eng
Выпуск #5/2024
П. П. Мальцев
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах
Просмотры: 1025
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.5.358.374
В статье приведены результаты изучения пробоя фракталов из наноразмерных капель алюминия на полимерных нитях из углеродных бензольных колец при резкой подаче напряжения (разряде) величиной 1,6 кВ см−1, которая аналогична по величине электрическому полю 2,16 кВ см−1, необходимой для возникновения микропробоя на убегающих электронах при высотных грозовых разрядах. Для обычного пробоя на воздухе требуется напряжение 10–30 кВ на сантиметр. Приведены фотографии форм излучений в оптической области спектра для двух типов пробоя и обсуждена возможность обращения эффекта Доплера и излучения Черенкова-Вавилова на метаматериалах из фракталов.
В статье приведены результаты изучения пробоя фракталов из наноразмерных капель алюминия на полимерных нитях из углеродных бензольных колец при резкой подаче напряжения (разряде) величиной 1,6 кВ см−1, которая аналогична по величине электрическому полю 2,16 кВ см−1, необходимой для возникновения микропробоя на убегающих электронах при высотных грозовых разрядах. Для обычного пробоя на воздухе требуется напряжение 10–30 кВ на сантиметр. Приведены фотографии форм излучений в оптической области спектра для двух типов пробоя и обсуждена возможность обращения эффекта Доплера и излучения Черенкова-Вавилова на метаматериалах из фракталов.
Теги: надповерхностное высокопроводящее состояние плазма полимерные нити из волокна ароматического полиамида фракталы из наноразмерных капель алюминия
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов:
обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах
П. П. Мальцев
ИСВЧПЭ РАН, Москва, Россия
В статье приведены результаты изучения пробоя фракталов из наноразмерных капель алюминия на полимерных нитях из углеродных бензольных колец при резкой подаче напряжения (разряде) величиной 1,6 кВ см−1, которая аналогична по величине электрическому полю 2,16 кВ см−1, необходимой для возникновения микропробоя на убегающих электронах при высотных грозовых разрядах. Для обычного пробоя на воздухе требуется напряжение 10–30 кВ на сантиметр. Приведены фотографии форм излучений в оптической области спектра для двух типов пробоя и обсуждена возможность обращения эффекта Доплера и излучения Черенкова-Вавилова на метаматериалах из фракталов.
Ключевые слова: фракталы из наноразмерных капель алюминия, полимерные нити из волокна ароматического полиамида, плазма, надповерхностное высокопроводящее состояние
Статья получена: 11.06.2024
Статья принята: 11.07.2024
Пробой на убегающих электронах
Пробой на убегающих электронах был впервые теоретически предсказан в работе А. В. Гуревича, Г. М. Милиха и Р. А. Рассела-Дюпре (1992 год) [1]. В основе этой гипотезы лежит особенность взаимодействия быстрых частиц с веществом.
Пробой на убегающих электронах (ПУЭ) связан с генерацией вторичных электронов, появляющихся вследствие ионизации быстрыми убегающими частицами нейтральных молекул [2]. Хотя основная масса вторичных электронов имеет малые энергии, могут родиться и электроны с достаточно большой энергией ε0 > εс (εс - критическая энергия убегания). Такие электроны тоже станут убегающими, т. е. будут ускоряться полем и в свою очередь могут при ионизации генерировать частицы с ε0 > εс. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов.
Вместе с ними генерируется и большое количество медленных электронов, что в конечном счете и приводит к электрическому пробою вещества. Важно, что пробой на убегающих электронах происходит в относительно слабом поле Е > Ес, которое на порядок меньше порогового поля обычного пробоя Еth. Например, в воздухе при атмосферном давлении Еth ≈ 23 кВ / см, а Ес ≈ 2,16 кВ/см [2, 3].
Однако для осуществления пробоя на убегающих электронах выполнения только одного условия Е > Ес недостаточно. Необходимо наличие затравочных быстрых электронов с энергией, превосходящей критическую энергию убегания ε0 > εс > (0,1–1 МэВ). Еще более важно, что пространственный размер постоянного электрического поля в веществе L должен существенно превосходить характерную длину экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов lа: L > lа. Последняя величина в газовых средах оказывается весьма значительной, что в основном и затрудняет реальное осуществление в лабораторных условиях рассматриваемого эффекта. Например, в воздухе при атмосферном давлении lа ≈ 50 м.
Вместе с тем в грозовой атмосфере ситуация существенно иная. Характерные размеры облаков L здесь всегда много больше lа. Быстрые затравочные электроны также всегда есть – они эффективно генерируются космическими лучами (плотность потока вторичных электронов космических лучей с энергией Е > 1 МэВ порядка 103 частиц (м2 с)–1). Поэтому осуществление пробоя на убегающих электронах в грозовых облаках оказывается вполне возможным при достижении электрическим полем значения Ес. И такие поля, как показывают измерения, действительно наблюдаются. Именно пробой на убегающих электронах, по-видимому, играет определяющую роль в обнаруженных таких явлениях, как гигантские высотные разряды между грозовыми облаками и ионосферой («Спрайт»), сопровождаемые мощными всплесками γ-излучения и вспышки рентгеновского излучения.
Следует обратить внимание на особую сторону физического существа этих процессов. Атмосфера является весьма плотной средой, поэтому длины свободного пробега как нейтральных молекул, так и тепловых электронов и ионов составляют в ней лишь тысячные доли миллиметра, время жизни свободных электронов – десятки наносекунд. Несмотря на это, в относительно слабом электрическом поле возникают гигантские макроскопические (километровые и даже многокилометровые) процессы, определяемые чисто кинетическими эффектами.
Модель высотного разряда ПУЭ [2]
Необходимость для возникновения ПУЭ именно постоянного электрического поля, создающего значительную асимметрию функции распределения в области ε0 > εс, также существенно выделяет пробой на убегающих электронах среди других механизмов электрического пробоя вещества.
Предполагалось, что и электрическое поле Е и поток затравочных быстрых электронов однородны в пространстве. Вместе с тем затравочные высокоэнергичные электроны могут быть редкими. При этом последнее условие не выполняется. Поэтому рассмотрим, как развивается пробой на убегающих электронах, генерируемый одним затравочным быстрым электроном. Пусть s – направление движения быстрого электрона, совпадающее с направлением электрического поля Е. Пробой на убегающих электронах развивается тогда не только в направлении s, но и в ортогональной плоскости r.
Таким образом, по достижении электрическим полем Е в грозовом облаке значения Ес процесс ПУЭ может развиваться. При этом, поскольку вторичные электроны космических лучей имеют энергию до 30 МэВ и вследствие рассеяния на ядрах движутся во всех направлениях, в зависимости от знака электрического поля пробой может развиваться в любом направлении – как вниз к Земле, так и вверх к ионосфере. Основную роль здесь играет возможность появления необходимого электрического поля, зависящая от соотношения между процессами генерации и релаксации поля Е.
Естественно различать два механизма генерации электрического поля. Первый – обычное плавное нарастание поля внутри и на границах облаков за счет действия атмосферных ветров, силы тяжести и захвата заряженных частиц каплями воды, частичками льда, аэрозолями. Характерное время этого процесса порядка 1–10 мин. Второй механизм – резкое изменение заряда в облаке вследствие мощного электрического разряда на Землю. Характерное время этого процесса – миллисекунды.
