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

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 проекта 23-19-00524

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

Руководитель Огинов 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

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 слова газовый 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
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)

4. Байдин И.С., Огинов А.В., Паркевич Е.В., Хирьянова А.И., Шпаков К.В. Высокоэффективный метод калибровки системы локализации точечных источников СВЧ-излучения Письма в ЖТФ, 50(18) 32-35 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.18.58627.19947

5. Паркевич Е.В., Шпаков К.В., Байдин И.С., Родионов А.А., Хирьянова А.И., Болотов Я.К., Рябов В.А. Temporal map of electromagnetic emissions produced by laboratory atmospheric discharges Journal of Applied Physics, 136, 173301 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0231084

6. Паркевич Е.В., Шпаков К.В., Родионов А.А., Байдин И.С., Болотов Я.К., Огинов А.В. Spatiotemporal Localization of X-Ray Emission Regions in a Long High-Voltage Discharge JETP Letters, Vol. 120, No. 2, pp. 109–114 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024601751

7. Паркевич Е.В., Шпаков К.В., Байдин И.С., Родионов А.А., Хирьянова А.И., Болотов Я.К., Рябов В.А. Spatial, temporal, and spectral characteristics of the x-ray emissions in the peripheral direction of a laboratory atmospheric discharge Physical Review E, 110(6), 065204 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevE.110.065204

8. Паркевич Е.В., Шпаков К.В., Байдин И.С., Родионов А.А., Хирьянова А.И., Болотов Я.К., Рябов В.А. Angular anisotropy of hard x rays produced by laboratory atmospheric discharges Journal of Applied Physics , 136, 163302 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0227554

9. Долгов А.Н., Клячин Н.А., Родионов А.А., Гасратов Ф.К., Огинов А.В. Initial stage of an arc discharge in vacuum and ectonic model Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Volume 52, pages 219–227 (год публикации - 2025)
10.3103/S106833562460147X

