eng
Выпуск #7/2024
П. П. Мальцев
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 2. Микропробой фракталов на метаматериалах
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 2. Микропробой фракталов на метаматериалах
Просмотры: 1123
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.7.522.534
В статье 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. Показано, 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.
В статье 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. Показано, 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.
Теги: fractals from the nano-sized aluminum droplets off-surface highly conductive condition plasma polymer filaments made of aromatic polyamide fiber надповерхностное высокопроводящее состояние плазма полимерные нити из волокна ароматического полиамида фракталы из наноразмерных капель алюминия
Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 2. Микропробой фракталов на метаматериалах
П. П. Мальцев
ИСВЧПЭ РАН, Москва, Россия
В статье 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. Показано, 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.
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
Свойства метаматериалов [7]
В 1962 году В. Г. Веселаго системно описал гипотезу о необычных свойствах «левых» веществ («Left–handed media»). В работе [7], в частности, показано, что такие вещества имеет отрицательные диэлектрическую εм и магнитную μм проницаемости, а также должны обладать отрицательным показателем преломления n.
Метаматериал – композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольными размерами и формой. Искусственная периодическая структура модифицирует диэлектрическую и магнитную проницаемость исходного материала [7, 8].
Таким образом, метаматериалы представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Приставка «мета» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.
Наиболее известным примером естественной ENG–среды (εм – отрицательной), которая может быть либо прозрачной, либо непрозрачной для электромагнитных волн в зависимости от частоты возбуждения ω, является плазма, диэлектрическая проницаемость которой в отсутствие внешнего магнитного поля определяется согласно формуле
εм(ω) = 1 − ωр2 / ω2,
где ωp – параметр, именуемый радиальной плазменной частотой (радиальной частотой собственных колебаний плазмы) и зависящий от плотности, величины заряда и массы носителей зарядов.
Ниже плазменной частоты диэлектрическая проницаемость отрицательна и электромагнитные волны не могут распространяться из-за потери средой прозрачности. При ω > ωp величина εм > 0 и электромагнитные волны могут проходить через ионизированную среду. Известным примером электромагнитной плазмы является ионосфера Земли, от которой излучение низкой частоты отражается (при ε(ω) < 0), а высокочастотные электромагнитные волны проходят с малым поглощением.
В числе искусственных сред SNG (single negative, моноотрицательные) с отрицательной εм (ENG, εм – отрицательной) одной из первых была описана система из тонких металлических проводов, расположенных параллельно. О такой среде – искусственном диэлектрике для микроволновых применений – сообщалось в работе Джона Брауна еще в 1953 году. Он получил соотношение для плазменной частоты данного метаматериала.
Позднее оно было подтверждено Уолтером Ротманом, который в 1961 году продемонстрировал возможность использования множества тонких проводников для моделирования плазмы, поскольку их эффективная диэлектрическая проницаемость выражается той же самой формулой. В частности, для метаструктуры на основе алюминиевых проводников с радиусом r = 1 мкм и интервалом между ними a = 5 мм радиальная плазменная частота составляет примерно 8,2 ГГц (рис. 6 а).
Основополагающая работа [7] содержала теоретическое описание свойств среды с одновременно отрицательными εм и μм, а также исследование решения уравнений Максвелла для этого случая. При интерпретации уравнений Максвелла В. Г. Веселаго впервые использовал в качестве индекса преломления n выражение для εм, μм < 0, что явилось довольно неожиданным логическим приемом. Отмечая гипотетичность соответствующей среды, В. Г. Веселаго указал на бесспорный факт, что ее существование не исключается уравнениями Максвелла, и теоретически проанализировал процесс распространения электромагнитных волн в подобных средах.
Отметим, что волна, распространяясь в среде, имеет две скорости – фазовую Vф и групповую Vгр. Фазовая скорость – это скорость движения фазы волны, например максимума или минимума колебательного процесса, а групповая скорость – это скорость, с которой движется огибающая импульса. Они не обязательно должны быть одинаковы и направлены в одну сторону.
Поток энергии, переносимый электромагнитной волной, определяется вектором Умова – Пойнтинга S, а, следовательно, и Vгр всегда образуют с векторами электромагнитной волны Е и H правую тройку векторов. Таким образом, для «правых» сред фазовая и групповая скорости всегда направлены в одну сторону, а для «левых» сред вектора Vгр и Vф – в разные стороны, то есть это среды с отрицательной групповой скоростью.
Для «левых» сред волновой вектор излучения k будет направлен по траектории частицы υ, а конус излучения будет направлен назад по отношению к движению частицы, т.е к источнику.
