Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели всестороннее исследование временных, спектральных и угловых характеристик рентгеновского излучения (фотонов с энергией от 5 до 1000 кэВ), возникающего при формировании разряда в воздушных промежутках длиной около 55 см при напряжении до 1 МВ. Полученные данные позволили глубже понять физику высокоэнергетических излучений и их возможных источников, возникающих как в лабораторных, так и в природных атмосферных разрядах. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 23-19-00524).
Физика рентгеновского излучения, сопровождающего электрические разряды, остаётся одной из малоизученных областей науки. Первоначально, наблюдения рентгеновского излучения в лабораторных условиях вызвали интерес из-за аналогий с природными процессами в грозовых облаках. Исследования также показали, что при определённых условиях в длинных воздушных промежутках может возникать рентгеновское излучение, коррелирующее с широкополосным радиочастотным излучением. В предшествующих работах отмечалось, что низкоэнергетические фотоны (с энергией до десятков кэВ) излучаются относительно изотропно, тогда как жёсткое рентгеновское излучение проявляет ярко выраженную угловую анизотропию. Тем не менее, детальные характеристики этого явления оставались неизвестными из-за сложности регистрации подобных процессов с высоким временным и пространственным разрешением.
Жестким рентгеновским излучением называют излучение с энергией фотонов от нескольких кэВ и выше, что соответствует длинам волн меньше размеров атома (но больше размера атомного ядра).
Предполагается, что локальные условия для возникновения рентгеновского излучения внутри атмосферных разрядов возникают в областях взаимодействия стримерных корон, растущих с вершин лидерных каналов, развивающихся навстречу друг другу.
Физики из ФИАН и МФТИ решили детально проанализировать характеристики рентгеновского излучения, возникающего в лабораторных атмосферных разрядах, и выявить механизмы его генерации. Для этого учёные провели серию экспериментов на высоковольтной установке, создающей импульсы напряжения с амплитудой до одного миллиона вольт. Ученые решили изучить угловую направленность рентгеновского излучения и характерное распределение фотонов по энергиям с использованием сборки из десяти сцинтилляционных рентгеновских детекторов, расположенных вокруг полуметрового разрядного промежутка по дуге с шагом в 10 градусов. Измерения эмиссий рентгеновского излучения были дополнены результатами наносекундной фотосъёмки собственного свечения газоразрядной плазмы. В ходе экспериментов ученым удалось зарегистрировать временную эволюцию плазменных структур в разряде с наносекундным разрешением и проанализировать пространственно-временные корреляции между параметрами разряда и вспышками рентгеновского излучения.
Оказалось, что рентгеновское излучение появляется в строго определенные моменты развития разряда, до наступления электрического пробоя разрядного промежутка, при этом наиболее интенсивное излучение регистрировалось в диапазоне 300–430 наносекунд после подачи высоковольтного импульса, когда напряжение разряда достигало своей максимальной амплитуды.
В своей работе, по результатам измерений, физики построили полярные карты одиночных вспышек рентгеновского излучения, которые наглядно описывают пространственно-временные особенности эмиссий высокоэнергетичных фотонов во время разряда. Полярные карты построены следующим образом: радиус карты соответствует временной оси, а угловая ось представлена дугой, которую с шагом в 10 градусов пересекают отдельные лучи – каждый соответствует угловой позиции рентгеновского детектора. Данные с детекторов – временные сигналы вспышек рентгеновского излучения, были соотнесены с временными «лучами», направленными к угловым позициям детекторов. Линейная интерполяция данных между смежными «лучами» (в угловых секторах) позволила создать непрерывное отображение амплитуды рентгеновского сигнала в едином секторе с центральным углом 90°. Таким образом, интенсивность на полярной карте в зависимости от угловой позиции детектора и временной оси полностью характеризует эволюцию вспышек рентгеновского излучения.
Рисунок 1. Полярные карты, иллюстрирующие пространственно-временные особенности эмиссий высокоэнергетичных фотонов во время разряда. Радиус карты – временная ось, угловая ось представлена десятью позициями рентгеновских детекторов с шагом 10 градусов, отдельные лучи соответствует угловой позиции рентгеновского детектора. Данные с детекторов – временные сигналы вспышек излучения, – соотнесены с временными лучами, направленными к угловым позициям детекторов. В угловых секторах данные интерполируются линейно. Интенсивность полярной карты описывает динамику амплитуды сигналов. На рисунке приведены данные для серий измерений с алюминиевым фильтром толщиной 3 мм (энергия отсечки Ev≈17 кэВ), свинцовым фильтром толщиной 3 мм (Ev≈170 кэВ) и свинцовым фильтром толщиной 10 мм (Ev≈300кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.
