РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК: УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ. ОТЧЕТ ЗА 2014 год

энергетических уровней иона Nd

(таблица 1), по которой были

идентифицированы    линии    излучения    ионов    неодима    в
моноклинной  решетке  оксида  иттрия  в  спектре  импульсной
катодолюминесценции    в    диапазоне    850–950    нм.    Полученный
результат  позволяет  использовать  спектральные  методы  для
обнаружения    и    определения    содержания    моноклинной    фазы
в    оптических    изделиях    из    оксида    иттрия,    активированного
неодимом.  Представленный  результат  получен  впервые  в  мире
(Институт  электрофизики  УрО  РАН  совместно  с  Институтом
лазерной физики СО РАН (г. Новосибирск)).

Таблица 1

Энергетическая структура уровней Nd

в моноклинном Y

Мультиплет

Положение штарковских уровней, см

-1

9/2

0, 24, 238, 361, 449*

3/2

11191, 11299

5/2

12188, 12276, 12398

9/2

12346, 12463, 12516, 12681, -

7/2

13158, 13271, 13365, 13426

3/2

13324, -

5/2

16628, 17062, 17215

7/2

16801, 16852, 17010, 17100

* Компонент определен по спектру импульсной катодолюминесценции.

13. Фундаментальные проблемы физической электроники, в

том

числе

разработка

методов

генерации,

приема

и преобразования

электромагнитных

волн

помощью

твердотельных и вакуумных устройств, акустоэлектроника,
релятивистская СВЧ-электроника больших мощностей, физика
мощных пучков заряженных частиц.

Экспериментально показано, что пикосекундная стабильность

взрывной электронной эмиссии холодного катода совместно с такой же
привязкой  генерируемого  электромагнитного  сигнала  к  фронту
сильноточного  пучка  обеспечивают  жесткую  фиксацию  фазы
релятивистской  лампы  обратной  волны  и  являются  достаточным

условием  для  управления  фазировкой  многоканальных  систем  с
принципиально  неограниченным  количеством  модулей.  В  частности,
синфазная 2D решетка из 4 субгигаваттных (600 МВт) релятивистских
ламп  обратной  волны  диапазона  38  ГГц,  работавших  в  режиме
сверхизлучения,  позволила  получить  плотность  потока  мощности  в
интерференционном

максимуме

диаграммы

направленности

излучения, соответствующую единичному генератору с мощностью
~10 ГВт (рис. 24, 25) (Институт электрофизики УрО РАН совместно
с Институтом сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) и
Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва)).

Рис. 24. Визуализация

диаграммы направленности

излучения.

Рис. 25. 4-х канальный твердотельный

импульсный генератор.

Методом автографов катодного пятна вакуумной дуги при

пороговых  токах  разряда  получены  данные  о  характерном  размере  и
массе  жидкометаллических  струй,  выдавленных  на  край  кратера  в
результате  функционирования  катодного  пятна.  Анализ  формы
неоднородностей  жидкого  металла  совместно  с  теоретическим
анализом позволил показать, что масса струи соответствует количеству
ионов, переносимому разрядом в течение одного эктонного цикла при
пороговых  токах  разряда.  Образование  нового  взрывоэмиссионного
центра  в  катодном  пятне  возможно  за  время  порядка  единиц

наносекунд в результате взаимодействия микроструи жидкого металла
с

плотной

прикатодной

плазмой.

Время

формирования

жидкометаллической струи составляет порядка 10 нс (рис. 26)
(Институт электрофизики УрО РАН совместно с Физическим
институтом им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва)).

Рис. 26. Микрофотография струй металла на краю кратера

вакуумной дуги с током 4 А на вольфраме.

Реализован

ударно-ионизационный

запуск

силовых

тиристорных кремниевых структур импульсом перенапряжения с
коротким

фронтом.

При

подаче

на

основные

электроды

тиристора  импульса  напряжения,  нарастающего  от  2  до  7  кВ  за
время  0,8–1  нс,  достигнуто  время  перехода  тиристора  в
проводящее  состояние  150  пс,  что  соответствует  средней
скорости  движения  фронта  волны  ионизации  в  ~20  раз
выше

насыщенной

скорости

носителей.

