Коллектив ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и МФТИ представил новое исследование, посвященное рентгеновским излучениям, наблюдаемым в условиях лабораторных атмосферных разрядов. В своей работе они провели всесторонние измерения рентгеновских излучений в периферийной области атмосферных разрядов, инициированных при напряжении порядка одного миллиона вольт. Работа опубликована в Physical Review E.
Рентгеновское излучение, возникающее во время высоковольтных разрядов в воздухе, было предметом изучения на протяжении многих лет. Это явление наблюдается как в коротких, так и в длинных разрядах, а также во время молний в атмосфере Земли. Несмотря на значительное количество исследований, механизмы, ответственные за генерацию рентгеновского излучения в условиях атмосферных разрядов, до сих пор остаются неясными. Ранее было установлено, что вспышки рентгеновского излучения регистрируются во время взаимодействия различных плазменных структур в разряде — встречных стримеров или стримерных корон противоположной полярности. Однако конкретные механизмы генерации рентгеновского излучения всё еще требуют дальнейшего изучения.
Целью недавнего исследования российских физиков было получение всесторонних данных о пространственных, временных и спектральных характеристиках рентгеновских излучений в периферийной области разряда, инициированного при напряжениях до 1 МВ в открытых воздушных промежутках длиной 55 см. Ученые стремились установить основные закономерности в возникновении вспышек рентгеновского излучения, регистрируемых в процессе развития разряда, и локализовать пространственные области разряда, ответственные за их генерацию.
Эксперименты проводились с применением высоковольтных импульсов, которые имели время нарастания около 200 наносекунд и общую продолжительность порядка 1 микросекунды. Разрядный промежуток был сконструирован с катодом типа «игла-внутри-конуса» и полусферическим анодом из проволочной сетки. Параметры установки обеспечивали стабильные условия для наблюдения эмиссий рентгеновского излучения.
Для точного измерения напряжения и тока разряда использовались высокочувствительные электрофизические устройства с временным разрешением на уровне нескольких наносекунд. Важным инструментом исследований также являлись шесть сцинтилляционных рентгеновских детекторов SD1-SD6, позволяющих фиксировать вспышки рентгеновского излучения в процессе разряда. Каждый детектор был оснащен пластиковым сцинтиллятором (p-terphenyl+POPOP), соединенным с фотоэлектронным умножителем с высокой чувствительностью и временным разрешением на уровне 3 нс, надежно экранирован от электромагнитных помех и дополнительно помещен внутрь свинцовой трубы толщиной 1 см для улучшения точности регистрации рентгеновских излучений.
Для анализа вспышек рентгеновского излучения в конкретных зонах разряда на концах свинцовых труб были установлены круглые свинцовые диафрагмы толщиной 1 см. Это позволяло каждым детектором охватить независимые круговые области разряда, что способствовало более детальному изучению пространственных характеристик рентгеновского излучения. В некоторых экспериментах использовались детекторы без диафрагм, что расширяло поле зрения и позволяло фиксировать более широкий энергетический спектр излучения.
В ходе экспериментов применялись металлические фильтры поглощения, которые обеспечивали 100-кратное ослабление потока фотонов с различными энергиями. Это позволило исследователям более точно анализировать энергетический спектр рентгеновского излучения и его пространственно-временные характеристики. В дополнение к сборке детекторов SD1-SD6 исследователи задействовали сборку детекторов SD1*, SD2*, SD3* с широкой апертурой, расположенных близко друг к другу. Каждый из детекторов был закрыт индивидуальным металлическим фильтром. Конкретно, использовались фильтры из алюминия толщиной 3 мм и свинца толщиной 7 и 10 мм. Сборка детекторов SD1*-SD3* позволяла определить временной характер генерации фотонов с высокими и низкими энергиями во время одиночной вспышки рентгеновского излучения.
В дополнение к основным сборкам рентгеновских детекторов использовался еще один рентгеновский детектор (SD), обладающий высокой чувствительностью и широкой апертурой. В данном детекторе фотоэлектронный умножитель был соединен с прямоугольным сцинтиллятором. Вся поверхность сцинтиллятора была покрыта алюминиевой фольгой толщиной 10 мкм, защищенной светонепроницаемой бумагой. Детектор не был помещен в свинцовую трубу, в то время как его большая рабочая поверхность позволяла захватывать больше рентгеновских фотонов с различными энергиями, в отличии от представленных выше сборок детекторов. Высокочувствительный детектор SD использовался в первую очередь для регистрации самого раннего момента времени, связанного с появлением самых первых вспышек рентгеновского излучения в разряде, и дополнял ключевые сборки детекторов.
Рисунок 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и использованных рентгеновских детекторов. Источник: Physical Review E.
