В.Е. Фортов - один из немногих ученых, кто проводит еженедельные семинары по широкому спектру научных проблем фундаментальной, прикладной и оборонной науке. Когда у него возник выбор - работать в Правительстве Российской Федирации или заниматься наукой с широкими научными зарубежными контактами, он выбрал науку.

Академик Фортов Владимир Евгеньевич, родился 23 января 1946 г. в подмосковном Ногинске. С отличием окончил МФТИ (1967) г по специальности инженер-физик по аэротермодинамике

После окончания института поступил в аспирантуру МФТИ на кафедру физической механики, кандидатскую диссертацию защитил досрочно. Его консультантом во время работы над докторской диссертацией был академик Я. Б.Зельдович, один из создателей (наряду с А.Д.Сахаровым и Ю.Харитоном) советской водородной бомбы. Он представил его кандидатскую диссертацию на пленарную сессию АН СССР. Тема доклада была связана с теорией плотной плазмы, а оппонентом  по докладу был проф. Л.Альтшулер, разработчик первой советской атомной бомбы.

Научные исследования В.Е.Фортовым были продолжены в Черноголовке и в Институте высоких температур, где был проведен ряд уникальных экспериментов по свойствам плотной плазмы. Параметры, достигнутые в экспериментах – ударно-волновых и взрывных были сверхпредельными (экстремальными), поэтому вскоре под руководством В.Е.Фортова начали работать научные группы в Институте высоких температур, Арзамасе 16, КБ «Вымпел» и ряде отраслевых институтов.

Первая крупная награда была присуждена В.Е. Фортову в 1986 г., когда он был награжден Орденом Трудового Красного Знамени за успешную работу по проекту кометы ВЕГА – Галлея. Под его руководством была спроектирована система защиты космического аппарата от гиперскоростных ударов метеоритов.

          В 1987 г. В.Е.Фортов был избран членом – корреспондентом АН СССР, а в 1991 – академиком.

          В 1992, он начал научные исследования с группой в Арзамасе - 16 и создал Научно-исследовательский Центр теплофизики импульсных воздействий в Москве, специализирующийся на исследованиях концентрированных потоков энергии, рельсотронов, уравнении состояния плотной плазмы, МГД-генераторах, гиперскоростных ударах и взрывах. В этом же году он возглавил Научный Совет Министерства обороны.

В 1993 г. В.Е.Фортов назначен Председателем Российского фонда фундаментальных исследований и затем – министром науки и технологий и вице-премьером в правительстве В.С.Черномырдина.

С 1996 по 2001 г. В.Е.Фортов занимал должность Вице-президента Академии наук, а с 2002 г – члена Президиума РАН и избран академиком-секретарем Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН.

Среди его научных достижений - точное предсказание явлений возникающих при столкновении кометы Шумейкера-Леви с Юпитером в 1994 г., первое наблюдение образования кристаллов в плотной плазме, предсказанное Эдвардом Теллером в 1977 г.

В 1999 г. академик В.Е.Фортов получил престижную Золотую медаль Международного общества высоких давлений П.Бриджмена. Он – лауреат пяти государственных премий за научную работу и оборонные исследования.

В настоящее время за рубежом и в России физики пользуются сборником формул, разработанных в Naval Research Lab, являющимся «катехизисом» в области физики плазмы и смежных областях. Начиная с 2004 г. в это издание (NRL Formulary-2004) включены представления и формулы по пылевой плазме со ссылкой на обзор В.Е.Фортова с коллегами в УФН, что является престижным и существенно повышает индекс цитирования.

Академик Владимир Евгеньевич Фортов стал лауреатом Международной премии 2005 года за выдающийся вклад в физику мощных ударных волн и физику плазмы. В решении Американского физического общества указано, что премия присуждена российскому ученому за его пионерские научные исследования по физике высоких плотностей энергии, физике сильносжатой плазмы, сильноразогретого конденсированного вещества, по физике мощных ударных волн и их практическим применениям. Премия, носящая имя выдающегося американского ученого Дж. Дюваля, присуждается в строго индивидуальном порядке за значительный всемирно признанный личный вклад в перспективные разделы физики ударных воли и за создание оригинальных научных направлений физической науки. Вручение премии состоялось в Балтиморе, США, на Международной конференции по физике ударных волн в конденсированных средах. В начале июля 2005 г. американские ученые осуществили успешную бомбардировку кометы «Темпл-1» с целью изучения ее состава. Расчетом данного научного эксперимента занималась команда ученых России под руководством академика Владимира Фортова.

