаётся доминирующей до конца эксперимента. На рис.(4.1) 3 приведён сигнал с круговой сборки зондов Мирнова в момент смены номера моды. Первая мода на рис.(4.1) 3 доминирует до момента времени t = 2.1 мс; в это время соседние «линии максимумов» переходят друг в друга. После t = 2.15 мс определяющей становится вторая мода, меняется угол наклона «линий максимумов» и они начинают переходить не в соседние, а перескакивают через одну. На рис.(4.1) 4 представлены спектры данного сигнала. На представленных спектрах видно, что в период 1-2 мс, доминируют колебания первой моды, с частотой около 40 кГц, а в период 2-4 мс, главную роль играют колебания второй моды, частота которых близка к 20 кГц.

Рис.(4.1)4. Спектры сигналов 1-2 мс (вверху) и 2-4 мс (внизу) Для интерпретации результатов отметим два обстоятельства. Во-первых, переход от m=1 к m=2 происходит быстро и глобальные параметры плазмы, определяющие режим удержания, не успевают измениться. Во-вторых, измеряемая частота — это частота следования пиков мимо зонда, то есть измеряемая частота, есть произведение частоты вращения плазмы на номер моды. Согласно выводам работы [9], частота вращения плазмы, определяемая приложенным на периферии потенциалом, обратно пропорциональна номеру моды fm = f1 / m. Учтём также частоту вращения fамб, появляющуюся в плазме «естественным» образом — за счёт амбиполярного потенциала, спадающего на периферии плазмы. Учитывая два этих слагаемых, получим:

Отметим, что без учёта амбиполярного вращения плазмы измеряемая частота не должна зависеть от номера моды. Используя (1) для перехода от m=1 к m=2, можно вычислить характерные частоты: f160 кГц и fамб 20 кГц.

Продольные длины волн изучались с помощью линейной сборки зондов Мирнова и датчиков прошедших пучков. На рис.(4.1) 5 приведён сигнал с линейной сборки зондов того же эксперимента, что и сигнал с круговой сборки на рис.(4.1) 3. Сигналы всех зондов линейной сборки имеют одну фазу. Это означает, что длина волны превосходит размер линейной сборки, равный 1 м. И позволяет предположить, что колебания носят желобковый характер. Дополнительные измерения колебаний линейной плотности плазмы в центральном сечении и корреляционный анализ показал, что азимутальные положение желобка в центральном сечении (измерено детекторами прошедших пучков) и в точках остановки (измерено зондами Мирнова) совпадают с точностью до 10. То есть продольная длина волны превышает длину установки. Это окончательно доказывает желобковую природу колебаний.

Рис.(4.1)5. Сигнал с зондов Мирнова в зависимости от продольной координаты z и времени.

По результатам данной серии экспериментов можно сделать два важных вывода:

1. Продемонстрировано, что в режиме с дифференциальным вращением движение столба плазмы в поперечном направлении имеет вихревой характер;

2. Возмущения равновесия плазмы при этом имеют характер желобков с азимутальным волновым числом m=1, либо m=2, что находится в соответствии с теоретической моделью [9].

4.1.3 Предельно достижимая температура электронов и баланс энергии Параллельно с экспериментами по изучению движения плазмы при вихревом удержании была проведена оптимизация экспериментальных параметров с целью достижения максимальных значений электронной температуры, которая в условиях ГДЛ является одним из главных параметров, определяющих энергетическое время жизни горячих ионов. Кроме того были проведены измереФизика плазмы и управляемый термоядерный синтез ния, позволившие проанализировать баланс энергии при оптимизированных параметрах.

Наибольших значений температуры электронов удалось достичь в режиме с инжекцией 4, МВт дейтериевых пучков в дейтериевую плазму. На рисунке (4.1) 6 показана временная зависимость электронной температуры. Начало отсчета соответствует началу атомарной инжекции.

Рис.(4.1)6. Зависимость температуры электронов от времени в режиме с инжекцией 4.8 МВт D пучков в D плазму: точки – результат измерений, линия – результат «0-мерного» моделирования с учетом продольных потерь в газодинамическом режиме.

Для сравнения приведены результаты численного моделирования процесса нагрева плазмы при атомарной инжекции с использованием модели бесстолкновительного течения максвелловской плазмы через пробки [5], которая адекватна условиям эксперимента на установке ГДЛ. Неплохое совпадение результатов такого моделирования с результатами измерений свидетельствует о малой величине мощности поперечных потерь тепла по сравнению с мощностью продольных потерь.

Численную оценку отношения мощности поперечных потерь к мощности продольных удалось получить благодаря специальной серии измерений, где использованы пироэлектрические болометры, позволившие измерить распределения плотности мощности на поверхности поглотителей плазмы. Эти измерения проведены в наиболее близком к стационарному режиме с инжекцией водородных пучков в водородную плазму. Мощность нагрева плазмы (захваченная мощность атомарных пучков за вычетом мощности потока нейтралов перезарядки из плазмы) составила 1,4±0, МВт, а измеренная мощность продольных потерь - 1,3±0,2 МВт. Таким образом, в этом режиме отношение мощности поперечных потерь энергии не превышает 20% от мощности продольных.

4.1.4 Высокочастотные электромагнитные колебания Анализ работ прежних лет показывает, что при сегодняшних параметрах плазмы в ГДЛ возможно развитие альфвеновской ионно-циклотронной неустойчивости. Основные параметры, определяющие «порог» развития данного типа микронеустойчивости:

=8nf /B2 – относительное давление;

A / – степень анизотропии, где nf - плотность и средняя энергия горячих ионов, B – магнитное поле, - характерная угловая ширина функции распределения горячих ионов. Приближенным критерием «порога» развития неустойчивости является неравенство A · > k, где k 110.

Для сегодняшних параметров ГДЛ: A >> 1, 0,5.