Сравнивая характерные времена этих процессов с временем релаксации, установлено, что только в случае второго возможно значительное превышение поля Е над Ес. При этом в области больших высот (z ≥ 20–50 км) вследствие быстрой релаксации поля условия ПУЭ могут выполняться только в течение достаточно короткого времени Δt < 10 с.
Пример такого высотного разряда из грозового облака в ионосферу представлен на рис. 1. Длительность разряда согласно составляет 10–200 мс. Область высот 25–100 км, горизонтальная протяженность 10–50 км. Пик интенсивности свечения приходится на высоты 50–60 км. Общий объем излучающей области обычно более 1 000 км3, а яркость излучения 10–100 килорэлей (Рэлей – внесистемная единица измерения, используемая в зарубежной литературе, 1 рэлей = 106 фотонов (см2 с)–1.) На среднем фоне выделяется миллисекундный всплеск излучения исключительно высокой яркости – (1–5) 103 килорэлей. Частота положительных разрядов – 0,3 с.
Важная особенность критического поля ПУЭ состоит в том, что оно экспоненциально быстро убывает с высотой. Вместе с тем проводимость воздуха σ на высоте выше 20–30 км весьма велика, так что постоянное электрическое поле на высотах 20–50 км благодаря поляризации исчезает за времена порядка 10 с или даже меньше. Поэтому в квазистационарном состоянии поле здесь практически отсутствует (Е ≈ 0).
Однако после сильного положительного разряда на Землю (а положительные молнии переносят заряд до 100 Кл и более) баланс нарушается, и в большой пространственной области может возникнуть на короткое время поле Е, значительно превышающее критическое (рис. 2). Электрическое поле при этом направлено к Земле, т. е. оно ускоряет электроны в сторону ионосферы. Поток затравочных вторичных электронов космических лучей на большой площади разряда (S ≥ 100 км2) весьма велик, и даже за время порядка 1 мс их полное число может составить 106–107.
Простейшая модель такой системы представлена на рис. 2. В облаке диаметром 10 км расположен слой положительного заряда в 100 Кл на высоте 18 км, а соответствующий слой отрицательного заряда – на высоте 5 км. Электрическое поле вне облака экранировано поляризационно наведенным отрицательным зарядом, расположенным на высоте 25 км, и положительным зарядом на нижней границе ионосферы на высоте 70 км. Благодаря экранировке поле на высоте z > 25 км практически отсутствует: Е = Ет + ЕР ≈ 0.
В результате положительного разряда Q внутри облака поле Ет исчезает, и в области между верхней границей облака и ионосферой остается значительное электрическое поле ЕР. Его распределение по z на оси системы через 10 мкс после разряда приведено на рис. 3. Видно, что в большой области высот (от 20 км и вплоть до нижней ионосферы) поле Е превосходит минимальное поле пробоя на убегающих электронах. Для возникновения поляризационного поля, компенсирующего Е в области высот z ≤ 50 км, требуется время порядка нескольких секунд. В этот период и появляется возможность для возникновения гигантского высотного разряда, вызванного пробоем на убегающих электронах.
Число характерных ионизационных длин, обусловливающих экспоненциальны и рост ПУЭ, равно L / la. При старте ПУЭ на высоте 20 км значение этого параметра достаточно велико: L / la ≥ 20–40. Вследствие экспоненциального роста лавины и большого числа затравочных электронов общее количество высокоэнергичных электронов, создавших разряд к высотам порядка 50 км, может достигать очень больших значений 1016–1020. При этом за счет диффузионного расширения пучка ширина области разряда ПУЭ на высоте 40–60 км достигает 30 км.
Модель оптического излучения ПУЭ [2]
При движении энергичных электронов в воздухе эффективность вызываемого ими оптического излучения в различных световых диапазонах известна. В условиях εе ≈ 0,1–10 МэВ она практически не зависит от энергии быстрых электронов. Это позволяет достаточно точно определить излучение разряда на убегающих электронах на различных высотах [2].
При этом до высоты 50 км доминирует голубое излучение («Синие джеты»), при больших высотах – красное («Красные эльфы») [2, 4]. Именно такая картина и наблюдается в высотных разрядах «Спрайт» (рис. 1 и рис. 4). На ионосферных высотах разряд размыт вследствие диффузного рассеяния пучка.
Отметим одну важную особенность [2]. Электрическое поле Е существенно превосходит минимальное поле Ес вблизи грозового облака (на высотах z ≈ 15–25 км) и вдали от него (на высотах z ≈ 35–50 км). Вначале доминирует уменьшение поля Е, определяемое увеличением расстояния от заряда, а затем превалирует экспоненциальное падение плотности атмосферы, сильно понижающее величину Ес.
Таким образом, выделяются как бы две области – ближняя и дальняя, где эффективно может развиваться пробой на убегающих электронах. В промежуточной области (z ≈ 35–50 км) он развивается только при особенно больших значениях освобождающегося заряда Q. Отмеченная особенность качественно присутствует всегда, она мало зависит от выбранной модели.
Излучение, обусловленное пучком высокоэнергичных электронов, может создавать миллисекундные импульсы гигантской интенсивности – несколько мегарэлей (рис. 5). Гораздо более длительная часть излучения (несколько десятков миллисекунд) генерируется более медленными электронами и имеет интенсивность десятки килорэлей. Результаты расчетов находятся в соответствии с данными наблюдений [2].
Следует отметить, что предложенная в работе [2] модель объяснения оптического излучения разряда «Спрайт», основанная только на ПУЭ, не единственная. Возможны и другие е механизмы: пробой в поле излучения, создаваемого сверхмощным межоблачным разрядом, пробой в квазистатическом поле или их комбинация с ПУЭ. Отмечается также влияние метеоров на генерацию «Спрайта».
Однако важным дополнительным аргументом в пользу прямой связи высотных разрядов с ПУЭ являются наблюдаемые интенсивные импульсы рентгеновского и гамма излучений [2].
Форму оптического излучения высотного разряда можно пояснить по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы (космических лучей) исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причем каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы,
Внешний вид оптического излучения высотных разрядов «Спрайта» («Красных эльфов») имеет вид конуса (рис. 1), однако имеется особенность – конус излучения направлен с преимущественным направлением к источнику высокоэнергетических затравочных частиц (космических лучей), т. е. обратный вектор к направлению распространения частиц, а не вдоль потока частиц по направлению к Земле.
Аномальные вспышки рентгеновского излучения ПУЭ [2]
Вспышки рентгеновского излучения [5] согласно теории связаны с множественными микропробоями на убегающих электронах (МПУЭ), происходящими в обширных областях площадью порядка нескольких квадратных километров [2]. А именно, поскольку грозовые облака имеют плоскослоистую структуру, то среднее электрическое поле в них близко по направлению к вертикали z и каждый вторичный электрон космических лучей генерирует в грозовом облаке лавину убегающих электронов. Число быстрых электронов при этом сильно возрастает. Этот процесс, названный «МПУЭ», и служит причиной наблюдаемой вспышки рентгеновского излучения.
Результаты расчетов интенсивности и спектра рентгеновского излучения при МПУЭ стабилен [2]. Он имеет всегда ярко выраженный максимум в районе 50–60 кэВ и быстро спадает как в область малых энергий (за счет фотоионизации), так и в область больших энергий 100–150 кэВ (за счет комптоновских потерь). Что же касается пространственного распределения интенсивности рентгеновского излучения, то она достигает максимума в окрестности максимума электрического поля – сдвиг максимума рентгеновского излучения порядка 100–200 м в направлении движения электронов.
