1. Физика на плазмата и диагностика на термоядрена плазма в токамаци

През последните години една от класическите техники за диагностика на плазмата, базирана на метода на сондата на Langmuir, беше приложена успешно към магнитно ограничена плазма в различни експериментални реактори (токамаци и стеларатори) за контролиран термоядрен синтез. Този подход е използван активно в редица систематични експериментални изследвания, проведени в различни термоядрени устройства. Сред тях беше токамак COMPASS (фиг.1 и фиг.2) в Института по физика на плазмата на Академията на науките на Чешката република (IPP-ASCR), както и токамак ISTTOK и стеларатор TJ-II (CIEMAT) в Испания. По-долу обобщаваме някои от най-важните експериментални резултати.

Параметрите на изстъргващия слой (SOL) в токамака COMPASS бяха изследвани с помощта на сонда Langmuir, монтирана на хоризонтален манипулатор с възвратно-постъпателно движение. Радиалните профили на плазмения потенциал, функцията на разпределение на енергията на електроните (EEDF) и плътностите на електроните са получени от измерените характеристики на сондата за ток-напрежение чрез прилагане на техниката на сондата на първо производно (FDPT). Тази техника използва електронната част от характеристиката ток-напрежение (IV) на сондата на Langmuir и дава информация за плазмения потенциал и EEDF. Беше показано, че в близост до стената на токамака функцията на разпределение на енергията на електроните е Максуелова, докато в SOL, в близост до последната затворена повърхност на потока и вътре в ограничената плазма, функцията на разпределение на енергията на електроните е бимаксвелска с нискоенергийна електронна фракция, доминираща над по-високоенергийна. Резултатите, получени както от класическите, така и от първите производни техники, също бяха сравнени и обсъдени. Беше демонстрирано, че последната техника осигурява стойности за плазмения потенциал в слоя за изстъргване на токамак плазми с точност от около ±10%. Струва си да се спомене, че класическата техника на сондата позволява да се оцени само потенциалът на плазмата (при условие, че са известни както температурите на електроните, така и на йоните и се приема разпределение на Максуел), докато FDPT може да се приложи за правилна оценка на потенциала на плазмата дори в случай на немаксуелска EEDF.

По отношение на изследванията на параметрите на плазмата в дивертора COMPASS по време на изстрели с омична D-образна плазма, беше установено, че в близост до вътрешните и външните точки на удара на дивертора, EEDF може да бъде апроксимирана от бимаксвелов, с доминираща нискоенергийна електронна популация (4-7 eV) и малка част от електрони с по-висока енергия (12-25 eV). В областта между двете точки на удар е установено, че функцията на разпределение на енергията на електроните е Максуелова с температури в диапазона от 7-10 eV. Първата техника на производна сонда беше приложена и за изследване на параметрите на плазмата в токамака ISTTOK. Характеристиките ток-напрежение бяха измерени с помощта на нови електрически сонди, монтирани на хоризонтален манипулатор, единият ориентиран паралелно, а другият перпендикулярно на линиите на магнитното поле. С помощта на техниката на сондата на първо производно бяха получени плазменият потенциал и EEDF в различни радиални позиции. Беше установено, че в близост до последната затворена повърхност на потока (LCFS), EEDF не е Maxwellian и може да бъде апроксимирана от bi-Maxwell с доминираща популация от студени електрони и малцинствена група от горещи електрони. В сянката на ограничителя обаче оценената EEDF е Максуелова.

Последните изследвания, проведени в токамак COMPASS, са фокусирани върху изследването на зависимостта на параметрите на плазмата и EEDF в диверторната област от експерименталните условия по време на допълнително нагряване на деутериева плазма чрез инжектиране на неутрален лъч (NBI). Наскоро беше проведено подробно изследване на влиянието на резонансните магнитни смущения. Освен това е направено сравнение между основните плазмени параметри, получени с помощта на конвенционалните (три- и четири-параметрични) техники и съответно метода на първата производна на сондата. Въз основа на получените данни е изчислено радиалното разпределение на плътността на мощността на топлинния поток в областта на дивертора.

Получените данни дават по-добра физическа представа за физическите процеси, които влияят върху работата на токамака COMPASS и стеларатора TJII. Техниките, приложени в гореспоменатите изследвания, могат да се използват за изследване на други подобни реактори за изследване на термоядрен синтез. Работата по горните теми е извършена в рамките на сътрудничеството между ИЕ-БАН, СУ и ИПП-АСКР.