Для регистрации электромагнитных колебаний на частотах в области частоты ионно- циклотронного резонанса (ci=2,7 МГц) вблизи плазмы установлен магнитный зонд, способный измерять колебания трех компонент вектора магнитного поля: Bz, Br, B. Характерными признаками альфвеновской волны, возникающей в плазме при развитии альфвеновской ионно-циклотронной неустойчивости являются следующие:

1. направление вращения вектора поляризации волны совпадает с направлением циклотронного вращения ионов;

По оси дрейфовой структуры в рабочем режиме проходит электронный пучок с током от 1 до 20 А при энергии до 50 кэВ. При этом плотность тока в электронном пучке Je может достигать кА/см2 (диаметр электронного пучка ~ 1,1 мм). Мощность в пучке достигает 1 МВт, а плотность мощности - до 100 МВт/см2.

Любое рассогласование электрических и магнитных полей в области ЭОС от катода электронной пушки до электронного коллектора может привести к серьезной аварии. Для обеспечения необходимого уровня надежности установки MIS-1 необходимы 2 уровня защиты.

Рис. (5.11)1. Дрейфовая структура MIS-1.

Установки со встречными электрон-позитронными пучками Рис.(5.11) 3. Анодный модулятор.

Первый уровень защиты обеспечивается системой электропитания установки, в которой предусмотрена очередность включения и выключения всех функциональных систем питания с обязательным наличием защиты от перегрузок при гарантированном наличии необходимых блокировок: по системе охлаждения дистиллятом, воздушному охлаждению, по наличию необходимого вакуума в вакуумной камере, при условии наличия номинального фокусирующего поля 3 Т внутри дрейфовой структуры.

Второй уровень защиты обеспечивается электронной системой управления. В ней предусмотрены необходимые быстродействующие блокировки, необходимое согласование параметров ЭОС и магнитной фокусирующей системы, управление параметрами остальных систем.

В ближайшее время установка будет смонтирована, механически отъюстирована и будет начата взаимная юстировка электронно-лучевой системы и магнитной фокусирующей системы MIS- в безопасном режиме с током электронного пучка не более 1,5 А при длительности импульсов от 100 мкс до 1 мс и фокусирующем магнитном поле от 1 до 3 Т.

В результате должны быть надежно обеспечены минимально возможные потери электронного пучка. В области электронной пушки, токооседание на анод ~ 10 -3, а в области дрейфовой структуры и ионной ловушки на уровне ~ 10-5 Je.

Предварительно будет проведен прогрев вакуумной камеры и системы внутренней откачки на основе НЭГ (Нераспыляемого геттера).

По завершении юстировки ЭОС и магнитной фокусирующей системы будет начат этап по запуску всех рабочих систем установки и подготовке к проведению экспериментов по получению пучков многозарядных ионов и их анализу.

В области ионной ловушки установлены два образца твердых элементов, ниобий и графит с системой импульсного дозированного напуска атомов этих элементов в ионную ловушку, вмонтированы внутренние элементы газовой системы, которая должна будет обеспечивать дозированный напуск газообразных элементов в область ионной ловушки.

5.12 Работы по электрон-позитронным фабрикам и физике пучков В 2010 году было выполнено две работы по данной теме.

Уже давно при чтении лекций по курсу «Коллективные эффекты в физике пучков» ощущалось некоторое неудобство, связанное с укороченным изложением в изданном в 1996 году учебном пособии Д.В. Пестрикова «Лекции по когерентным колебаниям» (НГУ, 1996) вопросов о расфазировках пучков и сгустков и о затухании Ландау когерентных колебаний. Первоначально предполагалось, что не изложенные в пособии результаты студенты получат в ходе решения ими задач и упражнений. Сходным недостатком страдало и изложение этих вопросов в монографии Н.С. Диканского и Д.В. Пестрикова «Физика интенсивных пучков в накопителях» (Наука, 1989). Устраняя эти недочеты, в 2010 году Н.С. Диканский и Д.В. Пестриков выпустили учебное пособие: «Затухание Ландау и расфазировки когерентных колебаний пучков в накопителях» (НГУ, 2010). Помимо более систематического и подробного изложения этих вопросов пособие позволяет ознакомить студентов с практическим применением распространенных приемов теории линейных когерентных колебаний при решении такого рода задач.

Другая работа была посвящена изучению влияния разброса частот колебаний частиц на развитие в накопителях быстрых неустойчивостей поперечных когерентных колебаний одиночных сгустков. Нас интересовали неустойчивости с большим числом перекрытых синхробетатронных мод когерентных колебаний сгустка. Такие неустойчивости наблюдаются на современных накопителях заряженных частиц (например, на ESRF в Гренобле, Франция). Особенностью накопителей является неизбежное присутствие на орбите запоминание наведенных сгустком полей. В отличие от линаков, такое запоминание приводит к разделению когерентного сигнала сгустка на самосогласованную часть и на часть, описывающую эффект прерывания сгустка. Если запоминание наведенных полей не приводит к резонансным неустойчивостям, то в сгустке без разброса частот самосогласованная и не самосогласованная части когерентного сигнала развиваются подобным образом. Благодаря многочастотности мод пучка их суммарный вклад в сигнал увеличивается во времени медленнее, чем амплитуды отдельных мод. Разброс частот приводит к затуханию Ландау самосогласованных мод и к расфазировке не самосогласованной части колебаний. Действие затухания Ландау устанавливает пороги развития неустойчивостей. Это происходит при достижении границы области устойчивости когерентных колебаний сгустка инкрементом наиболее неустойчивой моды. При этом влияние эффекта прерывания сгустка заключается в том, что амплитуды когерентных колебаний на пороге неустойчивости увеличиваются до достижения ими стационарного значения. Выше порога колебания амплитуды нарастают, а ниже – затухают. Изучены зависимости пороговых явлений от параметров задачи.

