КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-19-00524

НазваниеЖесткое рентгеновское и широкополосное радио- излучения лабораторного атмосферного разряда: динамика, источники, механизмы генерации

РуководительОгинов Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-304 - Электрофизические процессы в жидкостях, газах и твердых диэлектриках

Ключевые словагазовый разряд, рентгеновское и радио- излучения, радиоинтерферометрия, стримеры, соударение стримеров, плазма, лидеры, искры

Код ГРНТИ29.27.43, 29.27.15, 29.27.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Эффекты эмиссий рентгеновского и широкополосного радио- излучений занимают важное место в современной физике газового разряда. Однако, несмотря на широкую предысторию исследований, до сих пор нет единого мнения о ключевых механизмах генерации данных излучений во время развития атмосферных и лабораторных разрядов. Обусловлено это отсутствием многих экспериментальных данных о временных, угловых, спектральных и прочих характеристиках излучений в зависимости от стадии развития разряда, его структуры и параметров плазмы, в частности в областях пространства, связанных с источниками рентгеновского и радио- излучений. Отметим, что для более глубокого понимания механизмов генерации рентгеновского и радио- излучений возникает необходимость в локализации их источников в разряде с точностью до характерных масштабов одиночных плазменных структур (например, каналов одиночных стримеров) на временах, соизмеримых с их характерным временем эволюции (которое может лежать в диапазоне субнаносекунд). Поэтому актуален вопрос о масштабировании и воспроизведении в лабораторных условиях ключевых процессов пробоя разряда, инициирующих рентгеновское и радио- излучения с целью их детального исследования. Однако даже в условиях лабораторного эксперимента определенного успеха в исследовании источников данных типов излучений можно достичь только с одновременным использованием передовых техник регистрации излучений и параметров плазмы разряда, синхронизованных с высокой точностью в один единый диагностический комплекс. Настоящий проект нацелен на создание такого комплекса и использование его для всесторонних исследований природы источников жесткого рентгеновского и широкополосного радио- излучений во время развития протяженных высоковольтных разрядов в атмосферном воздухе. Научная новизна исследований проекта заключается в синхронном измерении пространственно-временных корреляций различных типов электромагнитного излучения при одновременной регистрации структуры и параметров плазмы разряда с высоким временным и пространственным разрешением, что будет обеспечено уникальностью создаваемого диагностического комплекса. В результате выполнения проекта будет получена важная информация о многих характеристиках рентгеновского и радио- излучений. Будут изучены структура и параметры плазмы разряда в локализованных областях источников соответствующих типов электромагнитного излучения. Будут определены возможные пороги генерации рентгеновского и радио- излучений, а также изучено влияние на их инициирование различных условий эксперимента (параметров разрядной среды, геометрии разрядного промежутка, внешних источников предыонизации, полярности прикладываемого импульса напряжения). Детальное исследование пространственно-временных корреляций излучений с параметрами плазмы и структурой разряда, подкрепленное результатами систематизации всех полученных экспериментальных данных и результатами теоретико-модельного анализа, создаст прочную основу для понимания ключевых процессов, происходящих во время лабораторного атмосферного разряда и инициирующих потоки жесткого рентгеновского и широкополосного радио- излучений. В результате будут получены новые знания об источниках рентгеновского и радио- излучений, определена связь механизмов их генерации с эволюцией одиночных структур разряда как целого, исследована возможность масштабирования процессов пробоя разряда, приводящих к инициированию данных излучений. В свою очередь это поможет значительно продвинуться в понимании природы источников рентгеновского и радио- излучений в естественных атмосферных разрядах, а также определить новые эффективные пути их исследований.

