Физика Высокой Плотности Энергии в Веществе
Сайт лаборатории физики высокой плотности энергии в веществе
Лаборатория физики высокой плотности энергии в веществе при воздействии интенсивных ионных пучков проводит теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов возникающих при воздействии интенсивных ионных пучков с веществом, исследование экстремального состояния вещества при сверхвысоких давлениях и температурах, создание и развитие новых методов диагностики параметров состояния вещества при высокой плотности энергии с использованием высокоэнергетичных протонных пучков (протонная радиография, нейтронно-резонансная спектроскопия и др.). Исследования нацелены на изучение новых состояний материи с высоким уровнем плотности энергии, получение новых знаний о существе сложных физических процессов и надежного описания свойств материалов при сверхвысоких давлениях и температурах.
Изучение термодинамических, оптических и транспортных свойств вещества при высоких плотностях энергии или в условиях экстремальных давлений и температур представляет большой интерес для многих областей физики, таких как, астрофизика и планетарная геофизика, физика плазмы с сильным межчастичным взаимодействием и т.д. Традиционными методами генерации состояний вещества с высокой плотностью энергии являются мощные ударно-волновые генераторы, основанные на использовании энергии взрывчатых веществ или мощных лазеров. Интенсивные пучки тяжелых ионов открывают новые возможности для экспериментального исследования в области высоких плотностей энергии. Уникальная особенность энерговклада пучков тяжелых ионов в вещество обеспечивает быстрый и однородный по объему нагрев макроскопических объемов вещества таким образом, что градиенты температуры и плотности в веществе нагретым пучком ионов значительно меньше, чем при использовании других методов.
Коллаборация HED@FAIRпроекта ФАИР рассматривает три основные схемы эксперимента по физике высокой плотности энергии в веществе:
· HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion) – нагрев тяжелыми ионами и расширение вещества,
· LAPLAS (Laboratory Planetary Sciences) – планетарная наука в лаборатории,
· PRIOR (Proton microscope for FAIR) – высокоэнергетическая протонная радиография для исследования экстремального состояния вещества.
В экспериментальной схеме HIHEX интенсивный ионный пучок однородно, квази-изохорически нагревает вещество, за время меньшее, чем время гидродинамического расширения мишени, создавая высокое давление и высокую энтропию. Нагретое вещество изоэнтропически расширяется, в зависимости от уровня поглощенной энергии, достигая различные состояния вещества - от состояния расширяющейся жидкости, в критическую точку и в дальнейшем в двухфазную область жидкость-газ, в состояние сильно неидеальной плазмы. Эти состояния вещества невозможно получить существующими традиционными методами.
В экспериментальной схеме LAPLAS, предполагается использование криогенных мишеней содержащих твердотельный водород или твердотельный инертный газ, помещенный в цилиндрическую оболочку, изготовленную из тяжелого элемента, таких как свинец или золото. Внешний слой цилиндрической мишени нагревается интенсивным ионным пучком, сформированным в кольцо, при этом происходит, цилиндрическая кумуляция внутреннего криогенного вещества и его изоэнтропическая компрессия. Цель эксперимента - генерация мегабарного давления при сравнительно низких температурах, получение сверхплотного состояния вещества (проблема металлизации водорода, свойства ядер Юпитера и Сатурна). Для данной схемы эксперимента, наряду с системой острой фокусировки ионного пучка необходима система формирования полого, кольцевого пучка ионов на мишени, специальная мишенная камера со станцией по изготовлению криогенных мишеней и система диагностики состояния вещества.
Одним из ключевых диагностических инструментов для будущих экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе будет являться протонно-радиографическая установка PRIOR. В настоящее время GSI (Дармштадт, Германия) осуществлен физический запуск созданной совместно специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ИТЭФ, GSI, LANL (Лос-Аламос, США), ИПХФ РАН, протонно-радиографической установки PRIOR. Установка предназначена для исследования статических и динамических объектов с высоким пространственным и временным разрешением и рассчитана на использования пучка протонов с энергией 4.5 ГэВ. Специалисты ИТЭФ внесли ключевой вклад в разработку квадруполных линз на постонных магнитах используемых в установке PRIOR для формирования увеличенного изображения исследуемого статического или динамического объекта. В экспериментах со статическими объектами с пучком протонов от ускорителя SIS-18 в GSI, было получено пространственное разрешение 30 мкм. С использованием протонного микроскопа PRIOR проведены исследования динамических процессов в мишени на основе электровзрыва проводников в воде (ЭВПВ).
На рисунках показаны фотографии протонного микроскопа PRIOR, фотография статического объекта (кварцевые часы) и его протонно-радиографическое изображение и протонно–радиографические изображения взрывающегося проводника в воде.
Протонный микроскоп PRIOR в GSI, Дармштадт
Слева- Фото статического объекта (кварцевые часы) и его протонно-радиографическое изображение.
Справа – статическое (вверху) и динамическое (внизу) протонно–радиографические изображения полученные при исследвании электровзрыва проводников в воде
В настоящий момент разрабатывается второе поколение экспериментальной установки PRIOR-II, в которой для формирования изображений будут использоваться новейшие электромагнитные линзы. Установка PRIOR-II позволит достичь рекордного пространственного разрешения 10 мкм с возможностью использовать пучок протонов с диапазоном энергий 2-10 ГэВ для будущих экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе в проекте ФАИР. После ввода в эксплуатацию на установке PRIOR-II планируется проведение широкого круга исследований ударно-волновых динамических процессов.
В рамках подготовки к экспериментам на ускорителе SIS-100 проекта ФАИР разработан и создан прототип высочастотного дефлектора тяжело-ионного пучка Wobbler для экcперимента LAPLAS (LAboratory PLAnetary Sciences). Двухкоординатный дефлектор включает в себя два высокочастотных резонатора, отклоняющие пучок во взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждый резонатор состоит из 4 секций. Вращение пучка осуществляется в резонаторах многократным отклонением ионов высокочастотным электрическим полем с градиентом до 10 МВ/м и необходимой апертурой по двум взаимно перпендикулярным поперечным осям на частоте 297 МГц.
Общий вид отклоняющего резонатора
В лаборатории физики высокой плотности энергии в веществе с использованием ускоренных пучков тяжелых ионов, также, проводятся фундаментальные исследования плазмы газоразрядных мишеней, разрабатываются лазерные диагностические приборы для диагностки плазмы и исследования динамических процессов в предстоящих экспериментах HIHEX, LAPLAS и PRIOR. Разрабатываются новейшие методы управления экспериментами установками, автоматизации сбора данных и обработки экспериментальных данных.
Блоки системы автоматизации эксперимента PRIOR, разработанные сотрудниками лаборатории
Сотрудники лаборатории участвуют в создании криогенной корпускулярной мишенной установки (pellet target) для эксперимента PANDA проекта ФАИР, разрабатываются оптические методы диагностики микромишеней и система автоматизации установки.
При подготовке к предстоящим экспериментам по протонной радиографии и физике высокой плотности энергии в веществе проводится полномасштабное моделирование с использованием Монте-Карло кодов и программ для моделирования ионно-оптических линий транспортировки пучков, разрабатываются новые коды для моделирования плазменных процессов.