5.13 Импульсный магнит для позитронного источника Super-B фабрики КЕК В течение 2010 года проводились работы по подготовке конверсионного магнита и доработки генератора питания (Рис.(5.13) 1) перед отправкой в Японию в рамках международного сотрудничества. В течение данного времени была проведена комплексная перекомпоновка импульсного генератора питания магнита, с целью устранения предыдущих конструкционных недостатков и повышения надежности работы. В результате данной перекомпоновки удалось значительно снизить уровень шума при работе импульсного генератора и понизить его энергопотребление, что было достигнуто путем замены дросселя насыщения на снаберные элементы каждой тиристорной сборки и заменой высоковольтных коммутационных элементов. Данные работы проводились в течение первой половины 2010 года. В течение лета велись работы по выводу генератора питания на номинальные параметры (максимальное продольное магнитное поле 100 кГс, частота повторения импульсов тока 50 Гц), а также устранение мелких недочетов, связанных с электрическими наводками высоковольтных элементов генератора питания в цепях управления.

Установки со встречными электрон-позитронными пучками Рис.(5.13)1. Генератор импульсного питания конверсионного магнита Осенью 2010 года генератор импульсного питания в разобранном виде, конверсионный магнит (Рис.(5.13) 2) и вакуумная камера были отправлены в Японию для проведения дальнейших ресурсных испытаний и измерения магнитного поля. В Японии была проведена сборка генератора питания магнита и проверка работоспособности всей системы целиком. Со снятой крышкой вакуумной камеры было достигнуто значение магнитного поля 60 кГс при частоте повторения 50 Гц.

Рис.(5.13)2. Импульсный магнит для позитронного источника Super-B фабрики КЕК.

Дальнейшее повышение значения магнитного поля было нецелесообразно из-за опасности электрического пробоя на воздухе.

В дальнейшем конверсионный магнит был установлен на измерительном стенде в ИЯФе, где в течение 3-х недель совместно с японскими коллабораторами проводилось комплексное измерение магнитных полей на низком уровне поля. По результатам измерений была составлена трехмерная карта магнитного поля, что в дальнейшем будет использовано для проведения компьютерного моделирования захвата позитронов и для проведения сравнения моделирования с реальными экспериментами на позитронном источнике линака КЕК-В.

В дальнейшем была произведена замена кожуха вакуумной камеры и установка конверсионной мишени. Магнит в вакуумной камере и генератор питания были перевезены в клистронную галерею линака КЕК для проведения в дальнейшем ресурсных испытаний.

5.14 Работы по системам впуска-выпуска Для питания кикеров комплекса ВЭПП-2000 разрабатывался новый источник высоковольтных импульсов на тиратронах типа ТПИ (Рис.(5.14) 1). В отличии от использующихся ранее ТГИ1000/ с оксидным катодом, эти тиратроны имеют полый катод позволяющий работать с большими импульсными токами (ТПИ1-1к/35 до 4 кА в импульсе). Как показывает практика, для ТГИ1000/ ток более 2 кА с течением времени приводит к необратимым изменениям в структуре катода и является следствием нестабильного срабатывания и самопробоев при подаче высоких импульсов напряжения на анод. К тому же небольшая мощность накала новых тиратронов позволяет обходиться встроенным в блок запуска источником питания вместо громоздкого накального трансформатора, так как составляет в рабочем режиме не более 2 Вт, что приблизительно в 60 раз меньше тиратронов ТГИ1000/25, и за год работы составляет разницу более 1 МВт*ч на один тиратрон. Более высокое рабочее напряжение (до 35 кВ) позволяет достичь выходного напряжения на 30% выше, не прибегая к существенному изменению схемы, кроме других элементов цепи генератора (более высоковольтные конденсаторы и дроссели развязки). Для достижения на комплексе ВЭПП- энергии 1 ГэВ кроме переделок на кольце БЭП и ВЭПП необходимо повышение удара кикера на 25%.

Скромные габаритные размеры не позволяют обойтись без герметичного корпуса, с выводами для сетки и анода, заполненного карбогалом, в который помещен тиратрон. На воздухе рабочее напряжение ограничивается пробоем по керамике при напряжении не более 23 кВ.

Значительным изменением для замены тиратронов на ТПИ в действующих генераторах будет новый блок управления тиратрона, так как необходимы другие параметры сигналов предионизации и запуска.

Кроме того, для обеспечения инжеции на энергии до 1 ГэВ изготавливаются дополнительные пластины кикеров, для установки в кольцо ВЭПП, питание этих пластин планируется от генераторов на новых тиратронах типа ТПИ. Были изготовлены нагрузки номиналом 50 Ом (Рис.(5.14) 1) для комплекса ВЭПП-2000 и по контракту для Харьковского института.

Работающие в схеме переключения полярности и направления импульса к пластинам инфлектора ВЭПП-2000 коммутаторы оказались слабым местом в передающем тракте. В блоке расположены и задействованы один шестнадцатиконтактный и два восьмиконтактных коммутатора под кабель РК50-24-17, вся система вместе с жилами кабеля находится под давлением 2 кг/см2 элегаза.

Контактные площадки в коммутаторе оказались не рассчитаны на ток, составляющий более 2, кА в импульсе, вышли из строя. После этого была доработана технология изготовления контактов.

Кроме этого упростили схему коммутации, оставив задействованным один большой коммутатор, отказавшись от подключения пластин кикера на балластные резисторы для согласования в режимах переключений. Это позволило высвободить два восьмиконтактных коммутатора, один из которых будет включен в схему питания двух дополнительных пластин инфлектора. Режим инжекции комплекса составляет менее 1 Гц. Поэтому для высоковольтного питания генераторов системы впуска принято решение модернизировать мощную систему зарядки: аккорд – высоковольтный трансформатор - рабочая емкость генератора, заменив ее на компактный инвертор с умножением напряжения, расположенный непосредственно в корпусе генератора.

Установки со встречными электрон-позитронными пучками Рис.(5.14)1. Тиратроны ТПИ1-1к/35 и ТГИ1000/25 и нагрузка номиналом 50 Ом (слева направо).