2. Моделиране, симулация, компютърно проектиране (CAD), оптимизация и числени изследвания на мощни жиротрони за изследвания на термоядрен синтез и за нови приложения

Жиротроните са най-мощните източници на кохерентно лъчение, които могат да работят както в режими с дълги импулси, така и в CW режими в широк честотен диапазон от честотните ленти под терагерца до терагерца и имат много приложения във фундаменталните физически изследвания и в различни напреднали технологии. Например, микровълни с висока мощност, генерирани от жиротрони от мегаватов клас, се използват в различни реактори за контролиран термоядрен синтез (напр. токамаци, стеларатори и най-вече ITER и DEMO) за стартиране на плазма, за нагряване с електронен циклотронен резонанс (ECRH) и задвижване на електронен циклотронен ток (ECCD) на магнитно ограничена плазма, както и за диагностика на плазмата (на базата на колективно разсейване на Томсън) и стабилизиране на плазмата (напр. потискане на неокласическите режими на разкъсване). В същото време жиротроните под THz и THz се използват като източници на радиация в много съвременни спектроскопски техники, обработка на материали, нови медицински технологии и др.

Нашата работа по числено изследване и CAD на жиротрони включва (виж Фиг.3): (i) теоретични изследвания, фокусирани върху разработването на адекватни, самосъгласувани и информативни физически модели, формулирани в две (2D) и три (3D) пространствени измерения; (ii) поддръжка, надграждане, подобряване, тестване и сравнителен анализ на наличните компютърни кодове и основните цифрови библиотеки, компилатори, интегрирани среди за разработка (IDE); (iii) разработване на нови софтуерни инструменти за симулация на електронно-оптична система (EOS) на тръбата, електродинамична система (резонансна кухина) и преобразувател на квазиоптичен режим, използвайки ефективни числени методи и алгоритми, усъвършенствани изчислителни среди и техники за програмиране, както и (iv) провеждане на числени експерименти за анализ, компютърно проектиране (CAD) и оптимизиране на различни жиротрони.

Разработените кодове са интегрирани в няколко проблемно ориентирани софтуерни пакета. Те се използват за CAD, числено изследване и оптимизиране на високоефективни жиротрони, които принадлежат към два основни класа тръби. Първият включва високомощни (мегаватови) жиротрони за изследване на термоядрения синтез с типични изходни честоти в диапазона от 120 GHz до 170 GHz. Вторият обхваща източници на радиация, които са по-малко мощни (от няколко десетки вата до няколко киловата), но осигуряват по-високи честоти от субмилиметрови дължини на вълните до суб-THz и THz области на електромагнитния спектър. Последният клас жиротрони демонстрира голям потенциал за преодоляване на така наречената "THz честотна разлика" и отвори пътя към много нови и разнообразни приложения в области като спектроскопия, изображения, наблюдение и инспекция на различни материали, микровълнови процеси, усъвършенствана термична обработка, нови медицински технологии и др.

В повечето от наличните инструменти за симулация, внедрените физически модели са формулирани в две измерения (2D) и пренебрегват много фактори и явления (например неравномерност на емисиите, несъответствие на електродите и магнитните бобини), които по своята същност са триизмерни. За да се преодолеят тези ограничения, наскоро започна работа по разработването на GYREOSS (симулация на електронно-оптична система Gyrotron). GYREOSS е проблемно ориентиран софтуерен пакет за анализ на траектория (проследяване на лъчи) и PIC симулации на EOS на жиротрони както в 2D, така и в 3D. Програмата за решаване на полето на GYREOSS използва метода на крайните елементи за решаване на проблема с гранични стойности за уравнението на Поасон и е реализирана като FreeFEM++ скрипт за интегрираната среда FreeFEMM++-cs. В релативистичния тласкач на частици на GYREOSS е реализирана схема на Борис-Бунеман от втори ред за проследяване на движението на частиците. За разпределение (разпръскване) на пространствения заряд към възлите на изчислителната мрежа се използва ефективен алгоритъм за запазване на заряда. Цялостната структура и програмната реализация на изчислителните модули позволяват текущата серийна (последователна) версия да бъде паралелизирана и се планира бъдеща работа в тази посока.

Изследователският екип, работещ по разработването на пакета GYREOSS, поддържа съвместен уебсайт на проекта на адрес http://gyreoss.wikidot.com , който предоставя повече подробности и илюстративни примери.

3. Sub-THz жиротрони за нови приложения

Забележителният неотдавнашен напредък в разработването на суб-THz и THz жиротрони отвори много нови възможности за тяхното използване като мощни източници на кохерентно излъчване в голям брой нови и перспективни приложения в различни научни и технологични области. Изследователският център за развитие на далечния инфрачервен регион (FIR UF Center) към Университета на Фукуи, Япония е един от световно признатите лидери в разработването, изучаването и прилагането на такива жиротрони. Институтът по електроника (ИЕ-БАН) има дългогодишно (повече от 18 години) и ползотворно сътрудничество с FIR UF в рамките на Споразумение за академичен обмен и Меморандум за разбирателство. ИЕ-БАН участва в Международния консорциум за развитие на високомощни терахерцови науки и технологии, който беше организиран от FIR UF и започна своята работа през 2015 г. В този консорциум участват 13 институции от 9 държави (посетете: http://fir.u-fukui.ac.jp/Website_Consortium ).