Весьма важно, что вдали от максимума интенсивность рентгеновского излучения сильно спадает, и уже на расстоянии порядка 1–1,5 км от максимума электрического поля – оно почти не отличимо от фона.
Из результатов расчета аномальных вспышек рентгеновского излучения, обусловленных МПУЭ, следует два важных для наблюдения вывода:
Поскольку согласно многочисленным данным измерений значения |Е| ≈ Ес достигаются в грозовых облаках лишь на высотах z ≥ 4 км, то это означает, что рентгеновское излучение от МПУЭ реально можно наблюдать лишь при z ≥ 2,5–3 км.
Оба вывода подтверждаются данными наблюдений [2]. Следует отметить также, что согласно расчетам заметное увеличение числа быстрых электронов и генерируемого ими рентгеновского излучения происходит уже в предпробойных условиях при приближении поля Е к Ес (точнее при Е > 0,95 Ес).
Напряжение критического поля Ес экспоненциально убывает с высотой: z = 6,3 км поле Ес = 100 кВ / м; z = 11 км поле Ес = 50 кВ / м.
Проводимость атмосферы σ определяется ионизацией воздуха космическими лучами. При наличии облачности и осадков вблизи поверхности Земли (до 2 км высоты) существенный вклад вносит излучение радиоактивных элементов. В ясную погоду концентрация ионов порядка 103 см‑3, что соответствует времени релаксации электрического поля τг = (4πσ)–1 ≈ 400 с. Проводимость быстро увеличивается с высотой благодаря уменьшению числа соударений υm из-за понижения концентрации молекул Nm. В облаках, напротив, проводимость может понизиться из-за прилипания зарядов к капелькам воды и аэрозолям.
При возникновении МПУЭ число энергичных электронов и, соответственно, число актов ионизации в слое толщиной порядка 100–500 м в окрестности максимума грозового поля сильно нарастает. Соответственно резко увеличивается и интенсивность рентгеновского излучения. Используя экспериментальные данные об увеличении интенсивности рентгеновского излучения в 102–103 раз, можно оценить число экспонент в реальных условиях в ускоряющем слое z ≈ (5–6) la и, таким образом, определить количество быстрых электронов, генерируемых одной начальной частицей.
Однако, согласно теории ПУЭ [2], функция распределения быстрых электронов эффективно растет с уменьшением энергии электронов не только при ε > εс, но и в области малых энергий ε < εс. Все эти электроны вносят существенный вклад в ионизацию атмосферы – как высокоэнергичные (ε > εс ≈ 100 кэВ), так и достаточно низкоэнергичные (вплоть до максимума сечения ионизации ε ≈ 0,1–1 кэВ). Благодаря этому, интенсивность генерации свободных электронов Qc в слое толщиной порядка lа у границы области ПУЭ значительно возрастает:
Следует отметить, что все вновь рожденные электроны, имеющие вначале энергию несколько электронвольт, за очень короткое время ~10–8 с ее теряют из-за неупругих взаимодействий с молекулами воздуха. Кроме того, вследствие тройных соударений электроны быстро прилипают к молекулам О2 и Н2О, образуя отрицательные ионы. Характерное время жизни свободного электрона на высотах грозовых облаков всего лишь порядка 70–100 нс. Таким образом, электроны достаточно быстро исчезают, но зато в возмущенном слое атмосферы нарастает плотность положительных Ni+ и отрицательных Ni− ионов. Именно ионы и определяют повышение проводимости в области МПУЭ (хотя и электроны, несмотря на их очень малое время жизни, могут внести свой вклад в рост проводимости).
В условиях МПУЭ в грозовом облаке за время в несколько десятков секунд концентрация ионов увеличивается на полтора-два порядка. Возникает слой аномально высокой проводимости, что, естественно, должно сильно сказаться на электродинамических процессах в грозовом облаке.
Явление аномального роста проводимости при Е > Ес было предсказано в [1] в виде гипотезы – оно названо в этой работе «быстрым переносом заряда».
Согласно расчетам [2] количество быстрых электронов изменяется во много раз при изменении отношения Е / Ес всего на 10%, то в реальных условиях грозового облака столь же сильно может измениться концентрация ионов, а, следовательно, и аномально высокая проводимость в слое, возникающая при Е ≈ Ес. Таким образом, приведенные оценки говорят лишь о «средней аномальной проводимости». Реальная же проводимость может иметь сильные флуктуации, в том числе пространственные флуктуации внутри слоя, отличающиеся от «средней» в несколько раз.
Отметим, что приведенную оценку роста проводимости следует рассматривать лишь как предварительную. В ней не учитывалось, например, ни поглощение свободных ионов каплями воды, частицами льда, аэрозолями в грозовом облаке, ни обратные процессы. Не исследовалась роль соударений быстрых электронов с теми же частицами и вся цепь изменений в происходящих в облаках сложных физико-химических процессах. Возможно, однако, что все эти процессы более медленные, чем МПУЭ.
Микропробои на убегающих электронах и фракталы [2]
Данные показывают, что в течение 100–500 мс до появления первого импульса молниевого разряда имеет место активность в широкой зоне облаков масштаба километра или нескольких километров.
Этот процесс можно представить как медленно дрейфующие множественные мелкие разрядные токи. Каждый всплеск излучения был локализован внутри области разрешения интерферометра (50 м), но центры областей излучения постоянно смещались. Активность всплесков нарастала вплоть до сильного всплеска излучения. В этот период интенсивность излучения вначале продолжала быстро нарастать, а затем, за время меньше 1 мс, резко падала. Одновременно происходило резкое уменьшение электрического поля, связанное, по-видимому, с первым ударом молнии. Такого типа процессы с характерным временем развития порядка 0,1–1 с предшествуют основному разряду, который содержит обычно несколько ударов молний как внутри облаков, так и на Землю.
Разряд молнии, связанный с созданием высокопроводящего канала и собиранием электрического заряда грозового облака с площади 1–100 км2 за время 1–10 с, представляет собой очень сложный процесс, изучавшийся в многочисленных публикациях. Отметим лишь некоторые моменты, связанные с ролью пробоя на убегающих электронах.
Это, во‑первых, указанное выше аномальное увеличение проводимости, вызванное МПУЭ. Рост проводимости должен естественно способствовать процессу быстрого переноса электрического заряда, распределенного в облаке. Указанное повышение проводимости хотя и велико, но «в среднем» для собирания электрического заряда, видимо, недостаточно. Во-вторых, оно может, однако, значительно увеличиться за счет сильно неоднородной случайной структуры проводящей зоны, отмечавшейся выше. Последняя может способствовать образованию эффективных проводящих каналов.
Возможно, что именно такой, обусловленный МПУЭ, «фрактальный» характер поведения проводимости в облачном слое перед первым разрядом молнии частично отражают радиоинтерферометрические наблюдения [2]. Отметим, что возможность возникновения фрактальной структуры проводимости в облаке, обусловленной мелкими разрядами обычного типа.