Мощность, потребляемая источником, составляет 6 Вт. Это позволит не только установить в высоковольтном блоке еще два генератора для новых пластин, но и отказаться от кабельных трасс и громоздких трансформаторов, освободив место для обслуживания и более рационального размещения оборудования в блоке. В настоящий момент макет зарядного источника проходит испытания на стенде, аналогичном по параметрам рабочим генераторам (Рис.(5.14)2).

На инжекционном комплексе проводились работы по долговременному исследованию работы объемных резисторов нагрузок кикеров. Проблема с качеством дистиллята вызывает деградацию резисторов при работе с высокими напряжениями. Происходит существенное увеличение номинала резисторов, а иногда и физическое разрушение (выгорание) контактных площадок до внутренних слоев керамики. Таким образом, за время работы комплекса заменено более десятка резисторов, что недопустимо для режима эксплуатации. Одним из выходов видится замена в системе охлаждения дистиллята на воздух. Практические испытания показывают, что при давлении на подаче воздуха в нагрузку до 2 кг/см2 и мощностью, эквивалентной работе в режиме 50 Гц и максимальном напряжении, резистор разогревается до температуры 110 °С без изменения параметров проводимости. Было решено переделать охлаждение нагрузок на инжекционном комплексе на воздушное. Кроме этого сами нагрузки были подвергнуты некоторым доработкам.

Синхронное излучение и лазеры на свободных электронах 6.1. Введение Уже более тридцати лет в Институте Ядерной Физики функционирует центр коллективного пользования Сибирский Центр Синхротронного и Терагерцового Излучения (СЦСТИ). Работы в СЦСТИ ведутся по двум направлениям: с использованием синхротронного и терагерцового излучений.

Направление «Синхротронное излучение» включает в себя работы на пучках синхротронного излучения (СИ) из накопителей ВЭПП-3 и ВЭПП-4, разработку и создание ускорителей и специальных магнитных систем для генерации СИ для российских и зарубежных центров, а также создание экспериментального оборудования для работ с пучками СИ (каналы вывода излучения, монохроматоры, детекторы и другое экспериментальное оборудование).

Другое направление работ – «терагерцовое излучение», включает в себя работы с использованием излучения из Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) (в диапазонах 110- мкм и 40-120 мкм), дальнейшее развитие Новосибирского ЛСЭ и участие в зарубежных проектах по данной тематике.

Кроме того, в программе центра - обучение и подготовка студентов и аспирантов.

Для проведения работ на пучках СИ из накопителя ВЭПП-3 в 2010 году было выделено часов и 294 часа было выделено для работы на ВЭПП-4М. В экспериментах были задействованы 10 станций на 7 каналах вывода СИ из ВЭПП-3 и 2 станции на излучении из ВЭПП-4М. Исследовательские группы из 55 институтов и других организаций проводили свои эксперименты на СИ в 2010 году. Работа с терагерцовым излучением была организованна на 6 рабочих станциях пользователей. Важной задачей в 2010 году был ввод второй очереди Новосибирского ЛСЭ и монтаж систем третьей очереди.

Для выполнения исследований на пучках терагерцового излучения из Новосибирского ЛСЭ было выделено около 750 часов рабочего времени. На станциях проводили исследования сотрудники из 8 институтов СО РАН, а также преподаватели, студенты и аспиранты Новосибирского государственного университета (НГУ) и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

Работы Сибирского центра Синхротронного и терагерцового излучения в 2010 году проводились при финансовой поддержке большого количества интеграционных проектов СО РАН, РАН, проектов РФФИ и других источников финансирования, указанных далее по тексту. Так же в 2010 году Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения участвовал в Федеральных целевых программах: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», контракт № 02.552.11.7081, тема «Проведение поисковых научно-исследовательских работ с использованием синхротронного и терагерцового излучения в области живых систем, индустрии наносистем и материалов, экологии и рационального природопользования в центре коллективного пользования научным оборудованием «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ)» (2009-2010 годы).

В 2010 году Винокурову Николаю Александровичу была присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и технологий за 2009 год за достижения в области разработки и создания лазеров на свободных электронах. Государственная премия Новосибирской области за участие в разработке лазеров на свободных электронах была присуждена Г.Н. Кулипанову, А.Н. Скринскому, В.В. Кубареву, О.А. Шевченко, М.А. Щеглову, В.М. Петрову.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах 6.2. Работы на пучках СИ из ВЭПП-3 6.2.1. Станция «ВЗРЫВ» (Экстремальные состояния вещества) Станция «Взрыв (Экстремальные состояния вещества)» предназначена для регистрации проходящего излучения и малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) при исследовании детонационных и ударно-волновых процессов.

Участвующие организации в 2010 году:

• Российский федеральный ядерный центр “Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики” (РФЯЦ ВНИИТФ), Снежинск;

• Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск;

• Федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ- ВНИИЭФ), Саров;

• Институт гидродинамики СО РАН, Новосибирск;

• Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск.

В 2010 году работы проводились при финансовой поддержке проектов:

1. Интеграционный проект СО РАН №11 «Исследование поведения кристаллической решетки взрывчатых веществ и конденсированных наночастиц во время детонации методами дифрактометрии синхротронного излучения»;

2. Грант РФФИ 10-08-00859-а «Исследование фронта ударной волны в наноструктурном SiO аэрогеле с помощью синхротронного излучения»;

3. Грант РФФИ 09-03-01155-а «Использование синхротронного излучения для исследования модельных механохимических процессов с наносекундным временным разрешением»;

4. Грант РФФИ 08-03-00588-а «Исследование динамики и кинетики детонационных процессов с использованием усовершенствованного метода синхротронной диагностики»;

Темы работ 2010 года:

Одно из приоритетных направлений работы РФЯЦ – безопасность использования изделий, содержащих взрывчатые вещества (ВВ).

Под безопасностью понимается широкий круг вопросов, а именно:

1. Безопасность использования изделий при более высоких температурах. Существующие боевые ВВ выдерживают температуры менее 200 °С. Обшивка самолетов, летящих на малой высоте, может нагреться до 300 °С. Боеприпас на внешней подвеске должен долететь до цели.