Жиротроните, разработени в FIR FU Center, формират така наречената серия Gyrotron FU, която включва няколко групи устройства, а именно FIR FU (импулсни тръби), FIR FU CW (осцилатори, работещи в режим на непрекъсната вълна), FIR FU CW C (компактни тръби) и FU CW G (източници на радиация с вътрешни преобразуватели на режим, които образуват добре колимирани гаусови лъчи). Сред новите приложения на тези жиротрони са няколко усъвършенствани спектроскопски техники (най-вече ESR спектроскопия, DNP подобрена NMR спектроскопия), рентгенов магнитен резонанс и изследвания на енергийните нива на позитрония (Ps). Добър пример за пионерско приложение на жиротрон в медицинската технология е наскоро разработената концепция за съоръжение за облъчване с двоен лъч за експериментална терапия на рак, базирано на едновременното и/или последователно прилагане на два лъча, а именно лъч от неутрони и непрекъснат вълнов или периодичен суб-терагерцов вълнов лъч, произведен от жиротрон (формиращ така наречения „квантов лъч“).

Централна тема на сътрудничеството между FIR-UF и IE-BAS е свързана с разработването на проблемно-ориентирания софтуерен пакет GYROSIM (виж Фиг. 4) и използването му за числени изследвания и компютърно проектиране на суб-THz жиротрони за гореспоменатите приложения. Компонентите на GYROSIM са специализирани за различни подсистеми (EOS, резонатор с кухина, квазиоптичен преобразувател на режими) и са базирани на адекватни физически модели. Наскоро бяха разработени и интегрирани в пакета няколко нови изчислителни модула. Те бяха използвани в числено изследване на резонанси с ограничена честотна лента на аксиални модове от висок порядък (HOAM). Предложеният подход позволява да се изследва честотната характеристика на кухината, като се използват различни резонансни криви, получени от решението на нехомогенното уравнение на Хелмхолц за амплитудата на полето чрез метода на крайните разлики (FDM).

4. Изследване на междумолекулните потенциали и топлофизичните свойства на газове и бинарни смеси при ниски налягания

Изследванията по тези теми се основават на фундаменталните идеи на покойните професори Б. Стефанов и Л. Заркова от нашата лаборатория и включват използването на (n-6) потенциал на Ленард-Джоунс със зависими от температурата параметри за изследване на термофизичните свойства на разредени газове, състоящи се от молекули както със сферична, така и с линейна симетрия. През последните години тези идеи бяха разработени и разширени, за да бъдат приложени не само към газове, но и към различни бинарни газови смеси, които са важни за индустриални приложения, като микро- и наноелектроника, горене и др. В момента изследователският екип, работещ по тази тема, включва д-р М. Дамянова и д-р Е. Балабанова, в сътрудничество с проф. У. Хохм от Техническия университет от Брауншвайг.

Разработените изчислителни процедури за оценка на топлофизичните свойства на газове, състоящи се от сферично и линейно симетрични молекули, се прилагат към вещества и смеси, важни за електрониката. Усилията на екипа са насочени към разбиране на процесите, протичащи в устройствата за ецване и CVD камерите. Както при сухо ецване, така и при почистване на камери за CVD, вещества като CX₄ (X=Cl, F), SF₆ , NF₃ и техните смеси с O₂ са важни. Следователно са необходими надеждни термофизични данни за оптимизиране на основните процеси. Те могат да бъдат получени чрез нашата изчислителна процедура. Понастоящем се изследват транспортните (коефициент на дифузия и вискозитет) и равновесните (втори вирусен коефициент) свойства на SF₄/O₂ , SF₆/O₂ , Ar/O₂ , KrO₂ и Xe/O₂ .

5. Нанотехнологии и нови съвременни материали

Провеждането на изследвания и предоставянето на експертиза в областта на наноматериалите и нанотехнологиите винаги са били сред традиционните дейности, упражнявани от Лабораторията.

Изследователската дейност е насочена към изучаване на високотемпературните процеси в синтеза и приложенията на неорганични наночастици. Експертизата в областта на нанотехнологиите се предоставя от д-р Е. Балабанова, участвала в оценката на стандартните документи на ISO и CEN като член на Националния координационен съвет по нанотехнологии и водещ редактор на списание „Nanoscience & Nanotechnology Nanostructured Materials Application and Innovation Transfer” (ISSN 1313-8995). Това периодично издание принадлежи към семейството списания, издавани от БАН и демонстрира забележително развитие през последните години (посетете: http://nsc-nt.ipc.bas.bg/ ).

В рамките на международното сътрудничество с FIR UF в Япония и университета Siliwangi в Индонезия ние работим върху разработването и изследването на усъвършенствана керамика и други нови материали (напр. керамика на основата на мулит, керамика на основата на TiO₂ и силициев ксерогел, стъклен композит SnO₂ , филми от активен въглен за електрически двуслойни кондензатори и др.).