экспериментах

тиристорный коммутатор

ударно-ионизационным

запуском

коммутировал

накопитель

емкостью

мкФ

зарядным

напряжением 20 кВ на резистивную нагрузку. Получены
результаты:

амплитуда

разрядного

тока

45 кА;

начальная

скорость нарастания тока 130 кА/мкс; длительность импульса
на полувысоте ~1 мкс; пиковая мощность в нагрузке до

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

18. Физико-технические и экологические проблемы

энергетики,

тепломассообмен,

теплофизические

электрофизические свойства веществ, низкотемпературная плазма
и технологии на ее основе.

В рамках гамильтоновского формализма исследована динамика

формирования  особенностей  на  поверхности  раздела  идеальных
жидкостей  в  результате  развития  неустойчивости  Кельвина–
Гельмгольца.  Показано,  что  уравнения  движения,  получаемые  в
малоугловом  приближении  без  учета  капиллярных  и  гравитационных
сил, допускают точные решения в неявном виде. Согласно решениям, в
ситуации  общего  положения  на  границе  за  конечное  время
формируются  слабые  корневые  особенности,  для  которых  кривизна
обращается  в  бесконечность,  а  характерные  углы  наклона  остаются
малыми.  Для  чисел  Атвуда,  близких  по  абсолютному  значению  к
единице,

кривизна

поверхности

вблизи

особенности

имеет

определенный  знак  с  деформацией  границы  в  сторону  легкой
жидкости.  Для  жидкостей  со  сравнимыми  плотностями  кривизна
меняет знак в особой точке. В частном случае жидкостей с одинаковой
плотностью  результаты  согласуются

с результатами Мура,

полученными на основе анализа уравнения Биркгофа–Ротта (Институт
электрофизики УрО РАН совместно с Физическим институтом им.
П.Н. Лебедева РАН (г. Москва)).

Исследована нелинейная динамика свободной поверхности

идеальной

диэлектрической

жидкости

со

значительной

проницаемостью  в  сильном  горизонтальном  электрическом  поле.
Продемонстрировано, что взаимодействие встречных уединенных волн
произвольной  геометрии  является  упругим  –  они  сохраняют  свою
энергию  и  импульс.  С  использованием  конформных  переменных
осуществлено  численное  моделирование  взаимодействия  волн.
Показано,  что  в  результате  взаимодействия  волны  деформируются,
причем для волн относительно малой амплитуды этот эффект является
слабым:  для  встречных  волн  одинаковой  формы  деформация

определяется  четвертой  степенью  их  амплитуды.  При  многократном
столкновении  сильно-нелинейных  волн  наблюдается  тенденция  к
формированию  особенностей  –  точек  со  значительной  плотностью
энергии поля (рис. 28) (Институт электрофизики УрО РАН).

Рис. 28. Эволюция поверхности
непроводящей жидкости в
горизонтальном электрическом
поле при столкновении встречных
уединенных волн.

Экспериментально продемонстрировано стабильное горение

разряда  с  самонакаливаемым  полым  катодом  в  потоке  газа  в
сильноточном  (0,1–1  кА)  низковольтном  (100–200  В)  импульсно-
периодическом  (0,01–1  кГц,  100–200  мкс)  режиме,  который
обеспечивается  быстрым  (10

–10

А/c) развитием слаботочного (1–10

А) разряда в результате нагрева поверхностного слоя катода (десятки
мкм) на несколько сотен градусов при подаче на межэлектродный
промежуток импульсов напряжения (200–300 В, 100–200 мкс) (рис. 29,
30) (Институт электрофизики УрО РАН).

Рис. 29. Осциллограммы тока
в цепи катода (I) и напряжения
горения разряда (U) при
частоте 130 Гц (100 В/дел,
100 А/дел, 50 мкс/дел).

Рис. 30. Приращение температуры

поверхности катода в импульсно-

периодическом режиме горения

разряда со средним током 4 А в

потоке азота 100 см

/мин.

Режимы: 1) 100 Гц, 200 А, 150 В;

2) 300 Гц, 73 А, 145 В;

3) 1000 Гц, 23 А, 134 В.