2. Безопасность при аварийных ситуациях (соударение, пожар и т.д.). ВВ в изделиях должны быть малочувствительны к ударам, не бояться высоких температур.

3. Безопасность при длительном хранении. ВВ должно сохранять свои свойства при длительном (более 20 лет) хранении в диапазоне температур от -50 до +50 °С.

Из всех существующих ВВ наиболее перспективным является составы на основе ТАТБ (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene). ТАТБ отличается низкой чувствительностью (ниже, чем у ТНТ), и хорошей пожаробезопастностью. Он сохраняет свои свойства при температурах до 300 °С и после 320 °С вообще не взрывается (разлагается). Поэтому исследование составов на основе ТАТБ является приоритетной задачей РФЯЦ.

Исследование ВВ материалов обычными методиками требует множества экспериментов и большого количества времени. Поэтому актуальным является использование новых современных методик, часть из которых разработаны ИЯФ СО РАН, ИХТТ СО РАН, ИГиЛ СО РАН.

1. Методика измерения распределения плотности за фронтом детонации. Плотность вещества является одним из главных параметров в физике взрыва. Наша методика позволяет одновременно измерять скорость детонации и массовую скорость продуктов, что позволяет сравнивать полученные данные с другими методиками. До сих пор не существует других методик по быстрому измерению плотности. Существующие датчики измерения давления влияют на параметры среды.

Особенно это сказывается при малых диаметрах зарядов.

Рис.(6.2)1. Распределение плотности за фронтом детонации в ТАТБ.

2. Создана методика восстановления полей давления и скоростей по известному распределению плотности. Используя только уравнения неразрывности и сохранения импульса, удалось получить распределения давлений и массовых скоростей за фронтом детонации.

Рис.(6.2)2. Поле скорости в системе связанной с фронтом детонационной волны (а) и в неподвижной системе (б) за фронтом детонации ТАТБ.

3. Методика измерения МУРР (малоугловое рентгеновское рассеяние) за фронтом детонации.

До сих пор нигде в мире не могут измерять дифракционные сигналы в динамике. Эта методика является единственной для определения размеров частиц конденсированной фазы углерода. За фронтом детонации выделяется от 10 до 30 % энергии в результате конденсации частиц.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Рис.(6.2)3. Пространственное распределение давления в ТАТБ.

Рис.(6.2)4. Динамика роста размеров наночастиц при детонации ТАТБ от времени. На кривой F приведен средний размер частиц.

4. Методика получения рентгеновских микротомограмм. При создании различных систем одним из главных параметров является стабильность скорости детонации. Добиться этого можно, контролируя равномерность плотности (размер неоднородностей не должен превышать 10 мкм).

Установка на 5 канале единственная в России позволяет видеть неоднородности порядка 5 мкм внутри образца. ( В США есть установки, позволяющие измерять неоднородности до 10 нм).

5. Методика измерения параметров решетки при изменении температуры. Метод нагрева и охлаждения ВВ является основным при контроле стабильности параметров при длительном хранении. Циклическое изменение температуры позволяет имитировать длительное хранение ВВ. Измерение положений дифракционных пиков позволяет контролировать параметры решетки. Вместе с микротомографией эта методика позволяет заметно улучшить контроль стабильности ВВ.

Рис.(6.2)5. Пластифицированный ТАТБ. Комнатная температура (слева). Температура 2000С (справа).

Видна появившаяся полость размером 60 мкм.

Рис.(6.2)6. Динамика положений дифракционных пиков в ТАТБ при нагревании от 200 до 2400 С.

6.2.2. Станция «LIGA-технология и рентгеновская литография»

Станция предназначена для экспериментов по рентгеновской литографии в толстых резистивных слоях для изготовления микроструктур, в том числе рентгеношаблонов.

Участвующие организации:

• Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск;

• Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск;

• Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск;

• Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск;

• Новосибирский государственный университет.

В 2010 году работы проводились при финансовой поддержке проектов:

1. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН №55 «Рентгеновские LIGA технологии синтеза 3D дифракционных структур”;

2. Государственный контракт № 02/04 для нужд Федерального государственного учреждения Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Российский научный центр «Курчатовский институт» “Проведение научно-исследовательских работ в области гибридных микрофлюидных систем по направлениям: «базовые элементы гибридных микрофлюидных систем для биосенсорных и других технологий»; «биосенсоры для детекции и анализа сверхнизких концентраций биологически активных соединений»”.

Темы работ 2010 года: 1. Модернизация станции СИ «LIGA» - разработка, сборка и тестирование рентгенолучевого генератора изображения для прямого формирования микроструктур (Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН).

2. Разработка методов изготовления и тестирования рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии (Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН).

3. Разработка, изготовление и тестирование селективных элементов терагерцового диапазона тонкие пленки мезоструктурированных силикатных материалов (Институт ядерной физики им.

Г.И.Будкера СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирский государственный университет).

4. Разработка базовых элементов гибридных микрофлюидных систем для биосенсорных и других технологий» (Институт цитологии и генетики СО РАН, Институт ядерной физики им.

Г.И.Будкера СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН).

Примеры работ 2010 года:

1. Разработка методов изготовления и тестирования рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии.

В ИЯФ СО РАН совместно с ИХТТМ СО РАН разработан и реализован в технологической практике способ изготовления рентгеношаблонов (РШ) с поглощающим рисунком из золота на стеклоуглеродной подложке без использования дорогостоящих этапов электронной литографии, изготовления промежуточного рентгеношаблона и рентгенолитографии в мягком спектре СИ для получения рабочего шаблона.

Для формирования рисунка топологии микрофлюидной системы, разробатываемые ИЦиГ СО РАН, использовался метод Direct-LIGA, основанный на принципе векторного формирования микрорисунка рентгеношаблона непосредственно в толстом слое рентгенорезиста на проводящей рентгенопрозрачной подложке игольчатым микропучком СИ на станции «LIGA».

