Коллектив российских ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые была составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное (ВЧ-, ~10–100 МГц), сверхвысокочастотное (СВЧ-, ~1–6 ГГц), рентгеновское (фотоны с энергиями от 5 кэВ до 1 МэВ), а также оптические излучения в ближнем инфракрасном (700–1100 нм) и ближнем ультрафиолетовом (300–400 нм) диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-19-00524).
Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например, молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд, и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены. Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов — лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.
Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью порядка 1010 см/с. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.
В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии. Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъёмки плазменных структур и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (рисунок 1).
В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (рисунок 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (рисунок 3).
Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.
С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (рисунок 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.
Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе ) показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. 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. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (рисунок 7).
«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ, — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».
«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.
«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых, теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.
Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой, в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.
В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.
Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда — результаты наносекундной фотосъёмки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм, Eν 170 кэВ; 10 мм, Eν 300 кэВ и 50 мм,Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.
Научная статья: E. V. Parkevich, K. V. Shpakov,I. S. Baidin, A. A. Rodionov,A. I. Khirianova, Ya.K. Bolotov, V. A. Ryabov. Temporal map of electromagnetic emissions produced by laboratory atmospheric discharges. J. Appl. Phys. 136, 173301 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0231084 .