Ожидаемые результаты
В проекте будут получены новые знания о природе источников жесткого рентгеновского и широкополосного радио- излучений во время развития протяженных высоковольтных разрядов в атмосферном воздухе в лабораторных условиях. Для решения данной научной проблемы будет разработан многофункциональный диагностический комплекс, сочетающий в себе различные передовые техники регистрации излучений, структуры и параметров плазмы разряда, синхронизованных с высокой точностью в рамках большой единой установки. С использованием такого диагностического комплекса будут проведены синхронные измерения пространственно-временных корреляций различных типов электромагнитного излучения с одновременной регистрацией структуры и параметров плазмы разряда при дополнительном варьировании ключевых условий эксперимента (параметров разрядной среды, геометрии разрядного промежутка, использовании внешних источников предыонизации, полярности прикладываемого импульса напряжения), способных влиять на инициирование различных излучений. В результате будет получена уникальная информация о развитии лабораторных атмосферных разрядов, особенностях их структуры и динамики плазмы, источниках рентгеновского и радио- излучений в разряде и механизмах их генерации, а также исследована возможность масштабирования процессов пробоя разряда, приводящих к инициированию данных излучений. Исследования, проводимые в проекте, связаны со многими направлениями физики газового разряда, низкотемпературной плазмы, взаимодействия различных видов электромагнитного излучения с веществом, высоких плотностей энергии и ядерной физикой. Научные результаты проекта, наработки в области синхронной локализации источников рентгеновского и широкополосного радио- излучений, подходы к определению их характеристик (спектральных, пространственных, временных) могут быть использованы при совершенствовании современных технологий мониторинга грозовых явлений и систем защиты чувствительной электроники и радиоаппаратуры от мощных электромагнитных помех. Таким образом, выполнение проекта обеспечит приоритетный характер проводимых исследований и позволит выйти на передовые рубежи мировой науки по заявленному направлению научной деятельности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследованы источники интенсивного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения (в диапазоне частот 1–6 ГГц), возникающего при развитии высоковольтных атмосферных разрядов. Разряды инициировались в длинном разрядном промежутке путем подачи импульса амплитудой около 1 МВ положительной или отрицательной полярности. С помощью системы радиорегистрации на основе сверхширокополосных антенн удалось с сантиметровой точностью локализовать источники СВЧ-излучения в разряде и исследовать их временную и пространственную корреляцию со структурами разряда. Подавляющее большинство локализованных источников оказалось сосредоточено в приэлектродных областях. Установлено, что механизм генерации интенсивного СВЧ-излучения в лабораторном разряде не может быть однозначно связан с такими фундаментальными процессами, как лобовое столкновение стримеров противоположной полярности или взаимодействие одиночных стримеров с приэлектродной плазмой на поверхности металлические электроды. Обнаружено, что наблюдаемое СВЧ-излучение возникает в основном как предвестник интенсивного развития плазмы в определенной области разряда, куда несколько позже приходит растущий стример. Выводы подтверждены статистическими наблюдениями и результатами визуализации динамики разрядных структур с наносекундным временным разрешением (DOI:10.1103/PhysRevE.00.005200). Исследована временная корреляция между различными типами электромагнитных излучений, сопровождающих развитие лабораторного высоковольтного разряда. Последний инициируется в открытом воздушном зазоре длиной 50 см путем подачи импульсов напряжения амплитудой до 1 МВ отрицательной полярности. Электромагнитные излучения регистрируются в высокочастотном (ВЧ-, на частотах порядка 10–100 МГц), сверхвысокочастотном (СВЧ-, на частотах в пределах 1–6 ГГц) и жестком рентгеновском диапазоне (с энергией фотонов более 10 кэВ) диапазонах. Описаны основные особенности временной корреляции между сигналами излучения и сигналами напряжения и тока разряда. Полученные данные позволяют глубже понять хронологию различных электромагнитных излучений в зависимости от электрофизических параметров высоковольтного разряда и могут быть полезны в дальнейших исследованиях механизмов их генерации (DOI: 10.1063/5.0168616). Исследованы спектральные характеристики сверхвысокочастотного радиоизлучения (в диапазоне 1–6 ГГц), порождаемого импульсной электрической искрой в миллиметровом воздушном промежутке, а также его временная корреляция с поведением тока и напряжения разряда в наносекундном масштабе времени. Обсуждены закономерности эмиссии СВЧ-излучения и общая картина возможных явлений в искровом промежутке (DOI: 10.3103/S1068335623110088).

Публикации

1. Е.В. Паркевич, А.И. Хирианова, Т.Ф. Хирианов, И.С. Байдин, К.В. Шпаков, А.А. Родионов, Я.К. Болотов, В.А. Рябов, С.А. Амброзевич, А.В. Огинов Temporal correlation between hard x rays and radio emissions in the MHz and GHz frequency ranges generated by a laboratory high-voltage discharge Journal of Applied Physics, No 134, p. 153303 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0168616

2. Е.В. Паркевич, А.И. Хирианова, Т.Ф. Хирианов, И.С. Байдин, К.В. Шпаков, А.А. Родионов, Я.К. Болотов, В.А. Рябов, С.А. Амброзевич, А.В. Огинов Natural sources of intense ultra-high-frequency radiation in high-voltage atmospheric discharges PHYSICAL REVIEW E, No 108, p. 025201 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.108.025201

3. Е.В. Паркевич, А.И. Хирианова, Т.Ф. Хирианов, И.С. Байдин, К.В. Шпаков, А.А. Родионов, Я.К. Болотов, В.А. Рябов, С.А. Амброзевич, А.В. Огинов Спектрально-временные характеристики СВЧ излучения, создаваемого миниатюрной электрической искрой Bulletin of the Lebedev Physics Institute, номер 11, стр. 41-49 (год публикации - 2023)