Рисунок 2. (a) Схематическое изображение регистрации вспышек рентгеновского излучения с помощью сборки рентгеновских детекторов, закрытых сплошными свинцовыми фильтрами и без свинцовых диафрагм. [(b)—(d)] Распределения суммарной мощности P (в произвольных единицах) и наблюдаемого числа F (количество наблюдений, полученных с усреднением по временным интервалам в 1 нс) зарегистрированных вспышек рентгеновского излучения: (b) серия измерений (320 событий) с свинцовыми фильтрами толщиной 1 мм (Eν ≈ 65 кэВ), (c) серия измерений (380 событий) с свинцовыми фильтрами толщиной 3 мм (Eν ≈ 170 кэВ) и (d) серия измерений (310 событий) с свинцовыми фильтрами толщиной 7 мм (Eν ≈ 250 кэВ). Подписи к осям по левую сторону от графиков (в терминах F и P) на панелях (b), (c) и (d) аналогичны. Источник: Physical Review E.
Рисунок 3. (a) Схематическое изображение регистрации вспышек рентгеновского излучения с помощью сборки рентгеновских детекторов, закрытых алюминиевыми фильтрами и свинцовыми диафрагмами диаметром 4 см. [(b)–(d)] Распределения суммарной мощности P (в произвольных единицах) и наблюдаемого числа F (количество наблюдений, полученных с усреднением по временным интервалам 1 нс) зарегистрированных вспышек рентгеновского излучения: (b) серия измерений (120 событий) с алюминиевыми фильтрами толщиной 100 мкм (Eν ≈ 5 кэВ), (c) серия измерений (120 событий) с алюминиевыми фильтрами толщиной 3 мм (Eν ≈ 17 кэВ), и (d) распределения суммарной мощности для сравнения. Источник: Physical Review E.
В ходе экспериментов удалось показать, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. При этом генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны.
Рисунок 4. Верхняя панель: характерные осциллограммы тока и напряжения разряда.Средняя и нижняя панели: изображения (кадры 1–9), иллюстрирующие динамику развития разряда. Временные интервалы ∆ti регистрации кадров указаны на осциллограммах на верхней панели рисунка. Параметр «Exp.» обозначает время экспозиции кадра. Источник: Physical Review E.
«Наше исследование предоставляет новые экспериментальные данные, которые могут помочь в понимании механизмов генерации рентгеновских излучений во время натурных молниевых разрядов в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ. — В частности, нам удалось установить наличие временных задержек между началом эмиссии низкоэнергетических и высокоэнергетических фотонов в одиночных вспышках рентгеновского излучения, что может указывать на сложный коллективный механизм их генерации в условиях развитой плазменной системы».
«Используя наносекундную визуализацию динамики развития плазменных структур разряда, удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка через десятки наносекунд после первых актов взаимодействия встречных стримеров, растущих с анода, с катодом. Самые первые вспышки рентгеновского излучения наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют порядка 500 А и 1 МВ. Представленные в работе техники и подходы к диагностике излучений могут быть полезными в разработке новых методов молниезащиты и прогнозирования электрических явлений в атмосфере Земли», — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности руководителя Отдела физики высоких плотностей ФИАН.
«Анализ пространственно-временных характеристик зарегистрированных вспышек рентгеновского излучения показывает, что мы имеем дело с некоторыми локальными источниками данного типа излучения, которые быстро эволюционируют во времени и в пространстве. При этом источник может быть не один, возможно появление множества источников, которые способны практически синхронно возникать в объеме разряда. Чаще всего первый источник появляется вдали от электродов примерно в области середины разрядного промежутка и способен распространяться от области своего возникновения как в сторону анода, так в сторону катода, при чем с колоссальной скоростью порядка 10^10 см/с. Результаты исследований качественно меняют современные представления о возможных источниках рентгеновских излучений в лабораторных атмосферных разрядах», — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Отдела физики высоких плотностей энергии ФИАН.
Рисунок 5. Пространственно-временная локализация рентгеновских вспышек в отдельных разрядных событиях с использованием сборки детекторов SD1–SD6, закрытых свинцовыми диафрагмами с отверстием диаметром 4 см и алюминиевыми фильтрами толщиной 100 мкм. Параметр «Exp.» обозначает время экспозиции кадра, а ∆ti обозначает временной интервал съемки разряда быстрыми камерами. Источник: Physical Review E.
Новизна проведенных исследований заключается в получении принципиально новых высокоточных данных о пространственно-временных характеристиках рентгеновских излучений и представлений о закономерностях их генерации в условиях лабораторных атмосферных разрядов. Работа российских ученых открывает перспективы для дальнейших исследований, направленных на изучение механизмов генерации рентгеновских излучений в различных условиях, в частности, во время молниевых разрядов в земной атмосфере, а также на разработку новых методов диагностики излучений сложных плазменных систем в реальном времени. Исследователи планируют продолжить свои эксперименты, чтобы более глубоко понять физику атмосферных разрядов и их факторы воздействия на окружающую среду.
Исследование было поддержано Российским научным фондом (грант № 23-19-00524).
