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. Смазнова Х.Т., Медведев М.А., Гаврилов С.Ю., Огинов А.В. Основные особенности формирования плазменных каналов в высоковольтном атмосферном разряде Квантовая электроника (год публикации - 2024)

7. 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

8. 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

9. 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

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