Для диагностики кризиса теплообмена при кипении

исследована

динамика

экстремальных

пульсаций

локальной

температуры нагревателя. Теоретически и экспериментально показано,
что

при

внешнем

периодическом

воздействии

возникает

стохастический  резонансный  отклик,  приводящий  к  значительному
росту  амплитуды  пульсаций  под  действием  шума.  Наличие
экстремальных  температурных  пульсаций  в  кризисных  режимах
теплообмена  необходимо учитывать при прогнозировании устойчивой
работы  элементов  энергетического  оборудования  при  больших
тепловых нагрузках (рис. 31, 32) (Институт теплофизики УрО РАН).

Рис. 31. Пространственно-временные

пульсации температуры в окрестности

кризиса кипения.

Рис. 32. Мощность пульсаций локальной

температуры нагревателя при кризисе

кипения воды в зависимости от

интенсивности «белого» шума.

Разработана

миниатюрная

контурная

тепловая

труба

мощностью 100 Вт, которая впервые в мировой практике использована
на  борту  малого  космического  аппарата  «Мир»,  изготовленного  ОАО
«Информационные  спутниковые  системы»  им.  академика  М.Ф.
Решетнева,  в  системе  терморегулирования  научного  прибора  «Дока-
Б».

Миниатюрные

контурные

тепловые

трубы

являются

перспективными устройствами для систем охлаждения электроники,
компьютерной, лазерной и другой техники, содержащей компоненты с
высокой плотностью тепловыделения (рис. 33, 34) (Институт
теплофизики УрО РАН).

Рис. 33. Миниатюрная
контурная тепловая труба.

Рис. 34. Система
терморегулирования
прибора «Дока-Б».

Испаритель КТТ

Конденсатор

С использованием оригинального метода измерения на основе

одноканальной

диффузионной

батареи

каскадного

типа

последовательным  расположением  улавливающих  элементов  в
условиях  реальных  рабочих  мест  восстановлено  размерное
распределение  аэрозольных  частиц  по  активности  в  диапазоне  до
размера атома. Распределение аэрозолей продуктов распада радона-220
содержит  до  пяти  мод  в  наноразмерной  области,  AMTD  0,3;  1,5;  8;
500  нм.  Эти  результаты  требуют  коррекции  подходов  к  оценке
экспозиции при ингаляции продуктов распада радона и существенного
увеличения  численных  значений  дозовых  коэффициентов  (рис.  35)
(Институт промышленной экологии УрО РАН).

Рис. 35. Общее размерное распределение аэрозолей продуктов

распада радона-220 по активности.

В широком температурном интервале 300 – 1000 K изучены

особенности термолюминесцентных (ТЛ) свойств анионодефектных
кристаллов α-Al

и детекторов ТЛД-500 на их основе, облученных

импульсными наносекундными рентгеновскими и электронными
излучениями в диапазоне доз 6



-2

– 3



Гр и мощностей доз 10

–

Гр/с. Главная из них заключается в перераспределении, при

высокодозном  облучении,  светосумм  по  высокотемпературным  ТЛ-
пикам, при этом наибольшим откликом к облучению обладает ТЛ-пик
при  830 K.  Для  него  исследована  дозовая  зависимость,  которая
линейна  в  диапазоне  доз  10

– 6



Гр (рис. 36) (Институт

промышленной экологии УрО РАН).

300

400

500

600

700

800

900

=15 кГр

=230 кГр

=2100 кГр

=6200 кГр

,10

T, K

D, Gy

Рис. 36. Кривые термолюминисценции для детектора ТЛД-500 (a),

облученного различными дозами, и дозовая зависимость в пике

термолюминисценции при 830 К (b).

21. Общая механика, навигационные системы, динамика

космических тел, транспортных средств и управляемых
аппаратов, механика живых систем.

Исследовано движение в идеальной жидкости тела

с    винтовой    симметрией,    управляемого    тремя    внутренними
роторами.  Проведен  сравнительный  анализ  различных  подходов  к
расчету  управляющего  воздействия,  необходимого  для  движения
вблизи    заданной    траектории.    На    основе    численного
эксперимента  показано,  что  метод  нечетких  деревьев  решений
обеспечивает  более  точное  воспроизведение  траектории  движения
и  более  высокую  скорость  вычислений  (Институт  математики  и
механики УрО РАН).