Всплески гамма излучения ПУЭ [2]
Подтверждением важной роли ПУЭ в высотных разрядах можно рассматривать наблюдавшиеся на спутнике «Комптон» интенсивные всплески гамма излучения [2]. Установлено, что у-всплески [4] приходят с Земли из районов наиболее интенсивного грозообразования [2]. Длительность гамма всплесков составляет несколько миллисекунд, энергетический спектр соответствует спектру, возникающему при ПУЭ.
Можно отметить, что в сравнении с наблюдениями рентгеновского излучения в грозовом облаке спектр гамма излучения сдвинут в сторону больших энергий (максимум в районе 300–500 кэВ) [2].
Это говорит о большой длине ускорения электронов и значительных потерях γ-излучения в атмосфере, что прямо соответствует теории. Интенсивность излучения весьма велика (порядка 100 фотонов (см2 с)−1). Результаты модельных расчетов ПУЭ находятся в достаточном соответствии с данными наблюдений γ-всплесков [2].
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами гамма излучения является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и гамма излучений высотных разрядов пока отсутствуют.
Черенковское излучение
В 1934 году П. А. Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы [6]. Уже первые эксперименты П. А. Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причем яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. На основании этих данных С. И. Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны.
Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Но в оптически прозрачных средах скорость быстрых заряженных частиц может быть больше фазовой скорости света в этой среде. Действительно, фазовая скорость света в среде cm равна скорости света в вакууме c, деленной на показатель преломления среды n:
cm = c / n.
При этом вода, например, имеет показатель преломления 1,33, а показатели преломления различных марок оптических стекол лежат в пределах от 1,43 до 2,1. Соответственно, фазовая скорость света в таких средах составляет 50–75% от скорости света в вакууме. Поэтому оказывается, что релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости света в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением.
Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведенных из точки, проходящей через частицу, образует круговой конус – волновой фронт излучения Черенкова.
Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко используются в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей и направлений движения. Если известна масса порождающих черенковское излучение частиц, то сразу определяется их кинетическая энергия.
Пояснить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причем каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Теоретическое объяснение явления было дано И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году.
В 1958 году П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. М. Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой: «За открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения премии отметил, что «открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».
Излучение Черенкова-Вавилова или черенковское излучение – свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.
Возникновение черенковского излучения аналогично возникновению ударной волны в виде конуса Маха от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от сверхзвукового самолета или пули.
Выводы по части 1
В условиях микропробоя на убегающих электронах (МПУЭ) в грозовом облаке за время в несколько десятков секунд концентрация ионов увеличивается на полтора-два порядка. Возникает слой аномально высокой проводимости, что, естественно, должно сильно сказаться на электродинамических процессах в грозовом облаке. Явление аномального роста проводимости при Е > Ес было предсказано, и оно названо «быстрым переносом заряда». Отметим лишь некоторые моменты, связанные с ролью пробоя на убегающих электронах.
Во-первых, указанное выше аномальное увеличение проводимости, вызванное МПУЭ. Рост проводимости должен естественно способствовать процессу быстрого переноса электрического заряда, распределенного в облаке. Указанное повышение проводимости хотя и велико, но «в среднем» для собирания электрического заряда, видимо, недостаточно. Во-вторых, оно может, однако, значительно увеличиться за счет сильно неоднородной случайной структуры проводящей зоны («фракталов»), отмечавшейся выше. Последняя, может способствовать образованию эффективных проводящих каналов на «фракталах».
Возможно, что именно такой, обусловленный МПУЭ, «фрактальный» характер поведения проводимости в облачном слое перед первым разрядом молнии частично отражают радиоинтерферометрические наблюдения. Возможно возникновение фрактальной структуры проводимости в облаке, обусловлено мелкими разрядами обычного типа.
Поскольку грозовые облака имеют плоскослоистую структуру, то среднее электрическое поле в них близко по направлению к вертикали z и каждый вторичный электрон космических лучей генерирует в грозовом облаке лавину убегающих электронов. Число быстрых электронов при этом сильно возрастает. Этот процесс МПУЭ служит причиной наблюдаемой вспышки рентгеновского излучения.
Из результатов расчета аномальных вспышек рентгеновского излучения, обусловленных МПУЭ, следует два важных для наблюдения вывода:
спектр имеет стандартный вид с характерным максимумом в области 50–60 кэВ;
интенсивное излучение можно наблюдать лишь в пределах 1–1,5 км по высоте от максимума электрического поля.
Внешний вид оптического излучения высотных разрядов «Спрайта» («Красных эльфов») имеет вид конуса, однако имеется особенность – конус излучения направлен к источнику высокоэнергетических затравочных частиц (космических лучей), т. е. обратный вектор к направлению распространения частиц, а не вдоль потока частиц по направлению к Земле.
Следует отметить, что наблюдаемые в верхних слоях атмосферы высотные разряды «Спрайт» отличаются не только по цвету оптического свечения на разной высоте – «Красные эльфы» («Red Sprite») и «Синие джеты» («Blue Jet»), но и по направления конуса свечения по отношению к потоку затравочных космических частиц, которое зависит от свойств фракталов, в которых происходит МПУЭ.
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами гамма излучения является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и гамма излучений высотных разрядов пока не опубликовано. Существование ПУЭ подтверждено при исследованиях на циклотроне, но с учетом некоторых ограничениях при эксперименте.
Возникает вопрос – о возможности создания природоподобных «фракталов» для формирования и исследования высотных разрядов в лабораторных условиях на Земле.
В продолжении обзора (часть II) будут рассмотрены свойства метаматериалов, проведен анализ публикаций, которые указывают на возможность низкополевой эмиссии различных полупроводниковых и полимерных материалов при размерах нанозерен или острий 20–30 нм. Мы покажем, что для изготовления источника высокоэнергетических затравочных быстрых электронов и реализации пробоя на убегающих электронах достаточно использовать нить длинной 30–50 м с фракталами наноостровков (нанокапель) алюминия с размером 10-30 нм.
Финансирование работы
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24–29–00129, https://rscf.ru/project/24–29–00129/.
REFERENCES
Gurevich A V, Milikh G A., Roussel-Dupre R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Physics Letters A. 1992; 165(5–6): 463–468. DOI:10.1016/0375‑9601(92)90348‑p.
Gurevich A. V., Zybin K. P. Runaway breakdown and electric discharges in thunderstorms.Phys. Usp. 2001;44: 1119–1140. DOI: 10.1070/PU2001v044n11ABEH000939
Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. Успехи физических наук. 2001; 171(11):1177–1199.
Physical quantities: Handbook / [A. P. Babichev, etc.]; Edited by I. S. Grigoriev, E. Z. Meilikhov. Moscow: Energoatomizdat, 1991. 1231 p.
Bragin I. V., Chebotarev A. S., Elizavetov E. P., Istyakov I. V., Mikhailov V. F. Space-based radiometric equipment for measuring the parameters of high-altitude lightning discharges – alphas and jets. Proceedings of the Russian universities. Radioelectronics. 2012; 2: 75–78.
Брагин И. В., Чеботарев А. С., Елизаветов Е. П., Истяков И. В., Михайлов В. Ф. Радиометрическая аппаратура космического базирования для измерения параметров высотных грозовых разрядов – альфов и джетов. Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012; 2:75–78.
Blokhin M. A. X-ray radiation. Physical encyclopedia: [in 5 volumes] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. – Moscow: Great Russian Encyclopedia, 1994; 4: 375–377.
Grechukhin D. P. Gamma radiation. Physical encyclopedia: [in 5 volumes] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. – Moscow: Great Russian Encyclopedia, 1994; 4: 377–379.