Начало 2000 годов было богато событиями в области создания метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления электромагнитных волн. Эффект отрицательного преломления обусловлен одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости (εм < 0 и μм < 0). Такие материалы часто называют бинегативными средами (DNG, double negative). До недавнего времени этот класс материалов был представлен только искусственными конструкциями, однако, в 2006 году было установлено, что кристаллы La2/3Ca1/3Mn3 имеют отрицательный коэффициент преломления электромагнитных волн примерно на частоте 150 ГГц.
К пониманию физики сред DNG современная наука подходила исподволь. Судя по доступным публикациям, пальму первенства в практической постановке вопроса о существовании волн с отрицательной групповой скоростью следует отдать английскому физику Артуру Шустеру (1851–1934). Вывод о том, что отрицательная групповая скорость возможна из-за аномальной дисперсии волн, подтвердил в 1905 году Фон Лауэ (Max Theodor Felix von Laue, 1879–1960). В том же году Поклингтон в небольшой заметке еще раз показал, что в определенной среде, где возможна обратная волна, активизированный источник колебаний формирует волну с групповой скоростью, направленной от источника, в то время как ее фазовая скорость ориентирована ему навстречу.
Отметим следствия, которые вытекают из того обстоятельства, что в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. Прежде всего, в левых веществах будет наблюдаться обращенные: эффект Допплера и излучение Черенкова – Вавилова!
Например, изменение частоты колебаний вследствие движения источника или приемника называется эффектом Доплера. Пусть приемник излучения B движется со скоростью V относительно излучателя A, который излучает частоту. В этом случае для частоты, воспринимаемой приемником вследствие доплеровского сдвига, можно записать выражение:
ω = ω0 ( 1 + р ( V / Vгр ).
В «левой» среде (р = −1) приемник будет догонять точки волны, соответствующие какой–либо определенной фазе. При этом в формуле скорости V и Vгр направлены в разные стороны. Поэтому из-за эффекта Доплера в «правой» среде приближающийся к нам объект кажется более «синим», а в «левой» среде будет казаться более «красным».
Можно предположить, что это и наблюдается при пробое на убегающих электронах в высотных разрядах «Красных эльфов» (рис. 1 и рис. 4, см. П. П. Мальцев. Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.5.358.374) под действием проникающих космических частиц через «левую» метасреду в виде фракталов.
Низкополевая эмиссия наноточек
Приведем анализ публикаций, которые указывают на возможность низкополевой эмиссии различных полупроводниковых и полимерных материалов при размерах нанозерен или острий 20–30 нм.
В работе [9] показано, что при положительном смещении на зонде (отрицательный потенциал на полупроводнике) осуществлялась эмиссия электронов из выступов на поверхности полупроводника, являющихся по своей природе нанообъектами (размер острия выступа для эмиссии мог достигать 10–20 нм).
Эмиссия электронов из полупроводника происходит с участием (одного или нескольких) квантованных уровней энергии электронов в приповерхностной зоне материала – в частях выступов шероховатой поверхности, обращенных к зонду.
Очевидно, положение основного пика определяется величиной ширины запрещенной зоны полупроводника и положением уровня Ферми, а также возможным начальным искривлением зон вблизи поверхности, соответствующим режиму обогащения поверхности полупроводника электронами. Оценка линейных размеров таких квантовых точек оказывается в интервале от 10 до 20 нм, что вполне согласуется с аналитическими оценками для InSb.
Квантовая точка, образованная частью выступа шероховатой поверхности полупроводника, выполняет функцию своеобразного «фильтра» для эмиссионного потока электронов из полупроводника в вакуум и далее к зонду туннельного микроскопа.
В работе [10] показано, что полученные малые значения барьеров для эмиссии из микрозерен InSb и InAs позволяют говорить о ее низкополевом характере.
Наблюдаемые для них ВАХ свидетельствуют об ограничении тока зарядом, локализованным в приповерхностном слое полупроводника.
Спецификой InSb и InAs являются очень малые значения эффективной массы m (легкие электроны, m ≈ 0,01m0) и энергии Є (<0,2 эВ) электронов. Это приводит к сравнительно большим значениям длины волны де Бройля для электрона – λ = h(2m Є)−1/2 – до 30 нм (для других полупроводников – порядка одного нанометра).
Зона действия приповерхностных локализованных состояний эмиссии должна примерно соответствовать размеру λ. Площадь эмиссионной поверхности зерна по условиям эксперимента ≈ 3 мкм2. Тогда объем размещения локализованных состояний в микрозерне v ≈ 10−13 см−3, концентрация локализованных центров эмиссии NS / v = (1017–1018) см−3, средние расстояния между центрами – (NS/v)−3 ≈ (10–30) нм.
В работе [11] продемонстрировано отступление от формулы Фаулера–Нордгейма для тока автоэмиссии из наночастиц при анализе экспериментальных данных острийных автокатодов из углеродных нанотрубок. Отмечено, что для получения при эксперименте тока величина напряжения должна быть, по крайней мере, в 10 раз больше, т. е. наблюдается не автоэлектронная эмиссия для изготовленных острийных автоэмиссионных катодов с уменьшенной высотой до субмикронных размеров, а так называемая низкополевая.