Исследована задача о движении в поле силы тяжести

твердого

тела,

обладающего

формой

кругового

цилиндра,

взаимодействующего    с    N    точечными    вихрями    в    идеальной
жидкости.  Циркуляция  жидкости  вокруг  цилиндра  предполагается
отличной  от  нуля.  Уравнения  движения  системы  представлены  в
гамильтоновой  форме.  Указаны  первые  интегралы.  Обсуждены
возможные  типы  движений  системы  в  случае  N  =  1.  Найдены
относительные равновесия и исследована их устойчивость. Приведены
сечения  Пуанкаре,  вид  которых  указывает  на  неинтегрируемость
системы.  Верхнее  и  нижнее  положения  равновесия  всегда  являются
неустойчивыми,  среднее  —  может  быть  устойчивым  или
неустойчивым (Институт математики и механики УрО РАН).

22. Механика жидкости, газа и плазмы, многофазных и

неидеальных сред, механика горения, детонации и взрыва.

Исследована интенсивность флуктуации синхротронного

излучения  в  нашей  Галактике  и  галактике  M33  с  наблюдательной  и
теоретической  точки  зрения  при  различных  предположениях  о  связи
между  космическими  лучами  и  межзвездным  магнитным  полем.
Показано,  что  наблюдаемая  относительная  величина  флуктуации
магнитного  поля  Галактики  (отношение  среднеквадратичных
флуктуаций  к  средней  напряженности  магнитного  поля)  не
согласуются  с  гипотезой  о  равнораспределении  энергий  космических
лучей и магнитного поля.

Анализ наблюдательных данных указывает на то, что

распределение  космических  лучей  почти  однородно  в  масштабах
порядка  и  более  100  кпарсек  (в  отличие  от  сильных  колебаний
межзвездного  магнитного  поля  в  этих  масштабах).  Консервативная
верхняя  оценка  относительной  величины  флуктуаций  0,2–0,4.
Сравнительный  анализ  наблюдательных  данных  и  теоретической
зависимости

относительных

флуктуаций

интенсивности

синхротронного

излучения

от

коэффициента

корреляции

распределений космических лучей и магнитного поля указывает на то,
что имеется некоторая антикорреляция плотности космических лучей и
плотности  магнитной  энергии  как  в  Млечном  Пути,  так  и  в  М33.
Практический  вывод  состоит  в  том,  что  общепринятая  оценка
величины  случайного  галактического  магнитного  поля,  вероятно,
сильно занижена (Институт механики сплошных сред УрО РАН).

Предложена математическая модель процесса прямого отжима

масличной  культуры.  На  основе  динамики  многофазных  сред
разработана гидродинамическая модель экструзионного отжима масла
из  семян  рапса,  на  основе  которой  может  осуществляться
проектирование  оборудования  и  оптимизация  технологических
режимов (Институт механики сплошных сред УрО РАН).

Найдено семейство точных решений уравнений гидродинамики,

описывающее некоторые режимы течения вязкой жидкости между
параллельными сближающимися или удаляющиеся пластинами
(Институт механики сплошных сред УрО РАН).

Обнаружено новое явление – вихревое течение магнитной

жидкости вблизи источника неоднородного магнитного поля. Течение
сопровождается «дождем» из капельных агрегатов, который
напоминает обычный ливень в земной атмосфере. Наблюдаемые

течения  могут  иметь  важное  практическое  значение  —  они
интенсифицируют  массоперенос  вблизи  источника  магнитного  поля,
ускоряя  его  по  времени  на  много  порядков  (Институт  механики
сплошных сред УрО РАН).

