Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За первый год выполнения проекта были подготовлены экспериментальные стенды, оснащенные оптическими и электрофизическими системами диагностик. Проведены исследования динамики развития импульсного наносекундного разряда в миллиметровых разрядных промежутках в воздушной среде при атмосферном давлении и ниже, вплоть до единиц Тор. По результатам исследований и математической обработки экспериментальных данных получены новые представления по физике быстропротекающих процессов плазмообразования. В случае разряда в атмосферном воздухе показано, что наступление электрического пробоя промежутка с субнаносекундной точностью совпадает с началом генерации высокоионизованной плазмы на острийном катоде в виде микронного катодного пятна (30 мкм в диаметре). Электронная плотность плазмы катодного пятна в среднем находится в диапазоне (1−5)x10^19 см^−3. Катодное пятно имеет примерно сферическую форму, а его инициирование носит взрывной характер. Обнаружено, что катодное пятно впоследствии трансформируется в сферическую область плазмы диаметром порядка 100 мкм и распространяющийся (со скоростью примерно 9x10^6 см/сек) от этой области в сторону анода фронт мощной ионизации, который прокладывает путь развития последующего искрового канала [DOI: 10.1134/S0021364024602951]. В среднем значения электронной плотности в развивающемся канале вдали от катода и сферической плазменной области составляют (3−5)x10^19 см^−3, что близко к состоянию полностью диссоциированной и однократно ионизованной воздушной среды при нормальных условиях. Сферическая плазменная область характеризуется уменьшением электронной плотности в её центре, до 3x10^19 см^−3, и увеличением, до (5−6)x10^19 см^−3, в области её оболочки толщиной порядка 20 мкм. Обнаружено, что оболочка сферической плазменной области, имеющая резкий градиент электронной плотности, оказывается неустойчивой во время своего расширения, что сопровождается появлением множественных мелкомасштабных флуктуаций электронной плотности, а также формированием первых микроканалов.. В ходе экспериментов по варьированию материала катода установлено, что в атмосферном воздухе картина развития высокоионизованной плазмы не меняется в зависимости от типа используемого материала катода. Также в условиях атмосферного воздуха показано, что самая ранняя стадия эволюции прикатодной плазмы, представленная в виде появления катодного пятна, не отличается от той, что наблюдается при токах разряда более 100 А. Однако формирование микроструктуры в канале электрической искры в разрядном промежутке не прослеживается, тогда как скорость роста канала сильно падает. При изменении длины разрядного промежутка (от единиц миллиметров до 1 см) установлено, что характерное время развития результирующего разряда сильно возрастает, а само инициирование канала на катоде становится сильно спорадичным во времени. Обнаружено, что в случае развития разряда при понижении давления воздуха до порядка 300 Тор не наблюдается формирование микроструктуры в результирующем канале электрической искры. Также обнаружено, что генерация высокоионизованной прикатодной плазмы не наблюдается при снижении (на несколько десятков Тор) давления воздуха ниже 100 Тор. Генерация высокоионизованной плазмы при низких давлениях практически всегда происходит на боковой поверхности острийного катода, чуть ниже его вершины, на дистанции порядка 300 мкм. Характер генерации высокоионизованной плазмы на боковой поверхности острийного катода указывает на то, что её появление связано исключительно с разогревом вещества катода вследствие автоэлектронной эмиссии и последующей его сублимацией и выбросом в процессе взрывной электронной эмиссии. Относительно примерного центра взрыва на катоде, в течение нескольких наносекунд после момента своего возникновения, высокоионизованная плазма сферически расширяется со скоростью порядка 10^5–10^6 см/сек. Прикатодная плазма в пределах её сферической зоны взрывного расширения радиусом 30–40 мкм характеризуется величинами электронной плотности не менее 10^19 см^−3 и вплоть до примерно 6x10^19 см^−3 практически у поверхности катода. Отмечено, что в наблюдаемой прикатодной плазме достигается почти десятикратное превышение концентрации электронов относительно базовых значений электронной плотности плазмы, до примерно 7.1x10^18 см^−3, которые можно достичь при полной диссоциации и однократной ионизации воздушной среды при давлении 100 Тор. Оценка характерного объема взорванного вещества катода составила примерно 2.3 и 3 мкм^3 для случаев зондирования на длинах волн 532 и 1064 нм [https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2025&number=05&z=0]. В рамках численного моделирования и теоретического анализа описаны ключевые принципы визуализации плазменных микроканалов с высокой степенью ионизации, возникающих во время импульсного наносекундного газового разряда и регистрируемых посредством лазерной дифракционной съёмки на длине волны 1064 нм. Для описания визуализации микроканалов высокоионизованной плазмы рассмотрена прямая задача дифракции лазерного излучения на модельном микроканале плазмы, включая регистрацию дифрагированного излучения оптической линзовой системой при наличии эффекта дефокусировки. На основе математической обработки экспериментальных интерферограмм и тенеграмм апробированы подходы к решению обратных задач дифракции в приближении геометрической оптики (с использованием цикла преобразования Фурье-Абеля-Ханкеля) и первом Рытовском приближении (позволяющего учитывать при обработке изображений дифракционные эффекты). С использованием разработанных методов анализа дифракционных эффектов построены модельные тенеграммы и интерферограммы микроканалов высокоионизованной плазмы, которые использовались при обработке изображений, полученных непосредственно в эксперименте. Результаты численного анализа позволили значительно улучшить точность данных, извлекаемых их экспериментальных изображений.