В апреле 2005 года академик Владимир Евгеньевич Фортов получил престижную международную награду - золотую медаль имени Альберта Эйнштейна, присужденную ему за выдающийся вклад в развитие физической науки и международного научного сотрудничества. Научные интересы академика Фортова лежат в области физики экстремальных состояний вещества, включая плазму. Если не считать темную материю, плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95% обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна. Плазма излучает свет в электроразрядных лампах, создает цветное изображение в плазменных панелях. В плазменных реакторах потоки плазмы используют для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Плазменные установки перерабатывают отходы и производят энергию. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.

Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.

В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Чтобы уменьшить или предотвратить эти негативные явления, необходимо разобраться в том, как идут процессы образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме и как плазменные пылинки влияют на свойства разряда.

Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие "берет верх" над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом. В ранних экспериментах образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах произведены наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица "ловит" электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на ее поверхности не сравняются. В экспериментах с высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 104 - 105 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрометров.

В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) с 1991 года изучают пылевую плазму и создают разнообразные методы ее диагностики. Исследована пылевая плазма разных видов: термическая плазма, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастотного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма. Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в ней равны. В потоке такой плазмы изучали поведение частиц диоксида церия (CeO2). Особенность этого вещества в том, что электроны довольно легко улетают с его поверхности - работа выхода электрона составляет всего около 2,75 эВ. Поэтому пылевые частицы заряжаются как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии - испусканием электронов нагретой частицей, что создает положительный заряд.

Пространственные структуры макрочастиц анализировали при помощи лазерного излучения, дающего корреляционную функцию g(r), смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то функция показывает вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной. А это позволяет сделать вывод о пространственном расположении частиц - хаотическом или упорядоченном, характерном для жидкостных и кристаллических структур. При высокой температуре плазмы (2170 K) и невысокой концентрации макрочастиц (б) корреляционная функция имеет почти такой же вид, как для струи обычного аэрозоля при комнатной температуре. Это означает, что частицы в плазме взаимодействуют слабо и образования упорядоченных структур не происходит. При меньшей температуре плазмы (1700 К) и более высокой концентрации частиц корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкости: есть ярко выраженный максимум, что свидетельствует о наличии ближнего порядка в расположении частиц. В этом эксперименте положительный заряд частиц составлял величину около 1000 зарядов электрона. Относительно слабую упорядоченность структуры можно объяснить малым временем существования плазмы (около 20 тысячных долей секунды), за которое процесс формирования плазменного кристалла не успевает завершиться.

В термической плазме температура всех частиц одинакова, а в плазме тлеющего газового разряда ситуация иная - электронная температура много больше ионной. Это создает предпосылки для возникновения упорядоченных структур пылевой плазмы - плазменных кристаллов. В тлеющем газовом разряде при определенных условиях возникают стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости, регулярно чередующиеся с темными промежутками. Концентрация электронов и электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Поэтому в голове каждой страты образуется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда. Процесс формирования структуры выглядит следующим образом: высыпанные из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. Лазерный луч подсвечивает частицы в горизонтальной или вертикальной плоскости. Образование пространственной структуры фиксирует видеокамера. Отдельные частицы можно видеть невооруженным глазом. В эксперименте использовали частицы нескольких типов - полые микросферы из боросиликатного стекла и частицы меламинформальдегида диаметром от одного до ста микрометров.

В центре страты образуется пылевое облако диаметром до нескольких десятков миллиметров. Частицы располагаются в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры (рис. 3а). Расстояния между слоями составляют от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм. Функция распределения частиц g(r) имеет несколько ярко выраженных максимумов, что подтверждает существование дальнего порядка в расположении частиц и означает формирование кристаллической структуры, хотя плазменные пылевые кристаллы хорошо видны и невооруженным глазом. Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ. Используя несферические частицы - нейлоновые цилиндры длиной 200-300 мкм, - удалось получить также структуру, подобную жидкому кристаллу (рис. 4).