Рис.(6.2)7. Фрагмент заготовки рентгеношаблона – микроструктура из резиста SU-8 высотой 29 мкм на подложке из стеклоуглерода.

Для получения высококонтрастного рентгеношаблона на заготовку электрохимическим способом осаждался слой золота толщиной 20 мкм. Изготовленный рентеношаблон контролировался с помощью оптического и электронного микроскопов. Контроль рентгеноконтраста осуществлялся с помощью синхротронного излучения на станции «Рентгеновская микроскопия и томография» по специально разработанной методике.

2. Разработка базовых элементов гибридных микрофлюидных систем для биосенсорных и других технологий. Микро/нанофлюидные системы (МНФС) представляют собой интегрированные устройства – лаборатории на чипах, образованные системой каналов с ламинарным течением жидкостей, что создает оптимальные и легко контролируемые условия для протекания транспортных и диффузионных процессов; функционирования бактериальных и эукариотических клеток; протекания молекулярно-биологических, молекулярно-генетических, биохимических, химических реакций.

Основное достоинство МНФС состоит в том, что они позволяют работать с предельно малыми объемами реагентов – 10 –9–10 –15 литров и пикограммами веществ.

Разрабатывались микрофлюидные модули двух типов – для реакции иммунодиффузии (обнаружения в анализируемой жидкости антигенов или антител) и для автоматического получения градиента концентраций анализируемого вещества.

Было изготовлено 10 одноразовых сменных микрофлюидных модулей из ПММА для проведения реакции имуннодиффузии и 10 одноразовых сменных микрофлюидных модулей – «градиентаторов» для позиционирования клеток геносенсоров. Для получения высококонтрастного рентгеношаблона на заготовку электрохимическим способом осаждался слой золота толщиной 20 мкм.

Экспресс контроль процесса изготовления рентгеношаблона и микрофлюидных модулей проводился с помощью оптического микроскопа МИИ-4 и сканирующего электронного микроскопа HITACHI S3400N.

Рис.(6.2)8. Фрагмент заготовки рентгеношаблона (структура из SU-8 до гальванического осаждения золота).

Рис.(6.2)9. СЭМ фотографии фрагментом микроканального модуля.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Рис.(6.2)10. Фотография одноразового сменного микрофлюидного модуля – «градиентатора» для позиционирования клеток геносенсоров. Для наглядности каналы заполнены чернилами.

В результате проведенных измерений показано, что микрофлюидные модули, изготовленные методом LIGA-технологии, полностью соответствуют разработанной топологии, проектной документации и требованиям технического задания. Ширина каналов разных модулей составляет от мкм до 60 мкм. Шероховатость составила меньше 3 %.

Рис.(6.2)11. Контроль качества изготовления микрофлюидных модулей при помощи профилометра «Профиль» (КТИ НП СО РАН).

Тестирование созданных образцов микрофлюиднымх систем успешно проведено в ИЦиГ СО РАН.

6.2.3. Станция «Аномальное Рассеяние» Станция предназначена для прецизионных исследований структуры поликристаллических материалов методами рентгеновской дифрактометрии с высоким угловым разрешением.

Участвующие организации:

• Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск;

• Институт неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН, Новосибирск;

• Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск;

• Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск;

• Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск;

• Томский политехнический университет;

• Томский государственный университет;

• Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск.

В 2010 году работы проводились при финансовой поддержке СО РАН и РФФИ:

1. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН №82 «Кислородная проницаемость массивных и нанесенных мембран на основе перовскитов со смешанной проводимостью».

2. Грант РФФИ №09-03-90424-Укр_ф_а «Разработка и исследование металл-оксидных катализаторов для гетерогенно-каталитических процессов получения и очистки водорода».

Темы работ 2010 года: 1. Мезоструктурированные алюмосиликатные материалы, вариация размера мезопор с различной температурой гидротермальной обработки (Институт катализа СО РАН, Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск).

2. Гетероструктуры на основе германия и кремния. Квантовые точки (Институт физики полупроводников СО РАН, Институт катализа СО РАН).

3. Кислород-проводящие материалы на основе перовскитоподобных оксидов (Институт катализа СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН).

4. Упрочняющие покрытия на основе нитрида титана (Томский политехнический университет).

5. Медно-цериевые катализаторы получения и очистки водорода от примесей CO (Институт катализа СО РАН).

6. Релаксационные процессы в цирконии при пластических деформациях (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск).

7. Катализаторы на основе интерметаллидов никеля-алюминия для процессов углекислотной конверсии метана (Институт катализа СО РАН, Томский государственный университет).

8. Оксидные катализаторы с перовскитоподобной структурой для процессов углекислотной конверсии метана (Институт катализа СО РАН).

9. Гетроструктуры на основе сульфида кадмия (Институт физики полупроводников СО РАН, Институт неорганической химии СО РАН).

10. Тонкие пленки карбонитридов кремния различного состава и генезиса (Институт неорганической химии СО РАН).

Примеры работ 2010 года:

1. Мезоструктурированные силикатные и элемент-силикатные материалы. В настоящее время более 90 % промышленных химических процессов осуществляются на адсорбентах и гетерогенных катализаторах. Эффективность их использования зависит от химического и фазового состава, от структурных особенностей и от текстурных характеристик материалов: удельной поверхности, объёма пор и их распределения по эффективным размерам. Поэтому направленное регулирование текстурных параметров катализаторов и адсорбентов представляется актуальной задачей. С точки зрения катализа привлекательные и уникальные свойства силикатных и элемент-силикатных мезопористых мезофазных материалов (МММ) – большая удельная поверхность, достигающая 1000 м2/г и более, большая пористость (более 1 см3/г) и узкое распределение пор по размерам.