АВТОР
Мальцев Петр Павлович, д. т. н., профессор, главный научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники
им. В. Г. Мокерова Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН),
Москва, Россия.
обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах
П. П. Мальцев
ИСВЧПЭ РАН, Москва, Россия
В статье приведены результаты изучения пробоя фракталов из наноразмерных капель алюминия на полимерных нитях из углеродных бензольных колец при резкой подаче напряжения (разряде) величиной 1,6 кВ см−1, которая аналогична по величине электрическому полю 2,16 кВ см−1, необходимой для возникновения микропробоя на убегающих электронах при высотных грозовых разрядах. Для обычного пробоя на воздухе требуется напряжение 10–30 кВ на сантиметр. Приведены фотографии форм излучений в оптической области спектра для двух типов пробоя и обсуждена возможность обращения эффекта Доплера и излучения Черенкова-Вавилова на метаматериалах из фракталов.
Ключевые слова: фракталы из наноразмерных капель алюминия, полимерные нити из волокна ароматического полиамида, плазма, надповерхностное высокопроводящее состояние
Статья получена: 11.06.2024
Статья принята: 11.07.2024
Пробой на убегающих электронах
Пробой на убегающих электронах был впервые теоретически предсказан в работе А. В. Гуревича, Г. М. Милиха и Р. А. Рассела-Дюпре (1992 год) [1]. В основе этой гипотезы лежит особенность взаимодействия быстрых частиц с веществом.
Пробой на убегающих электронах (ПУЭ) связан с генерацией вторичных электронов, появляющихся вследствие ионизации быстрыми убегающими частицами нейтральных молекул [2]. Хотя основная масса вторичных электронов имеет малые энергии, могут родиться и электроны с достаточно большой энергией ε0 > εс (εс - критическая энергия убегания). Такие электроны тоже станут убегающими, т. е. будут ускоряться полем и в свою очередь могут при ионизации генерировать частицы с ε0 > εс. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов.
Вместе с ними генерируется и большое количество медленных электронов, что в конечном счете и приводит к электрическому пробою вещества. Важно, что пробой на убегающих электронах происходит в относительно слабом поле Е > Ес, которое на порядок меньше порогового поля обычного пробоя Еth. Например, в воздухе при атмосферном давлении Еth ≈ 23 кВ / см, а Ес ≈ 2,16 кВ/см [2, 3].
Однако для осуществления пробоя на убегающих электронах выполнения только одного условия Е > Ес недостаточно. Необходимо наличие затравочных быстрых электронов с энергией, превосходящей критическую энергию убегания ε0 > εс > (0,1–1 МэВ). Еще более важно, что пространственный размер постоянного электрического поля в веществе L должен существенно превосходить характерную длину экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов lа: L > lа. Последняя величина в газовых средах оказывается весьма значительной, что в основном и затрудняет реальное осуществление в лабораторных условиях рассматриваемого эффекта. Например, в воздухе при атмосферном давлении lа ≈ 50 м.
Вместе с тем в грозовой атмосфере ситуация существенно иная. Характерные размеры облаков L здесь всегда много больше lа. Быстрые затравочные электроны также всегда есть – они эффективно генерируются космическими лучами (плотность потока вторичных электронов космических лучей с энергией Е > 1 МэВ порядка 103 частиц (м2 с)–1). Поэтому осуществление пробоя на убегающих электронах в грозовых облаках оказывается вполне возможным при достижении электрическим полем значения Ес. И такие поля, как показывают измерения, действительно наблюдаются. Именно пробой на убегающих электронах, по-видимому, играет определяющую роль в обнаруженных таких явлениях, как гигантские высотные разряды между грозовыми облаками и ионосферой («Спрайт»), сопровождаемые мощными всплесками γ-излучения и вспышки рентгеновского излучения.
Следует обратить внимание на особую сторону физического существа этих процессов. Атмосфера является весьма плотной средой, поэтому длины свободного пробега как нейтральных молекул, так и тепловых электронов и ионов составляют в ней лишь тысячные доли миллиметра, время жизни свободных электронов – десятки наносекунд. Несмотря на это, в относительно слабом электрическом поле возникают гигантские макроскопические (километровые и даже многокилометровые) процессы, определяемые чисто кинетическими эффектами.
Модель высотного разряда ПУЭ [2]
Необходимость для возникновения ПУЭ именно постоянного электрического поля, создающего значительную асимметрию функции распределения в области ε0 > εс, также существенно выделяет пробой на убегающих электронах среди других механизмов электрического пробоя вещества.
Предполагалось, что и электрическое поле Е и поток затравочных быстрых электронов однородны в пространстве. Вместе с тем затравочные высокоэнергичные электроны могут быть редкими. При этом последнее условие не выполняется. Поэтому рассмотрим, как развивается пробой на убегающих электронах, генерируемый одним затравочным быстрым электроном. Пусть s – направление движения быстрого электрона, совпадающее с направлением электрического поля Е. Пробой на убегающих электронах развивается тогда не только в направлении s, но и в ортогональной плоскости r.
Таким образом, по достижении электрическим полем Е в грозовом облаке значения Ес процесс ПУЭ может развиваться. При этом, поскольку вторичные электроны космических лучей имеют энергию до 30 МэВ и вследствие рассеяния на ядрах движутся во всех направлениях, в зависимости от знака электрического поля пробой может развиваться в любом направлении – как вниз к Земле, так и вверх к ионосфере. Основную роль здесь играет возможность появления необходимого электрического поля, зависящая от соотношения между процессами генерации и релаксации поля Е.
Естественно различать два механизма генерации электрического поля. Первый – обычное плавное нарастание поля внутри и на границах облаков за счет действия атмосферных ветров, силы тяжести и захвата заряженных частиц каплями воды, частичками льда, аэрозолями. Характерное время этого процесса порядка 1–10 мин. Второй механизм – резкое изменение заряда в облаке вследствие мощного электрического разряда на Землю. Характерное время этого процесса – миллисекунды.
Сравнивая характерные времена этих процессов с временем релаксации, установлено, что только в случае второго возможно значительное превышение поля Е над Ес. При этом в области больших высот (z ≥ 20–50 км) вследствие быстрой релаксации поля условия ПУЭ могут выполняться только в течение достаточно короткого времени Δt < 10 с.
Пример такого высотного разряда из грозового облака в ионосферу представлен на рис. 1. Длительность разряда согласно составляет 10–200 мс. Область высот 25–100 км, горизонтальная протяженность 10–50 км. Пик интенсивности свечения приходится на высоты 50–60 км. Общий объем излучающей области обычно более 1 000 км3, а яркость излучения 10–100 килорэлей (Рэлей – внесистемная единица измерения, используемая в зарубежной литературе, 1 рэлей = 106 фотонов (см2 с)–1.) На среднем фоне выделяется миллисекундный всплеск излучения исключительно высокой яркости – (1–5) 103 килорэлей. Частота положительных разрядов – 0,3 с.
Важная особенность критического поля ПУЭ состоит в том, что оно экспоненциально быстро убывает с высотой. Вместе с тем проводимость воздуха σ на высоте выше 20–30 км весьма велика, так что постоянное электрическое поле на высотах 20–50 км благодаря поляризации исчезает за времена порядка 10 с или даже меньше. Поэтому в квазистационарном состоянии поле здесь практически отсутствует (Е ≈ 0).