Также учеными были построены статистические полярные карты (Рис. 2), которые представляли собой результат статистического усреднения (в терминах количества наблюдений и суммарной мощности сигналов детекторов) полярных карт с одиночными событиями. Анализ результатов показал, что вспышки рентгеновского излучения представлены двумя временными группами, свойства которых сильно отличаются друг от друга.
В первой группе вспышек рентгеновское излучение наблюдается в диапазоне времени 280–350 нс (относительно момента подачи высоковольтного импульса) и регистрируется по всему угловому сектору в 90°. Однако, при увеличении порога отсечки энергии фотонов излучение приобретает ярко выраженную угловую анизотропию в направлении заземленного анода для фотонов с энергией в сотни кэВ. Эмиссия излучения локализуется преимущественно в направлении оси разрядного промежутка – результирующего направления развития разряда, в диапазоне углов 0°–30°. Подобного рода статистическая картина генерации рентгеновского излучения может быть объяснена в терминах рассеяния релятивистских электронов на ядрах частиц воздушной среды.
Вторая временная группа вспышек рентгеновского излучения сосредоточена в диапазоне времени 350–500 нс (относительно момента подачи высоковольтного импульса). В отличие от первой группы вспышек, фотоны с наибольшей энергией (170–300 кэВ) преимущественно регистрируются в направлении периферии разряда (область угловых секторов 50°–90°). Этот эффект не соответствует простым моделям генерации тормозного излучения, предсказывающим преимущественное направление излучения в сторону анода. Также анализ статистических карт рентгеновского излучения указывает на различие в общей интенсивности и количестве наблюдаемых вспышек в угловых секторах более 30°–40°.
Рисунок 2. Статистические карты, иллюстрирующие все зарегистрированные рентгеновские вспышки с точки зрения их количества наблюдений (полученных при усреднении по временным интервалам в 1 нс) и суммарной мощности (сумма квадратов амплитуд всех полезных сигналов выше уровня шума). На рисунке приведены данные для серий измерений с алюминиевым фильтром толщиной 3 мм (энергия отсечки Ev≈17 кэВ), свинцовым фильтром толщиной 3 мм (Ev≈170 кэВ) и свинцовым фильтром толщиной 10 мм (Ev ≈ 300 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.
«Наши результаты показывают, что жёсткое рентгеновское излучение в атмосферных разрядах связано со сверхбыстрыми процессами ионизации. Это открывает путь к более точному моделированию природных электрических разрядов, таких как молнии», — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ.
Егор Паркевич, исполняющий обязанности заведующего лабораторией лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, рассказал о результатах работы: “Сопоставление результатов с теоретическими моделями показывает, что генерация рентгеновского излучения связана с ускорением электронов в электрическом поле разряда. В области катода и в местах столкновения встречных стримеров могут достигаться напряженности поля до 100 кВ/см и выше, создавая условия для ускорения электронов в режиме убегания. Анализ потерь энергии электронов показывает, что при E > 200 эВ основная часть энергии тратится на ионизацию воздуха. Расчеты подтверждают, что электроны могут достигать релятивистских энергий в ходе ускорения в локальных областях с высокой напряженностью поля и испытывать рассеяние на ядрах частиц воздуха, тем самым провоцировать эмиссию высокоэнергетичных фотонов. Альтернативной гипотезой генерации рентгеновского излучения является участие быстрых вторичных ионизационных волн, распространяющихся вдоль плазменных каналов в развитой стадии разряда, во время которой наблюдаются вспышки рентгеновского излучения. Данный механизм позволяет объяснить наблюдаемую синхронизацию рентгеновских вспышек по всей области разряда, что подтверждается предыдущими исследованиями, а также экспериментальными наблюдениями, полученными в данной работе”.
«Проведенные исследования впервые с высокой временной и пространственной точностью установили временные рамки и угловые характеристики рентгеновского излучения в разрядах. Это позволяет пересмотреть механизмы его генерации и учесть влияние сложных плазменных структур. Данные открытия имеют важное значение для понимания физических процессов, происходящих в грозовых облаках, а также могут найти применение в технологических разработках.» — рассказал Александр Огинов, исполняющий обязанности заведующего Отделом физики высоких плотностей энергии Физического института имени П.Н. Лебедева.
На основе полученных данных физики в дальнейшем планируют изучить механизмы генерации рентгеновского излучения при других конфигурациях электродов и параметрах окружающей среды. Кроме того, возможны исследования с более высокой временной разрешающей способностью, что позволит ещё глубже понять физику процессов, приводящих к возникновению рентгеновского излучения в газоразрядной плазме.
Научная статья: V. Parkevich; K. V. Shpakov; I. S. Baidin; A. A. Rodionov; A. I. Khirianova; Ya. K. Bolotov; V. A. Ryabov. Angular anisotropy of hard x rays produced by laboratory atmospheric discharges J. Appl. Phys. 136, 163302 (2024) https://doi.org/10.1063/5.0227554
