Учёные Физического института им. П. Н. Лебедева РАН совместно с МФТИ провели комплексное изучение временных, спектральных и пространственных характеристик рентгеновского излучения (фотонов 5–1000 кэВ), возникающего при разряде в воздушном промежутке длиной около 55 см под напряжением до 1 МВ. Результаты эксперимента открывают новое понимание механизмов генерации высокоэнергетических фотонов как в лабораторных условиях, так и в атмосфере. Работа опубликована в Journal of Applied Physics и финансировалась РФФИ (грант № 23-19-00524).
Физика рентгеновского излучения в электрических разрядах по-прежнему остаётся малораскрытой областью. Первые наблюдения в лаборатории были навеяны сходством с атмосферными явлениями в грозовых облаках. Ранее было показано, что при определённых условиях в длинных воздушных зазорах возникает широкополосное радиочастотное излучение, сопровождающееся рентгеновскими фотонами. Мягкие фоты (до десятков кэВ) испускаются почти изотропно, тогда как жёсткое излучение (свыше десятков кэВ) проявляет выраженную угловую направленность, но до недавнего времени подробные характеристики процесса оставались неизвестными из-за ограничения временного и пространственного разрешения.
Жёсткое рентгеновское излучение охватывает фотоны с энергией от нескольких кэВ и выше, соответствующие длинам волн меньше размеров атомных оболочек, но больше атомных ядер.
Современная гипотеза связывает локальное генерирование таких фотонов с областями взаимодействия встречных стримерных корон, формирующихся на кончиках лидерных каналов.
Для детального анализа физики процессов учёные использовали высоковольтную установку, генерирующую импульсы до 1 МВ, и расставили вокруг 0,5-метрового зазора десять сцинтилляционных детекторов каждые 10° по дуге. Параллельно велась наносекундная съёмка собственной люминесценции плазмы. Это позволило зарегистрировать эволюцию плазменных структур с разрешением в несколько наносекунд и сопоставить их с вспышками рентгеновского излучения.
Оказалось, что основные излучательные всплески возникают в строго определённые моменты до электрического пробоя: наиболее интенсивный сигнал фиксируется в интервале 300–430 нс после начала импульса, когда разрядное напряжение достигает максимума.
По итогам измерений построены полярные карты одиночных вспышек, на которых радиус соответствует времени, а угол — позиции детектора. Линейная интерполяция между соседними детекторами позволила получить непрерывное представление об амплитуде сигнала в секторе с центральным углом 90°.
Статистические полярные карты (среднее по количеству событий и суммарной мощности сигналов) продемонстрировали две чётко различающиеся группы вспышек.
Первая группа возникает в интервале 280–350 нс и отображается практически равномерно по всему 90° сектору. Повышение порога энергии приводит к выраженной анизотропии: жёсткие фотоны (сотни кэВ) концентрируются в направлении анода (углы 0°–30°), что согласуется с рассеивающей ролью релятивистских электронов на атомных ядрах.
Вторая группа проявляется в 350–500 нс и выявляет максимумы падения интенсивности при углах 50°–90°. Это не укладывается в простые модели тормозного излучения, предсказывающие смещение главным образом к аноду, и указывает на сложное распределение плазменных структур.
Ярослав Болотов, ассистент МФТИ, отмечает: «Наше исследование демонстрирует, что жёсткое рентгеновское излучение связано с молниеносными процессами ионизации, что важно для моделирования природных электрических разрядов, включая молнии.»
Егор Паркевич, и. о. заведующего лабораторией ФИАН, поясняет: «Сопоставление с теорией подтверждает, что фотоны рождаются при ускорении электронов в локальных полях свыше 100 кВ/см, где они достигают релятивистских скоростей и рассеиваются на ядрах. Альтернативная гипотеза — влияние быстрых вторичных ионизационных фронтов вдоль плазменных каналов.»
Александр Огинов, и. о. заведующего Отделом физики высоких плотностей энергии ФИАН: «Высокая временная и пространственная точность экспериментов позволяет пересмотреть механизмы генерации и учесть роль сложных плазменных структур. Результаты важны для понимания процессов в грозовых облаках и технологий.»
В дальнейшем планируется исследовать другие геометрии электродов и условия среды, а также расширить временное разрешение, чтобы глубже разобраться в физике газоразрядной плазмы и рентгеногенерации.
Статья: V. Parkevich, K. V. Shpakov, I. S. Baidin, A. A. Rodionov, A. I. Khirianova, Ya. K. Bolotov, V. А. 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