Однако после сильного положительного разряда на Землю (а положительные молнии переносят заряд до 100 Кл и более) баланс нарушается, и в большой пространственной области может возникнуть на короткое время поле Е, значительно превышающее критическое (рис. 2). Электрическое поле при этом направлено к Земле, т. е. оно ускоряет электроны в сторону ионосферы. Поток затравочных вторичных электронов космических лучей на большой площади разряда (S ≥ 100 км2) весьма велик, и даже за время порядка 1 мс их полное число может составить 106–107.
Простейшая модель такой системы представлена на рис. 2. В облаке диаметром 10 км расположен слой положительного заряда в 100 Кл на высоте 18 км, а соответствующий слой отрицательного заряда – на высоте 5 км. Электрическое поле вне облака экранировано поляризационно наведенным отрицательным зарядом, расположенным на высоте 25 км, и положительным зарядом на нижней границе ионосферы на высоте 70 км. Благодаря экранировке поле на высоте z > 25 км практически отсутствует: Е = Ет + ЕР ≈ 0.
В результате положительного разряда Q внутри облака поле Ет исчезает, и в области между верхней границей облака и ионосферой остается значительное электрическое поле ЕР. Его распределение по z на оси системы через 10 мкс после разряда приведено на рис. 3. Видно, что в большой области высот (от 20 км и вплоть до нижней ионосферы) поле Е превосходит минимальное поле пробоя на убегающих электронах. Для возникновения поляризационного поля, компенсирующего Е в области высот z ≤ 50 км, требуется время порядка нескольких секунд. В этот период и появляется возможность для возникновения гигантского высотного разряда, вызванного пробоем на убегающих электронах.
Число характерных ионизационных длин, обусловливающих экспоненциальны и рост ПУЭ, равно L / la. При старте ПУЭ на высоте 20 км значение этого параметра достаточно велико: L / la ≥ 20–40. Вследствие экспоненциального роста лавины и большого числа затравочных электронов общее количество высокоэнергичных электронов, создавших разряд к высотам порядка 50 км, может достигать очень больших значений 1016–1020. При этом за счет диффузионного расширения пучка ширина области разряда ПУЭ на высоте 40–60 км достигает 30 км.
Модель оптического излучения ПУЭ [2]
При движении энергичных электронов в воздухе эффективность вызываемого ими оптического излучения в различных световых диапазонах известна. В условиях εе ≈ 0,1–10 МэВ она практически не зависит от энергии быстрых электронов. Это позволяет достаточно точно определить излучение разряда на убегающих электронах на различных высотах [2].
При этом до высоты 50 км доминирует голубое излучение («Синие джеты»), при больших высотах – красное («Красные эльфы») [2, 4]. Именно такая картина и наблюдается в высотных разрядах «Спрайт» (рис. 1 и рис. 4). На ионосферных высотах разряд размыт вследствие диффузного рассеяния пучка.
Отметим одну важную особенность [2]. Электрическое поле Е существенно превосходит минимальное поле Ес вблизи грозового облака (на высотах z ≈ 15–25 км) и вдали от него (на высотах z ≈ 35–50 км). Вначале доминирует уменьшение поля Е, определяемое увеличением расстояния от заряда, а затем превалирует экспоненциальное падение плотности атмосферы, сильно понижающее величину Ес.
Таким образом, выделяются как бы две области – ближняя и дальняя, где эффективно может развиваться пробой на убегающих электронах. В промежуточной области (z ≈ 35–50 км) он развивается только при особенно больших значениях освобождающегося заряда Q. Отмеченная особенность качественно присутствует всегда, она мало зависит от выбранной модели.
Излучение, обусловленное пучком высокоэнергичных электронов, может создавать миллисекундные импульсы гигантской интенсивности – несколько мегарэлей (рис. 5). Гораздо более длительная часть излучения (несколько десятков миллисекунд) генерируется более медленными электронами и имеет интенсивность десятки килорэлей. Результаты расчетов находятся в соответствии с данными наблюдений [2].
Следует отметить, что предложенная в работе [2] модель объяснения оптического излучения разряда «Спрайт», основанная только на ПУЭ, не единственная. Возможны и другие е механизмы: пробой в поле излучения, создаваемого сверхмощным межоблачным разрядом, пробой в квазистатическом поле или их комбинация с ПУЭ. Отмечается также влияние метеоров на генерацию «Спрайта».
Однако важным дополнительным аргументом в пользу прямой связи высотных разрядов с ПУЭ являются наблюдаемые интенсивные импульсы рентгеновского и гамма излучений [2].
Форму оптического излучения высотного разряда можно пояснить по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы (космических лучей) исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причем каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы,
Внешний вид оптического излучения высотных разрядов «Спрайта» («Красных эльфов») имеет вид конуса (рис. 1), однако имеется особенность – конус излучения направлен с преимущественным направлением к источнику высокоэнергетических затравочных частиц (космических лучей), т. е. обратный вектор к направлению распространения частиц, а не вдоль потока частиц по направлению к Земле.
Аномальные вспышки рентгеновского излучения ПУЭ [2]
Вспышки рентгеновского излучения [5] согласно теории связаны с множественными микропробоями на убегающих электронах (МПУЭ), происходящими в обширных областях площадью порядка нескольких квадратных километров [2]. А именно, поскольку грозовые облака имеют плоскослоистую структуру, то среднее электрическое поле в них близко по направлению к вертикали z и каждый вторичный электрон космических лучей генерирует в грозовом облаке лавину убегающих электронов. Число быстрых электронов при этом сильно возрастает. Этот процесс, названный «МПУЭ», и служит причиной наблюдаемой вспышки рентгеновского излучения.
Результаты расчетов интенсивности и спектра рентгеновского излучения при МПУЭ стабилен [2]. Он имеет всегда ярко выраженный максимум в районе 50–60 кэВ и быстро спадает как в область малых энергий (за счет фотоионизации), так и в область больших энергий 100–150 кэВ (за счет комптоновских потерь). Что же касается пространственного распределения интенсивности рентгеновского излучения, то она достигает максимума в окрестности максимума электрического поля – сдвиг максимума рентгеновского излучения порядка 100–200 м в направлении движения электронов.
Весьма важно, что вдали от максимума интенсивность рентгеновского излучения сильно спадает, и уже на расстоянии порядка 1–1,5 км от максимума электрического поля – оно почти не отличимо от фона.
Из результатов расчета аномальных вспышек рентгеновского излучения, обусловленных МПУЭ, следует два важных для наблюдения вывода:
- спектр имеет стандартный вид с характерным максимумом в области 50–60 кэВ;
- интенсивное излучение можно наблюдать лишь в пределах 1–1,5 км по высоте от максимума электрического поля.
Поскольку согласно многочисленным данным измерений значения |Е| ≈ Ес достигаются в грозовых облаках лишь на высотах z ≥ 4 км, то это означает, что рентгеновское излучение от МПУЭ реально можно наблюдать лишь при z ≥ 2,5–3 км.
Оба вывода подтверждаются данными наблюдений [2]. Следует отметить также, что согласно расчетам заметное увеличение числа быстрых электронов и генерируемого ими рентгеновского излучения происходит уже в предпробойных условиях при приближении поля Е к Ес (точнее при Е > 0,95 Ес).