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
За второй год выполнения проекта проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований механизмов генерации высокоионизованной плазмы в импульсных наносекундных разрядах в воздухе в широком диапазоне давлений – от вакуума (10^-4 Торр) до 9 атм. Большой акцент сделан на развитие модели филаментации, основанной на каскаде реакций ступенчатой диссоциации и ионизации азота, и на исследование роли взрывных катодных процессов. Параллельно развивались методы математической обработки и численного моделирования дифракции. Ключевым результатом стало обнаружение и характеризация порогового по давлению механизма генерации высокоионизованной прикатодной плазмы. При давлениях 100–760 Торр доминирующим источником первичной плазмы является взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ) с острийного катода. Плазма, состоящая из ионизованных паров материала катода, возникает на вершине острия в виде сферического образования 10–20 мкм с N_e = (1–3)*10^19 см^-3. При 100 Торр плазма инициируется на боковой поверхности катода, на удалении ~300 мкм от вершины. Внутри зоны взрывного расширения радиусом 30–50 мкм N_e достигает (6+/-1.5)*10^19 см^-3 – почти на порядок выше теоретического предела полной ионизации воздуха. Ниже 100 Торр (до ~70 Торр) взрывная генерация плазмы полностью подавляется, и пробой далее управляется объемными ионизационными процессами. Физическая причина порога – падение напряженности поля на катоде из-за увеличения толщины катодного слоя. Детально исследованы поздние стадии разряда, описывающие трансформацию катодного пятна в растущий филамент. Через ~0.5 нс после пробоя на катоде формируется плотный сферический сгусток, расширяющийся со скоростью ~4*10^6 см/с. Примерно за 1 нс на его границе достигаются критические условия (E/N~300–400 Тд), запускающие быстрые реакции ступенчатой диссоциации и ионизации азота. Время филаментации t_ex составляет ~1 нс при атмосферном давлении – ионизация воздуха начинает конкурировать с расширением катодной плазмы уже на масштабе первых наносекунд. Фронт волны ионизации, отождествляемый с вершиной филамента, распространяется со средней скоростью 9.1*10^6 см/с. Обнаружено, что мелкомасштабная филаментация качественно меняется с давлением воздуха. При 9 атм поперечный размер канала уменьшается до ~50 мкм, количество микроканалов возрастает, их диаметры сужаются до 5–10 мкм. Таким образом, филаментация масштабируется в правой ветви кривой Пашена: с ростом давления микроструктура становится мельче, тогда как ниже 300 Торр она исчезает. В чистых газах установлено, что в азоте филаментация протекает аналогично воздуху (300–760 Торр), а в аргоне ее порог смещен к 400–500 Торр, что связывается с разной скоростью кинетических реакций. Обнаружен новый эффект – «чёточный» ступенчатый пробой по очагам высокоионизованной плазмы, создаваемым мощным лазерным излучением. Сфокусированный поджигающий импульс (1064 нм, 100 пс, 70 мДж) генерирует множество сферических плазменных сгустков диаметром ~20 мкм с N_e чуть выше 10^20 см^-3. Эти структуры сохраняются длительное время и служат очагами ионизации. При подаче напряжения 40 кВ спустя ~1.3 нс наблюдается ступенчатый пробой, объединяющий очаги в сквозной канал за ~1.7 нс с субнаносекундным разбросом примерно 0.6 нс. Примечательно, что лазерная предыонизация полностью подавляет развитие собственной микроструктуры в растущем канале. В условиях левой ветви кривой Пашена (10^-4–1 Торр) исследован взрыв тонких острийных катодов (Cu, W; диаметр 8–10 мкм). Взрыв меди крайне неоднороден: основание разрушается с образованием страт, привершинная область (200–300 мкм) сохраняется. Скорость расширения продуктов взрыва достигает (1–3)*10^5 см/с; зарегистрированы выбросы плазмы с N_e > 10^20 см^-3, вызывающие поглощение >90% зондирующего излучения. Показано, что неоднородность взрыва определяется шунтированием тока через продукты взрыва вдоль поверхности эмиттера. Создан стенд на основе генератора Маркса (100 кВ, 100 нс) для исследования ступенчатого пробоя в промежутке 2 см; получены изображения собственного свечения со ступенчатыми паттернами развития канала. Существенно усилена методическая база. Разработана методология пространственной локализации и дифракционного восстановления плазменных микрообъектов по одноракурсному зондированию с точностью до 3 мкм. Создана вычислительная платформа ORION для обращения уравнения Абеля с подавлением шума и быстрый алгоритм расчета дифракции в первом приближении Рытова (<1 с на кадр). Разработаны новые алгоритмы обработки интерферограмм: трассировка полос методом Дейкстры, численная очистка от шумов с декорреляцией, итеративная B-сплайновая коррекция фазовых карт (ошибка снижена на 37%, время обработки сокращено в 30 раз). По результатам этапа опубликовано 5 статей в журналах Physical Review E, CNSNS, Computer Optics; 1 статья принята к публикации в Journal of Applied Physics. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Результаты апробированы на 18 всероссийских и международных конференциях.