Типичный пример МММ – силикат SBA-15, имеющий двумерную гексагональную упаковку однородных по размеру пор, близких по форме к цилиндрическим. Регулирование текстурных параметров таких материалов может осуществляться изменением температуры гидротермальной обработки (ГТО), проводимой в процессе синтеза до удаления структурообразующего агента – поверхностно-активного вещества (ПАВ) Pluronic P123. Введение в структуру мезопористого силиката примесных катионов на этапе синтеза МММ позволяет получать каталитические системы с внедренными в силикатную стенку каталитически активными гетероэлементами. Текстурные Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах характеристики (удельная поверхность мезопор, удельный объем мезопор, распределение мезопор и микропор по размерам) синтезируемых материалов определяются методом низкотемпературной адсорбции азота, структурные (параметр двумерной элементарной ячейки, степень регулярности структуры) – рентгеновской дифракцией на станции «Аномальное Рассеяние» в Сибирском Центре Синхротронного Излучения.

В 2010 году осуществлен синтез мезопористых силикатов и алюмосиликатов при термостатировании синтетической смеси в ходе синтеза в диапазоне 20 – 150 °C. МММ синтезировали путём осаждения предшественников SiO2 и Al в присутствии ПАВ Pluronic P123. Синтез проводили при рН 13, поскольку именно в этих условиях производят осаждение гетероэлементов из растворимых форм. В качестве источника алюминия в алюмосиликатных мезофазах выступал сульфат алюминия Al2(SO4)3. После ГТО полученный материал отфильтровывали, промывали дистиллированной водой и высушивали на воздухе. Затем материал прокаливали с целью удаления ПАВ.

На Рис.(6.2)12 представлены распределения объёмов пор по размерам для пористого оксида кремния и для алюмосиликатного материала, рассчитанные из изотерм адсорбции азота при 77К, измеренных на автоматизированной адсорбционной установке ASAP – 2400 (Micromeritics). С увеличением температуры гидротермальной обработки происходит увеличение размеров пор материалов вследствие температурного расширения ПАВ, предшествующего поликонденсации силикатной стенки.

Рис.(6.2)12. Распределения объёмов пор по размерам, полученные на основе данных по адсорбции азота при 77 К для пористых оксидов силиката (а) и алюмосиликатов (б) с различной температурой гидротермальной обработки.

Рис.(6.2)13. Рентгенограммы для мезопористых силикатных (а) и алюмосиликатных (б) мезофазных материалов с различной температурой гидротермальной обработки.

На Рис.(6.2)13. показаны рентгенограммы силикатных и алюмосиликатных материалов, измеренные в малоугловой области. Для всех материалов характерны диффрактограммы, соответствующие двумерной гексагональной упаковке пор одинакового размера. С увеличением температуры гидротермальной обработки происходит сдвиг рефлексов в область меньших углов и, соответственно, увеличение параметров ячейки. Кроме того, с ростом температуры увеличивается степень совершенства структуры МММ, о чем свидетельствует появление на рентгенограммах рефлексов высших порядков.

Текстурные характеристики материалов, рассчитанные из адсорбционных и рентгенографических данных, представлены в Таблице (6.2)1.

Таблица (6.2)1. Текстурные и структурные характеристики силикатных и алюмосииктных МММ, полученных при разных температурах ГТО.

Проведенные исследования показали, что температурная обработка алюмосиликатных мезофазных материалов позволяет регулировать размер пор в диапазоне 6 – 11 нм, что несколько меньше ожидавшегося. Рентгеновская дифракция продемонстрировала наличие только одной гексагональной двумерной фазы, что и ожидалось при планировании работ. Однако снижение температуры обработки приводит к уширению дифракционных максимумов.

6.2.4. Станция «Прецизионная Дифрактометрия» Станция предназначена для исследований изменения структуры поликристаллических материалов под действием высоких температур и реакционных сред методами рентгеновской дифрактометрии с разрешением по времени.

Участвующие организации:

• Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск;

• Институт неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН, Новосибирск;

• Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск;

• Томский политехнический университет;

• Томский государственный университет;

• Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск.

В 2010 году работы проводились при финансовой поддержке СО РАН:

Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН №82 «Кислородная проницаемость массивных и нанесенных мембран на основе перовскитов со смешанной проводимостью»

Темы работ 2010 года: 1. Кислород-проводящие материалы на основе перовскитоподобных оксидов (Институт катализа СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН).

2. Катализаторы на основе интерметаллидов никеля-алюминия для процессов углекислотной конверсии метана (Институт катализа СО РАН, Томский государственный университет).

3. Оксидные катализаторы с перовскитоподобной структурой для процессов углекислотной конверсии метана (Институт катализа СО РАН).

4. Структурные изменения и релаксационные процессы в палладии при внедрении водорода (Томский политехнический университет).

5. Восстановление комплексов благородных металлов (Институт неорганической химии СО РАН).

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах 6. Алюмокобальтовые катализаторы для процесса Фишера-Тропша (Институт катализа СО РАН).

7. Медно-никелевые катализаторы роста азотсодержащих углеродных нановолокон (Институт катализа СО РАН).

8. Восстановление нанодисперсного висмута из оксидов (Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН).

Примеры работ 2010 года:

1. In Situ рентгенодифракционное исследование Ni-Cu катализатора в процессе роста азотсодержащих углеродных нановолокон. Углеродные нановолокна (УНВ) используются в различных областях науки и технологии от электроники и материаловедения до катализа и адсорбции.

Для использования в качестве носителей для катализаторов синтезируют УНВ с включением азота для обеспечения лучшей адгезии активного компонента на поверхности носителя. Синтез обычно проводят из газовой фазы разложением углеводородов на катализаторах – переходных металлах и их сплавах. При использовании различных металлов получают УНВ различной морфологии.

В данной работе проведено исследование изменений фазового состава никель-медного катализатора роста азотсодержащих УНВ (N-УНВ) в процессе реакции разложения этилен-аммиачной смеси под действием высокой температуры. Образец располагали в рентгеновской камере-реакторе Anton Paar XRK-900. Поток газа пропускали через образец со скоростью 0,5 см3/сек при температуре от комнатной до 550 С. Исходный образец восстанавливали непосредственно в камере-реакторе в потоке водорода при температуре 550 С в течение 15 мин. Рентгенограммы регистрировали последовательно по кадрам со временем экспозиции 0,5-1 мин.