10. Батраков П.К., Байдин И.С., Родионов А.А., Огинов А.В. Спектральные характеристики СВЧ-излучения высоковольтного протяженного атмосферного разряда на основе вейвлет-анализа Письма в ЖТФ, том 52, вып. 3, c.21-25 (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Описана методика локализации с сантиметровой точностью источника радиоизлучения гигагерцевого диапазона, генерируемого известным точечным источником, с применением четырех сверхширокополосных антенн. Локализация выполняется по вычислению пространственного расположения первой вспышки СВЧ-генератора.Представлены методы калибровки диагностического оборудования, предназначенного для локализации СВЧ-вспышек сантиметрового диапазона, при помощи компактного микроволнового генератора. Показан способ корректировки и исправления статистической ошибки, возникающей при локализации координат источника. Можно сделать вывод, что приведенный метод подходит для калибровки диагностической системы радиорегистрации и полученные результаты согласуются с теоретическими предположениями и результатами для других диагностик. Описанные методы будут применяться для комплексного исследования генерации СВЧ-излучения высоковольтного атмосферного искрового разряда, что в будущем позволит лучше понять фундаментальные процессы, протекающие на начальной стадии разряда (DOI: 10.61011/PJTF.2024.18.58627.19947). Впервые проведены синхронные пространственно-временные измерения эмиссий жесткого рентгеновского излучения во время развития высоковольтного разряда при напряжениях ∼1МВ в полуметровых открытых воздушных промежутках. С использованием группы сцинтилляционных детекторов со свинцовыми диафрагмами и наносекундной фотосъемки разряда в собственном свечении показано, что рентгеновское излучение появляется в стадии развития разряда, когда во всем разрядном промежутке формируется множество яркосветящихся плазменных каналов и протекает ток разряда амплитудой в сотни ампер. Показано, что эмиссия рентгеновского излучения (кванты с энергией > 5кэВ) может начинаться практически синхронно во всем разрядном промежутке, включая области катода и анода, прикатодную и прианодную области, а также середину разрядного промежутка. Получены статистические распределения суммарной мощности и количества наблюдений вспышек рентгеновского излучения вдоль разрядного промежутка (DOI: 10.31857/S1234567824140052). Представлено всестороннее исследование временных корреляций между ультравысокочастотным (порядка 1-6 ГГц), высокочастотным (порядка 10-100 МГц) и рентгеновским излучениями (фотонами с энергией от 5 кэВ до 1 МэВ), а также оптическим излучением в ближнем инфракрасном диапазоне. (в пределах 700-1100 нм) и ближней ультрафиолетовой (в пределах 300-400 нм) областях длин волн. Выбросы образуются в результате лабораторного атмосферного разряда, возникающего в воздушном зазоре длиной 55 см при напряжении до 1 МВ. При регистрации различных электромагнитных излучений измеряются ток и напряжение разряда, а также выполняется наносекундная визуализация эволюции разряда в его собственном свечении. Пространственно-временная локализация областей разряда, связанных с генерацией рентгеновского излучения, осуществляется с помощью группы быстрых сцинтилляционных детекторов, и прослеживается эволюция плазменных структур во время генерации рентгеновского излучения. Составлена хронологическая карта, позволяющая получить более глубокое представление о временном характере и корреляциях различных электромагнитных излучений. Карта позволяет анализировать быстрые процессы ионизации, происходящие в газоразрядной среде и запускающие генерацию соответствующих излучений. Обсуждаются механизмы генерации рассматриваемых излучений в протяженном высоковольтном разряде. Полученные результаты могут быть полезны при выявлении источников различных электромагнитных излучений, сопровождающих образование лабораторных и атмосферных разрядов (DOI: 10.1063/5.0231084). Представлена высокочувствительная диагностика структуры лабораторного высоковольтного атмосферного разряда прикатодной областина экспериментальной установке с прикладываемым напряжением ≈1 МВ и токе разряда до 12 кА. Электроды представлены в конфигурации острийный катод, размещённый внутри конуса с гладким ободком, и полусферический сетчатый анод. Зазор между электродами составляет 0,6 м. Общая длительность импульса напряжения составляет~1 мкс при времени нарастания импульса 150-200 нс. Исследование разряда проводилось с помощью интерферометрии и теневой фотографии на двух длинах волн (532 нм и 1064 нм). Диагностика позволяет достичь высокого разрешения как пространственных (десятки мкм), так и временных параметров (десятки нс). Проведены комплексные измерения рентгеновского излучения в периферийном направлении протяженных высоковольтных разрядов в открытых воздушных зазорах диаметром 55 см при напряжениях до 1 МВ. Получены данные о пространственных, временных и спектральных характеристиках рентгеновского излучения. Мы демонстрируем, что излучение фотонов с энергиями в пределах 5-17 кэВ преобладает во всем разрядном промежутке. Установлено, что генерация фотонов с энергиями в сотни кэВ (но не более 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и прианодной областей разряда, тогда как примерно в средней щели в основном наблюдаются фотоны с низкой энергией. Используя наносекундную визуализацию, было обнаружено, что генерация рентгеновского излучения может начинаться почти синхронно по всему разрядному промежутку, через десятки наносекунд после первого взаимодействия встречных потоков с катодом. Самые первые рентгеновские вспышки регистрируются на стадии развития разряда, когда в промежутке уже формируется сложная сеть из многочисленных плазменных структур, а ток и напряжение перед пробоем разряда составляют 500 А и 1 МВ. Обнаружено, что при одиночной рентгеновской вспышке фотоны высокой энергии появляются с задержкой в 20-60 нс по сравнению с началом излучения фотонов низкой энергии. Проанализированы наблюдаемые явления и возможные механизмы генерации рентгеновского излучения (DOI: 10.1103/PhysRevE.110.065204). Исследованы временные, спектральные и угловые характеристики рентгеновского излучения (E_ph=5-1000 кэВ) во время формирования разряда при напряжении до 1 МВ в воздушных зазорах ~55 см. Установлены временные корреляции между рентгеновским излучением и формами колебаний напряжения и тока разряда. Эволюция плазменных структур разряда, возникающих в периоды генерации рентгеновского излучения, прослежена с наносекундным разрешением. На основе статистических данных, теоретического анализа и оценок выявлены закономерности в характеристиках рентгеновского излучения и их связь с процессами ионизации, происходящими в газоразрядной среде. На основе полученных экспериментальных данных обсуждаются вероятные механизмы генерации рентгеновского излучения. Полученные результаты могут помочь глубже понять физику, лежащую в основе источников жесткого рентгеновского излучения, возникающих при разработке лабораторных и атмосферных разрядов (DOI: 10.1063/5.0227554).