Напряжение критического поля Ес экспоненциально убывает с высотой: z = 6,3 км поле Ес = 100 кВ / м; z = 11 км поле Ес = 50 кВ / м.
Проводимость атмосферы σ определяется ионизацией воздуха космическими лучами. При наличии облачности и осадков вблизи поверхности Земли (до 2 км высоты) существенный вклад вносит излучение радиоактивных элементов. В ясную погоду концентрация ионов порядка 103 см‑3, что соответствует времени релаксации электрического поля τг = (4πσ)–1 ≈ 400 с. Проводимость быстро увеличивается с высотой благодаря уменьшению числа соударений υm из-за понижения концентрации молекул Nm. В облаках, напротив, проводимость может понизиться из-за прилипания зарядов к капелькам воды и аэрозолям.
При возникновении МПУЭ число энергичных электронов и, соответственно, число актов ионизации в слое толщиной порядка 100–500 м в окрестности максимума грозового поля сильно нарастает. Соответственно резко увеличивается и интенсивность рентгеновского излучения. Используя экспериментальные данные об увеличении интенсивности рентгеновского излучения в 102–103 раз, можно оценить число экспонент в реальных условиях в ускоряющем слое z ≈ (5–6) la и, таким образом, определить количество быстрых электронов, генерируемых одной начальной частицей.
Однако, согласно теории ПУЭ [2], функция распределения быстрых электронов эффективно растет с уменьшением энергии электронов не только при ε > εс, но и в области малых энергий ε < εс. Все эти электроны вносят существенный вклад в ионизацию атмосферы – как высокоэнергичные (ε > εс ≈ 100 кэВ), так и достаточно низкоэнергичные (вплоть до максимума сечения ионизации ε ≈ 0,1–1 кэВ). Благодаря этому, интенсивность генерации свободных электронов Qc в слое толщиной порядка lа у границы области ПУЭ значительно возрастает:
Следует отметить, что все вновь рожденные электроны, имеющие вначале энергию несколько электронвольт, за очень короткое время ~10–8 с ее теряют из-за неупругих взаимодействий с молекулами воздуха. Кроме того, вследствие тройных соударений электроны быстро прилипают к молекулам О2 и Н2О, образуя отрицательные ионы. Характерное время жизни свободного электрона на высотах грозовых облаков всего лишь порядка 70–100 нс. Таким образом, электроны достаточно быстро исчезают, но зато в возмущенном слое атмосферы нарастает плотность положительных Ni+ и отрицательных Ni− ионов. Именно ионы и определяют повышение проводимости в области МПУЭ (хотя и электроны, несмотря на их очень малое время жизни, могут внести свой вклад в рост проводимости).
В условиях МПУЭ в грозовом облаке за время в несколько десятков секунд концентрация ионов увеличивается на полтора-два порядка. Возникает слой аномально высокой проводимости, что, естественно, должно сильно сказаться на электродинамических процессах в грозовом облаке.
Явление аномального роста проводимости при Е > Ес было предсказано в [1] в виде гипотезы – оно названо в этой работе «быстрым переносом заряда».
Согласно расчетам [2] количество быстрых электронов изменяется во много раз при изменении отношения Е / Ес всего на 10%, то в реальных условиях грозового облака столь же сильно может измениться концентрация ионов, а, следовательно, и аномально высокая проводимость в слое, возникающая при Е ≈ Ес. Таким образом, приведенные оценки говорят лишь о «средней аномальной проводимости». Реальная же проводимость может иметь сильные флуктуации, в том числе пространственные флуктуации внутри слоя, отличающиеся от «средней» в несколько раз.
Отметим, что приведенную оценку роста проводимости следует рассматривать лишь как предварительную. В ней не учитывалось, например, ни поглощение свободных ионов каплями воды, частицами льда, аэрозолями в грозовом облаке, ни обратные процессы. Не исследовалась роль соударений быстрых электронов с теми же частицами и вся цепь изменений в происходящих в облаках сложных физико-химических процессах. Возможно, однако, что все эти процессы более медленные, чем МПУЭ.
Микропробои на убегающих электронах и фракталы [2]
Данные показывают, что в течение 100–500 мс до появления первого импульса молниевого разряда имеет место активность в широкой зоне облаков масштаба километра или нескольких километров.
Этот процесс можно представить как медленно дрейфующие множественные мелкие разрядные токи. Каждый всплеск излучения был локализован внутри области разрешения интерферометра (50 м), но центры областей излучения постоянно смещались. Активность всплесков нарастала вплоть до сильного всплеска излучения. В этот период интенсивность излучения вначале продолжала быстро нарастать, а затем, за время меньше 1 мс, резко падала. Одновременно происходило резкое уменьшение электрического поля, связанное, по-видимому, с первым ударом молнии. Такого типа процессы с характерным временем развития порядка 0,1–1 с предшествуют основному разряду, который содержит обычно несколько ударов молний как внутри облаков, так и на Землю.
Разряд молнии, связанный с созданием высокопроводящего канала и собиранием электрического заряда грозового облака с площади 1–100 км2 за время 1–10 с, представляет собой очень сложный процесс, изучавшийся в многочисленных публикациях. Отметим лишь некоторые моменты, связанные с ролью пробоя на убегающих электронах.
Это, во‑первых, указанное выше аномальное увеличение проводимости, вызванное МПУЭ. Рост проводимости должен естественно способствовать процессу быстрого переноса электрического заряда, распределенного в облаке. Указанное повышение проводимости хотя и велико, но «в среднем» для собирания электрического заряда, видимо, недостаточно. Во-вторых, оно может, однако, значительно увеличиться за счет сильно неоднородной случайной структуры проводящей зоны, отмечавшейся выше. Последняя может способствовать образованию эффективных проводящих каналов.
Возможно, что именно такой, обусловленный МПУЭ, «фрактальный» характер поведения проводимости в облачном слое перед первым разрядом молнии частично отражают радиоинтерферометрические наблюдения [2]. Отметим, что возможность возникновения фрактальной структуры проводимости в облаке, обусловленной мелкими разрядами обычного типа.
Всплески гамма излучения ПУЭ [2]
Подтверждением важной роли ПУЭ в высотных разрядах можно рассматривать наблюдавшиеся на спутнике «Комптон» интенсивные всплески гамма излучения [2]. Установлено, что у-всплески [4] приходят с Земли из районов наиболее интенсивного грозообразования [2]. Длительность гамма всплесков составляет несколько миллисекунд, энергетический спектр соответствует спектру, возникающему при ПУЭ.
Можно отметить, что в сравнении с наблюдениями рентгеновского излучения в грозовом облаке спектр гамма излучения сдвинут в сторону больших энергий (максимум в районе 300–500 кэВ) [2].
Это говорит о большой длине ускорения электронов и значительных потерях γ-излучения в атмосфере, что прямо соответствует теории. Интенсивность излучения весьма велика (порядка 100 фотонов (см2 с)−1). Результаты модельных расчетов ПУЭ находятся в достаточном соответствии с данными наблюдений γ-всплесков [2].
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами гамма излучения является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и гамма излучений высотных разрядов пока отсутствуют.
Черенковское излучение
В 1934 году П. А. Черенков, выполняя в лаборатории С. И. Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое излучение неизвестной природы [6]. Уже первые эксперименты П. А. Черенкова, предпринятые по инициативе С. И. Вавилова, выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причем яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие от люминесценции не наблюдается ни температурного, ни примесного тушения. На основании этих данных С. И. Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не является люминесценцией, а свет излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны.
Теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы с высокими энергиями, не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Но в оптически прозрачных средах скорость быстрых заряженных частиц может быть больше фазовой скорости света в этой среде. Действительно, фазовая скорость света в среде cm равна скорости света в вакууме c, деленной на показатель преломления среды n:
cm = c / n.
При этом вода, например, имеет показатель преломления 1,33, а показатели преломления различных марок оптических стекол лежат в пределах от 1,43 до 2,1. Соответственно, фазовая скорость света в таких средах составляет 50–75% от скорости света в вакууме. Поэтому оказывается, что релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости света в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света. Быстрые электроны выбиваются из электронных оболочек атомов среды гамма-излучением.
Если частица движется быстрее скорости распространения света в среде, то она обгоняет световые волны. Совокупность касательных прямых к сферическим волновым фронтам, проведенных из точки, проходящей через частицу, образует круговой конус – волновой фронт излучения Черенкова.
Детекторы, регистрирующие черенковское излучение, широко используются в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей и направлений движения. Если известна масса порождающих черенковское излучение частиц, то сразу определяется их кинетическая энергия.
Пояснить это явление можно по аналогии с волнами Гюйгенса, из каждой точки вдоль траектории движения быстрой частицы исходит сферический фронт световой волны, распространяющийся по среде со скоростью света в этой среде, причем каждая следующая сферическая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Теоретическое объяснение явления было дано И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 году.
В 1958 году П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. М. Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой: «За открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения премии отметил, что «открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».
Излучение Черенкова-Вавилова или черенковское излучение – свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.
Возникновение черенковского излучения аналогично возникновению ударной волны в виде конуса Маха от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например, ударная конусообразная волна в воздухе от сверхзвукового самолета или пули.
Выводы по части 1
В условиях микропробоя на убегающих электронах (МПУЭ) в грозовом облаке за время в несколько десятков секунд концентрация ионов увеличивается на полтора-два порядка. Возникает слой аномально высокой проводимости, что, естественно, должно сильно сказаться на электродинамических процессах в грозовом облаке. Явление аномального роста проводимости при Е > Ес было предсказано, и оно названо «быстрым переносом заряда». Отметим лишь некоторые моменты, связанные с ролью пробоя на убегающих электронах.
Во-первых, указанное выше аномальное увеличение проводимости, вызванное МПУЭ. Рост проводимости должен естественно способствовать процессу быстрого переноса электрического заряда, распределенного в облаке. Указанное повышение проводимости хотя и велико, но «в среднем» для собирания электрического заряда, видимо, недостаточно. Во-вторых, оно может, однако, значительно увеличиться за счет сильно неоднородной случайной структуры проводящей зоны («фракталов»), отмечавшейся выше. Последняя, может способствовать образованию эффективных проводящих каналов на «фракталах».
Возможно, что именно такой, обусловленный МПУЭ, «фрактальный» характер поведения проводимости в облачном слое перед первым разрядом молнии частично отражают радиоинтерферометрические наблюдения. Возможно возникновение фрактальной структуры проводимости в облаке, обусловлено мелкими разрядами обычного типа.
Поскольку грозовые облака имеют плоскослоистую структуру, то среднее электрическое поле в них близко по направлению к вертикали z и каждый вторичный электрон космических лучей генерирует в грозовом облаке лавину убегающих электронов. Число быстрых электронов при этом сильно возрастает. Этот процесс МПУЭ служит причиной наблюдаемой вспышки рентгеновского излучения.
Из результатов расчета аномальных вспышек рентгеновского излучения, обусловленных МПУЭ, следует два важных для наблюдения вывода:
спектр имеет стандартный вид с характерным максимумом в области 50–60 кэВ;
интенсивное излучение можно наблюдать лишь в пределах 1–1,5 км по высоте от максимума электрического поля.
Внешний вид оптического излучения высотных разрядов «Спрайта» («Красных эльфов») имеет вид конуса, однако имеется особенность – конус излучения направлен к источнику высокоэнергетических затравочных частиц (космических лучей), т. е. обратный вектор к направлению распространения частиц, а не вдоль потока частиц по направлению к Земле.
Следует отметить, что наблюдаемые в верхних слоях атмосферы высотные разряды «Спрайт» отличаются не только по цвету оптического свечения на разной высоте – «Красные эльфы» («Red Sprite») и «Синие джеты» («Blue Jet»), но и по направления конуса свечения по отношению к потоку затравочных космических частиц, которое зависит от свойств фракталов, в которых происходит МПУЭ.
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами гамма излучения является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и гамма излучений высотных разрядов пока не опубликовано. Существование ПУЭ подтверждено при исследованиях на циклотроне, но с учетом некоторых ограничениях при эксперименте.
Возникает вопрос – о возможности создания природоподобных «фракталов» для формирования и исследования высотных разрядов в лабораторных условиях на Земле.
В продолжении обзора (часть II) будут рассмотрены свойства метаматериалов, проведен анализ публикаций, которые указывают на возможность низкополевой эмиссии различных полупроводниковых и полимерных материалов при размерах нанозерен или острий 20–30 нм. Мы покажем, что для изготовления источника высокоэнергетических затравочных быстрых электронов и реализации пробоя на убегающих электронах достаточно использовать нить длинной 30–50 м с фракталами наноостровков (нанокапель) алюминия с размером 10-30 нм.
Финансирование работы
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24–29–00129, https://rscf.ru/project/24–29–00129/.
REFERENCES
Gurevich A V, Milikh G A., Roussel-Dupre R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Physics Letters A. 1992; 165(5–6): 463–468. DOI:10.1016/0375‑9601(92)90348‑p.
Gurevich A. V., Zybin K. P. Runaway breakdown and electric discharges in thunderstorms.Phys. Usp. 2001;44: 1119–1140. DOI: 10.1070/PU2001v044n11ABEH000939
Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. Успехи физических наук. 2001; 171(11):1177–1199.
Physical quantities: Handbook / [A. P. Babichev, etc.]; Edited by I. S. Grigoriev, E. Z. Meilikhov. Moscow: Energoatomizdat, 1991. 1231 p.
Bragin I. V., Chebotarev A. S., Elizavetov E. P., Istyakov I. V., Mikhailov V. F. Space-based radiometric equipment for measuring the parameters of high-altitude lightning discharges – alphas and jets. Proceedings of the Russian universities. Radioelectronics. 2012; 2: 75–78.
Брагин И. В., Чеботарев А. С., Елизаветов Е. П., Истяков И. В., Михайлов В. Ф. Радиометрическая аппаратура космического базирования для измерения параметров высотных грозовых разрядов – альфов и джетов. Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012; 2:75–78.
Blokhin M. A. X-ray radiation. Physical encyclopedia: [in 5 volumes] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. – Moscow: Great Russian Encyclopedia, 1994; 4: 375–377.
Grechukhin D. P. Gamma radiation. Physical encyclopedia: [in 5 volumes] / Ch. ed. A. M. Prokhorov. – Moscow: Great Russian Encyclopedia, 1994; 4: 377–379.
АВТОР
Мальцев Петр Павлович, д. т. н., профессор, главный научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники
им. В. Г. Мокерова Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН),
Москва, Россия.
Отзывы читателей