На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации. Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.

В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.

Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.

Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.

В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".

Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера (рис. 5), состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.

Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировочный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.

Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками. В настоящее время эксперименты на международной космической станции выполняет космонавты – выпускник МФТИ Калери…

Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру - плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планируется установить на МКС.

Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием. Структуры макрочастиц в плазме - хороший инструмент и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, с конструированием и синтезом малого кристалла - нанокристалла, нанокластера, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, созданием электрических ядерных батарей и лазеров, рабочим телом в которых являются частицы радиоактивного вещества.

Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами. Возникают интересные задачи в микробиологии, медицине, экологии. Список возможного применения пылевой плазмы непрерывно расширяется.

PS . Несколько слов о моих личных впечатлениях и дружбе с Владимиром Фортовым. Мы с ним поступили на Физтех в 1962 г. – он в234 группу с базовой кафедрой в Институте физики Земли, я – в группу 2311 по специальности «Прочность» с базовой кафедрой в МФТИ. Но в те годы на физтехе стало известно, что на базовой кафедре НИИ тепловых процессов (ранее – НИИ-1, база, на которой во время войны создавались реактивные снаряды «Катюша») появилось новое направление, связанное с плазмой и молодой член-корр РАН В.М.Иевлев, к которому и пришли мы с Володей Фортовым. В этом году В.М.Иевлеву исполнилось бы 80 лет и будет проведена научная конференция его памяти. В. Фортов защитил диплом на год раньше срока, на 5 курсе и поступил в аспирантуру на кафедру физической механики МФТИ, защитился раньше срока и начал научную деятельность в Институте химической физики в Черноголовке и Институте высоких температур, защита докторской диссертации и избрание в Академию наук СССР. Академик Владимир Евгеньевич Фортов похож не столько на кабинетного ученого, сколько на подвижного и активного естествоиспытателя. Его любимый конек - физика экстремально высоких температур и давлений, плотная плазма. Академик работает в своем обширном кабинете среди моделей старинных кораблей и современных самолетов, на стенах - копии картин Босха, одного из самых таинственных художников. Увлекается гоками на яхтах, пошел «в ходку» на мыс Горн в самое сложное время, когда яхта в ураганы наклонялась почти вертикально, увлекается горными лыжами. Очень популярными являются конференции на Эльбрусе по физике экстремальных состояний в начале марта, где принимают участие на равных академики, доктора, аспиарнты и студенты. В.Е.Фортов – один из немногих ученых, кто проводит еженедельные семинары по широкому спектру научных проблем фундаментальной, прикладной и оборонной науке. Когда у него возник выбор – работать в Правительстве Российской Федерации или заниматься наукой с широкими научными зарубежными контактами, он выбрал науку.

                                                 Материал подготовил Эдуард Евгеньевич Сон

Из интервью В.Е.Фортова (В.Е.Фортов, «Надеюсь на лучшее», М. 2006)

О себе

Я вырос на аэродромной свалке. В Ногинске, где я родился, был филиал научно-испытательного центра ВВС. Аварии случались часто - чуть ли не каждую неделю хоронили по экипажу, а машины свозили на свалку, где мы, мальчишки, осваивали их "на ощупь". С тех пор я очень люблю авиацию и космос, с удовольствием летаю на самолете с инструктором. Тем более что отец был летчиком, офицером, прошел войну.

Школу я окончил раньше срока, поступил в Физтех, на факультет аэрофизики и космических исследований, окончил с красным дипломом, однако единственный за всю историю института не получил в приложение к нему благодарность ректора (есть такое правило). Дело в том, что меня не единожды пытались отчислить из Физтеха, причем за вполне безобидные шалости. Скажем, за КВН: нужно было придумать для капитана команды вопрос с подтекстом и остроумный ответ на него. Мой вопрос был следующий: что такое радость труда? Ответ же гласил: чувство, которое испытывает поэт, глядя на строящуюся электростанцию. После этого команда Физтеха одержала победу, КВН перестал идти в прямом эфире.

 

Выпуск №3(1741)-4(1742)