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Экспериментально обнаружен механизм ускорения электронов в прикатодной плазме на начальной стадии вакуумного дугового разряда, инициированного вспомогательным разрядом по поверхности диэлектрика. Было установлено, что при этом образуется разреженная плазма в вакуумном промежутке за счёт ионизации остаточного газа электронами из вспомогательного разряда. Регистрируется последовательное прохождение электронного пучка (от катода к аноду), а затем ионного пучка в том же направлении. Заряд, переносимый электронами, на порядок превышает заряд, переносимый ионами, что указывает на активную роль поляризации плазмы и процессов взрывной электронной эмиссии в ускорении частиц. Полученные данные согласуются с эктонной моделью вакуумного разряда, но также указывают на дополнительный механизм ускорения, связанный с формированием центров взрывной эмиссии (DOI: 10.3103/S106833562460147X). Проведен анализ вспышечных структур в СВЧ-сигналах на предпробойной стадии искрового разряда, характеризующихся кратковременными высокоамплитудными всплесками с четкой локализацией во временной и частотной областях. Для их идентификации применялся вейвлет-анализ, обеспечивший точную частотно-временную локализацию. Динамика вспышек описывалась с помощью экспоненциальной аппроксимации, что позволило количественно оценить начальную амплитуду аппроксимирующей функции, которая характеризует первичную спектральную ширину каждой группы пиков и темп затухания, а также провести их статистический анализ. Выделены две группы вспышек, различающихся характером затухания (быстрое и медленное). Статистический анализ коэффициентов аппроксимации показал их отклонение от нормального распределения, что подтверждает стохастическую природу процессов генерации СВЧ-излучения. С помощью высокочувствительной двухдлинноволновой лазерной диагностики (с временным разрешением 7 нс и пространственным 10 мкм) была выполнена визуализация областей смыкания встречно распространяющихся лидерных каналов в лабораторном высоковольтном атмосферном разряде при приложенном напряжении 1 МВ и токе разряда 10 кА. Экспериментально впервые зафиксировано внеосевое слияние встречных лидерных каналов в атмосферном разряде с рекордным разрешением. Установлено, что отклонение катодного лидера вызвано областью отрицательного пространственного заряда перед анодным лидером. На основе интерферограмм восстановлены профили плотности электронов, показавшие близкие значения для обоих каналов (~4х10^(18) см⁻³). Представлено трёхмерное численное моделирование развития стримерных разрядов в воздухе на сантиметровом масштабе с использованием кода Afivo-streamer и метода Монте-Карло для учёта фотоионизации. Исследовано влияние давления (500–1000 мбар) и напряжённости внешнего электрического поля (6–15 кВ/см) на динамику ветвления, слияния каналов и распределение электронной плотности как для одиночной затравки, так и для двух пространственно-разнесённых затравок. Результаты показали, что увеличение поля и давления ускоряет ветвление, приводит к слиянию каналов и росту электронной плотности, при этом максимумы электронной плотности соответствуют минимумам электрического поля. Полученные данные согласуются с экспериментальными наблюдениями атмосферных разрядов. Выполнено комплексное экспериментальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих начальную фазу протяжённого высоковольтного искрового разряда в воздухе при напряжениях до 1 МВ и длине промежутка около 60 см. Синхронно регистрировались ток и напряжение разряда, оптическое свечение с наносекундным разрешением, а также радиоизлучение в диапазонах 10–100 МГц (ВЧ) и 1–6 ГГц (СВЧ) и рентгеновское излучение с энергией фотонов до 1 МэВ. Установлено, что рентгеновское излучение возникает через 20–50 нс после контакта анодных стримеров с катодом, совпадает по времени с генерацией СВЧ-излучения и сопровождается резким ростом мощности