Исходный образец представляет собой смесь двух компонент, одна из которых содержит преимущественно медь, а другая - перимущественно никель. Согласно произведенным оценкам и исходя из закона Вегарда, количество растворенных никеля в меди и меди в никеле примерно 15-20 %.

В процессе активации катализатора и последующей реакции разложения этилен-аммиачной смеси катализатор претерпевает ряд превращений. Судя по характеру рентгенограмм, основные изменения в катализаторе касаются никель-содержащей компоненты, тогда как медь-содержащая компонента слабо подвержена преобразованию. Проведенные эксперименты показывают, что в процессе реакции происходит увеличение параметра решетки никель-обогащенного сплава, по-видимому, вследствие растворения в нем углерода и азота, образовавшихся в результате термолиза исходных реагентов (Рис.(6.2)14). При охлаждении катализатора до температуры 440-450 °С наблюдается образование новой фазы неизвестного состава. Повторный нагрев этой фазы до температуры 550 °С приводит к ее исчезновению и возврату катализатора в прежнее состояние. При этом не происходит образования фазы карбида никеля.

В случае использования в качестве катализатора роста УНВ чистого никеля при температуре 550 °С наблюдается смещение рефлексов никеля в сторону больших углов, свидетельствующее об образовании фазы неупорядоченного карбида никеля. Охлаждение катализатора в реакционной среде приводит к упорядочению и образованию фазы стехиометрического карбида никеля.

2. Исследование восстановления водородом твердых растворов Co3-xAlxO4. Нанесенные кобальтовые системы представляют интерес как катализаторы синтеза Фишера-Тропша. Предшественником активного компонента катализатора является оксид кобальта Co3O4, который активируется в промышленном реакторе путем восстановления. Исследование процесса восстановления Co3O4 представляет интерес для выяснения закономерностей формирования активного состояния катализатора. Для изучения поведения кобальт-содержащих катализаторов при восстановлении часто используют модельные системы – массивные образцы Co3O4 и твердые растворы Co3-xAlxO4.

С помощью in situ рентгеновской дифракции исследовался процесс восстановления Co3-xAlxO (при x = 0 – 0,5) и катализатора Co3O4/-Al2O3 в токе водорода при температурах до 450 С. Показано, что восстановление твердых растворов происходит в 2 стадии: Co3O4 восстанавливается до CoO, затем до металлического Co (Рис.(6.2.)15.). Такое же двухстадийное восстановление характерно и для катализатора Co3O4/-Al2O3. При увеличении содержания алюминия в твердом растворе происходит увеличение температуры перехода Co3O4 CoO. Таким образом, введение алюминия препятствует восстановлению оксида кобальта.

Intensity, arb.units Рис.(6.2)14. Фазовые превращения никель-медного катализатора синтеза УНВ в процессе реакции при различных температурах.

Intensity, arb.units Рис.(6.2)15. Процесс восстановления кобальта из твердого раствора Co2.5Al0.5O4 в токе водорода.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах 6.2.5. Станция «Рентгенофлуоресцентный элементный анализ»

Станция предназначена для определения элементного состава образцов различного происхождения: геологических пород, биологических тканей, аэрозолей и др., методом рентгенофлуоресцентного элементного анализа с использованием синхротронного излучения (РФА СИ). Элементный анализ может быть осуществлен как в локальном, так и в сканирующем режиме.

Участвующие организации:

• Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино;

• Институт общей и неорганической химии РАН, Москва;

• Индийский институт технологий, Кхарагпур, Индия;

• Институт биофизики клетки РАН, Пущино;

• Институт археологии и этнографии СО РАН, Новосибирск;

• Институт неорганической химии СО РАН им. А.В. Николаева, Новосибирск;

• Региональный институт патологии и патоморфологии СО РАМН, Новосибирск;

• Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск;

• Институт земной коры СО РАН, Иркутск;

• Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск;

• Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул;

• Институт биофизики СО РАН, Красноярск;

• Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск;

• Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск;

• Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск;

В 2010 году работа выполнялась в рамках следующих проектов (грантов):

Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 38, Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 120, Проект №16-17 Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы», Проект РФФИ № 08-05-00680-а, Проект РФФИ № 09-05-90210-Монг-а.

Темы ряда работ 2010 года:

Экология городов: анализ и оценка с помощью РФА-СИ на примере Новосибирска. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 09-05-00839 и интеграционного проекта №84 Сибирского отделения РАН.

Основные полученные результаты:

• Состав аэрозолей отражает аэрозольное загрязнение за зимний период. Элементный состав листьев берез и тополя – за вегетативный сезон. Снеговая съемка в конце зимы, отбор проб растительности осенью сделают возможным ведение непрерывного круглогодичного экологического мониторинга за экологическим состоянием городской среды.

• Оловокомбинат является источником интенсивного загрязнения городской среды соединениями As, Sn, Tl, Cd, Cu, Zn, Pb, Sb, Bi, Ag, Br, Hg, что отражается на составе почв, растительности и снежного покрова прилегающих районов.

Комплексные инструментальные исследования направленности и периодичности глобальных и региональных изменений климата и природной среды в геологической истории позднего кайнозоя Сибири для прогноза их изменений в ближайшем будущем.

В связи с наблюдаемыми колебаниями климата на планете, особую значимость приобретают исследования климата прошедших эпох. Для того, чтобы выявить геологические, минералогические и геохимические признаки подобных изменений, хемогенные осадки изучаются целым комплексом методов, в том числе РФА СИ. Изучение элементного состава озёрных осадков необходимо для определения закономерностей изменения относительного содержания элементов в зависимости от окружающей температуры. Установление этих закономерностей и сопоставление их с другими индикаторными признаками позволяет расшифровать «палеоклиматические летописи», определить рубежи смены климатических условий, а также выявить флуктуации более низкого порядка в рамках отдельных периодов похолодания/потепления. Подобные систематические исследования для малых озер Центральной Азии выполняются впервые.