При исследовании устойчивости температурного пограничного

слоя,

возникающего

при

развитии

конвекции

однофазной

околокритической  жидкости  в  колеблющейся  квадратной  полости  в
условиях невесомости, при внезапном понижении температуры стенок
обнаружено наличие трех типов неустойчивости: термовибрационной,
развивающейся  вблизи  стенок,  параллельно  которым  приложены
вибрации;  параметрической,  развивающейся  вблизи  стенок,  по
отношению к которым вибрации перпендикулярны; и неустойчивости,
развивающейся  в  углах  полости.    Полученные  результаты  позволили
объяснить  поведение  однофазной  околокритической  жидкости,
наблюдавшееся

экспериментах,

проведенных

условиях

микрогравитации. Найдено, что описанное поведение не связано с
гиперсжимаемостью среды, оно наблюдается и в случае несжимаемой
жидкости (Институт механики сплошных сред УрО РАН).

На основе численного исследования риска загрязнения рек

вследствие затопления накопителей жидких отходов при прохождении
высоких паводков показано, что при прохождении высоких паводков
вследствие промывки расположенных в поймах рек накопительных
емкостей может резко увеличиться содержание загрязняющих веществ
в

реках,

создавая

реальную

угрозу

для

нижележащих

водопользователей (Институт механики сплошных сред УрО РАН).

Установлена

роль

радиационного

турбулентного

теплопереноса и его количественный вклад в формирование теплового
потока  из  факела  пламени  к  поверхности  горючего  материала,
определяющего  скорость  распространения  пламени.  Разработаны
математические  модели,  вычислительные  алгоритмы,  выполнена  их
программная

реализация

для

численного

исследования

закономерностей распространения турбулентного диффузионного
пламени по вертикальной поверхности полимерного горючего
материала (Институт механики УрО РАН).

Разработаны и реализованы массивно-параллельные алгоритмы

формирования,  поэлементного  решения,  явного  предобуславливания
конечно-элементных  систем  уравнений  на  суперкомпьютерах
гибридной  архитектуры  с  ускорителями  вычислений,  позволяющие
существенно  сократить  вычислительные  затраты,  увеличить  порядок

рассматриваемых систем уравнений для решения сопряженных задач
газовой динамики и нелинейного деформирования (рис. 37, 38)
(Институт механики УрО РАН).

Рис. 37. Ускорение при

интегрировании матриц

жесткости конечных

элементов

первого порядка.

Рис. 38. Ускорение при

интегрировании матриц

жесткости конечных

элементов пятого порядка.

23. Механика деформирования и разрушения материалов,

сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических
систем при механических нагрузках, воздействии физических
полей и химически активных сред.

Установлены качественные различия динамики метаболизма

при  развитии  онкологических  патологий  на  основе  анализа
многомасштабных  пространственных  распределений  флуктуаций
температурного  поля,  полученных  по  данным  неинвазивного
инфракрасного

скрининга

молочных

желез:

переход

от

мультифрактальных к монофрактальным распределениям флуктуаций
температурного

поля.

Анализ

многомасштабных

флуктуаций

температурного поля позволил установить качественно-различные
проявления

поведении

пространственных

флуктуаций

температурного поля, связанные с резким сокращением типов
динамических

коллективных

переменных:

переходом

от

мультифрактальных пространственных распределений флуктуаций
температурного поля к монофрактальным (Институт механики
сплошных сред УрО РАН).

Разработана математическая модель и алгоритм ее численной

реализации для исследования электрических процессов в сердце
человека.

Для

этого

алгоритма

определена

временная

пространственная  дискретизация,  необходимая  для  выполнения
расчетов  с  приемлемой  точностью.  На  основе  разработанной  модели
рассмотрен  процесс  возбуждения  сердца  в  норме  и  при
дополнительном  патологическом  возмущении,  приводящем  к
образованию спиральной волны (Институт механики сплошных сред
УрО РАН).

На основе экспериментальных исследований по реализации

режимов  динамической  локализации  пластической  деформации  на
специально  сконструированных  образцах,  «in-situ»  регистрации
локальных  температурных  полей  (применение  инфракрасного
сканирования)  и  волновой  динамики  формирования  неустойчивости
пластического

сдвига

при

нагружении

мишеней

(VISAR

допплеровская интерферометрия) обоснован «атермический» механизм
формирования разрушения «адиабатическим сдвигом», обусловленный
структурной релаксацией при формировании коллективных мод
дефектов. (Институт механики сплошных сред УрО РАН).