ВЧ-излучения. Пространственно-временные измерения с использованием сцинтилляционных детекторов показали, что зона генерации рентгеновского излучения перемещается от катода к аноду. На основе экспериментальных данных и трёхмерного моделирования развития стримерных корон с использованием плазменной модели и метода Монте-Карло для фотоионизации предложена физическая модель, согласно которой ускорение электронов до релятивистских энергий в сильных квазистатических полях при смыкании стримерных каналов приводит к генерации рентгеновского излучения за счёт тормозного механизма, СВЧ-излучения — вследствие пучково-плазменных неустойчивостей, а ВЧ-излучения — из-за коллективных колебаний электронов в плазменных каналах. Результаты работы важны для понимания физики высокоэнергетических процессов в газовых разрядах, механизмов генерации широкополосного электромагнитного излучения. Разработан программный пакет для анализа интерференционных изображений, полученных методом двухдлинноволновой лазерной интерферометрии при диагностике плазмы. Алгоритм включает этапы предобработки изображений (бинаризация по методу Отсу, морфологическая фильтрация), автоматического выделения и группировки характерных точек интерференционных полос, а также восстановления радиального распределения электронной плотности N_e(r) с использованием обратного преобразования Абеля, основанного на предположении о цилиндрической симметрии плазменного объекта. Для повышения точности применяется двухдлинноволновая схема, позволяющая исключить вклад ионных и нейтральных компонент в фазовый сдвиг. Результаты обработки демонстрируют возможность построения двумерных карт плотности N_e(x, y) с помощью радиально-базисной интерполяции, что обеспечивает визуализацию пространственной структуры плазменных каналов, включая стримерные и лидерные формы разрядов. Разработанный метод показал устойчивость к шумам и применим для детального анализа лабораторных экспериментов по изучению атмосферных электрических разрядов. Исследованы спектрально-временные характеристики микроволнового излучения, сопровождающего развитие искрового разряда, с применением непрерывного вейвлет-преобразования (вейвлет Морле) для анализа доминирующих частот, мгновенной и полной мощности сигналов. На основе обработки данных, полученных с помощью системы сверхширокополосных антенн, были выделены три характерных временных интервала, соответствующих различным стадиям разряда: начальному формированию проводящего канала, образованию множества плазменных каналов и развитой стадии с установившейся системой каналов. Анализ показал устойчивые частотные диапазоны (особенно в области 1.2–1.4 ГГц), согласованную динамику смещения спектральных максимумов и корреляцию между временными и спектральными параметрами излучения, что подтверждает взаимосвязь физических процессов в разряде с генерируемым СВЧ-излучением.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта, позволяющие лучше понимать физику высокоэнергетических процессов в газовых разрядах и природных молниях, могут быть использованы следующим образом: - для разработки новых диагностических методов и систем прогнозирования электрических пробоев в критическом оборудовании; - для раннего оповещения о возможности электрических пробоев и предотвращения повреждения оборудования посредством СВЧ-мониторинга; - для разработки методов защиты высокочувствительной измерительной аппаратуры от высокочастотных помех, возникающих при искровых разрядах; - для разработки и создания новых типов компактных источников рентгеновского и СВЧ-излучения; - для совершенствования способов молниезащиты критического оборудования, транспорта, зданий и сооружений; - для развития технологий сильноточной газоразрядной коммутационной техники и источников частиц; - разработанный программный пакет для автоматической обработки интерференционных изображений может быть адаптирован для широкого круга задач оптической диагностики в физике газовых разрядов и плазмы.