В рамках разрабатываемого подхода к построению моделей

термомеханического  поведения  сложных  сред  при  больших
деформациях  и  структурных  изменениях  в  материалах  получены
соотношения,  удовлетворяющие  принципам  термодинамики  и
объективности,  и  описывающие  эффект  памяти  формы  в  полимерах
при  конечных  деформациях.  Основываясь  на  первом  законе
термодинамики,  построено

соответствующее

этому

процессу

уравнение теплопроводности. Полученные соотношения аттестованы
на ряде задач, имеющих экспериментальное обеспечение (Институт
механики сплошных сред УрО РАН).

Экспериментально

изучена

структура

локальные

механические свойства полимерных нанокомпозитов на основе
полиэтилена ПЭ 107-02К и игольчатого силикатного нанонаполнителя

(палыгорскит). Концентрация наполнителя варьировалась от 5 до 15%.
Построены  наносканы  поверхности  материала,  отображающие
распределение  следующих  характеристик:  1)  геометрический  рельеф
наноповерхности;  2)  адгезия  (сила  прилипания  зонда  АСМ  к
поверхности при контакте); 3) индентация (глубина внедрения зонда в
материал);  4)  модуль  упругости  (жесткость  материала).  Определены
характерные  размеры  игольчатых  нановключений  (диаметр  порядка
20–27 нм, длина 500–1000 нм). Установлено, что частицы наполнителя
могут  образовывать  вторичные  агрегаты  в  виде  пачек  из параллельно
расположенных  иголок.  Показано,  что  при  воздействии  на  образец
растягивающей  внешней  нагрузки  иголки  могут  приобретать
волнообразную

форму

вследствие

неоднородных

локальных

деформаций в матрице (Институт механики сплошных сред УрО
РАН).

Получены новые экспериментальные данные и математическая

модель

сопротивления

деформации

сформированной

микроструктуры сплава АМг6 и Al-Mg-Sc-Zr сплавов 01570 и 01570С
при высокотемпературной пластической деформации в зависимости от
степени и скорости деформации. Результаты могут быть использованы
для проектирования технологических процессов изготовления
штамповок

деталей

аэрокосмической

техники

(Институт

машиноведения УрО РАН).

Разработана адаптивная модель механики поврежденности

металлических материалов при пластическом деформировании в
условиях

непропорционального

изменения

характеристик

напряженного  состояния.  Модель  относится  к  классу  континуальных
моделей  механики  поврежденности  и,  в  отличие  от  других  подобных
моделей,  впервые  позволила  описать  эффект  частичного  залечивания
поврежденности  при  деформировании  в  области  сжимающих
напряжений (Институт машиноведения УрО РАН).

Разработан

алгоритм

расчета

процесса

прокатки

вязкопластической

полосы,

учитывающий

нелинейность

определяющих  соотношений  и  конвективное  движение  материала.
Указанные  нелинейные  факторы  затрудняют  интегрирование
дифференциальных  уравнений  задачи.  Для  преодоления  этих
трудностей  применяются  специально  разработанные  методы,
позволяющие

корректно

рассчитывать

кинематику

течения

вязкопластической полосы при прокатке. Алгоритм реализован в виде
программы (Институт машиноведения УрО РАН).

Разработаны

способы

формирования

упрочненного

легированного слоя на отливках из сталей и чугунов методом литья по
газифицируемым моделям легирующими композициями на основе
ферротитана с добавками бора, карбида бора и углерода (Институт
механики УрО РАН).

Разработан

универсальный

способ

создания

объемов

наноразмерного  аустенита  особой  морфологии  и  свойств  в  структуре
высокопрочных  мартенситно-стареющих  сталей,  обеспечивающий
увеличение  их  конструктивной  прочности  более  чем  в  два  раза
(рис. 39) (Институт механики УрО РАН).

Рис. 39. Сериальные кривые ударной вязкости стали Н18К9М5Т с мартенситной (1)

и мартенситно-аустенитной структурой (2–4), 5–7 – изменение

устойчивости аустенита.

24. Механика технологий, обеспечивающих устойчивое

инновационное

развитие

инфраструктур

пониженной

уязвимости по отношению к возможным внешним и внутренним

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК: УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ. ОТЧЕТ ЗА 2014 год - часть 3