Предполагается, что одна из причин появления низкополевой эмиссии связана с уменьшением плотности электронных состояний наночастицы из-за размерного квантования спектра. Это приведет к контактной разности потенциалов между наночастицей и массивной подложкой. Заряд наночастицы тогда создаст у поверхности подложки вблизи места сочленения наночастицы с массивным основанием поле, достаточное для туннелирования электронов из него в наночастицу по вакууму. Внешнее напряжение только изменит траекторию движения эмитированных электронов.
Другая возможная модель заключается в деформации поверхностного слоя внешними электрическими силами. Деформации в таком случае могут быть усилены рычагами, составленными из наночастиц.
В работе [12] продемонстрированы возможности электростатических методов АСМ с проводящим зондом для исследования электрических характеристик поверхности полимерных материалов и изменения граничных условий на границе раздела полимер- металл.
Уменьшение толщины диэлектрической полимерной пленки приводит к ситуации, когда заряды, сосредоточенные вблизи границ контакта с металлическими электродами, начнут взаимодействовать между собой, приводя при этом к изменению формы потенциального барьера.
В работе [12] отмечено, что тонкие пленки полиариленфталидов (полимеры с широкой запрещенной зоной) с субмикронной толщиной становятся проводником тока с высокой электропроводностью, сопоставимой с проводимостью некоторых металлов, не в результате процедуры допирования, а при выполнении двух критических условий:
толщина пленок такого материала должна быть меньше определенной критической (наноразмерной), наличие инициирующего относительно малого внешнего воздействия или электрического поля.
Таким образом, размеры 20–30 нм (нанозерен, наноострий, наношероховатостей и наноостровков) являются одним из условий возникновения низкополевой эмиссии из различных полупроводниковых и полимерных материалов при наличии напряжении смещения и импульсного воздействия напряжения.
Низкополевая эмиссия фракталов
Рассмотрим результаты исследования фракталов из цепочек нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия размером 30–1 000 нм, нанесенных на полимерную нить арамида из волокон углеродных бензольных колец [13–15].
Наноостровки (нанокапли) алюминия наносили на нить арамида (араматический полиамид – типа «русар»), которая намотана на барабан и обрабатывалась в вакуумной установке магнетронного напыления алюминия на технологической установке «МИР‑2» в ООО «НИИ «Эластомерных материалов и изделий».
Для создания экспериментальных образцов использована полимерная нить длиной 30 м и диаметром 1 000 мкм, которая плотно намотана 137 витками на цилиндр (бобина–барабан) радиусом 3,5 см и длиной 13,7 см [13] для нанесения алюминия.
В процессе металлизации установлены режимы в вакуумной камере:
Нить представляет собой ароматический полиамид – арамид, в котором 85% амидных связей прикреплены непосредственно к двум бензольным кольцам. Ароматическое кольцо из углерода – бензол (C6H6) обозначается в виде шестиугольника с вписанной окружностью (внешний диаметр 0,28 нм), подчеркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углеродного цикла. Цепочки из двух бензольных колец выстраиваются в волокно через соединение из хлора, а переплетение из нескольких волокон образует арамида (рис. 6, б). Следует отметить, что радиус атома алюминия: 0,143 нм (диаметр 0,286 нм).
Затем исследовались свойства образцов нитей длиной 1 см.
Фотографии полимерных нитей с цепочеками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия с размером 30–1000 нм (рис. 6b и рис. 7) сделаны на растровом электронном микроскопе CAMSCAN – S4 с энергодисперсионной и волнодисперсионной приставками: Oxford INCA Еnergy 350 и INCA Wave 700 (Саmbrige, Англия) в Центре высоких технологий ЦКП «Синхротрон» ФГУП Научно–исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» [13, 14].
Исходя из анализа изображений (рис. 7), полученных в электронном микроскопе, можно считать, что полимерная нить из волокон арамида (из углеродных бензольных колец) с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия не имеет регулярной топологии и может быть отнесена к природоподобным фракталам (алюминий обозначен – красным цветом на рис. 7а и белым цветом на рис. 7b).
Следует отметить, что в математике под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющих метрическую размерность, отличную от топологической, поэтому их следует отличать от прочих геометрических фигур, ограниченных конечным числом звеньев.
Природные объекты (квазифракталы) отличаются от идеальных абстрактных фракталов неполнотой и неточностью повторений структуры.
Исследование электрических характеристик полимерных нитей проводилось после формирования индиевых контактов к полимерным нитям с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия снимались вольт–амперные характеристики (ВАХ) образцов на характериографе Л2–56. Кроме ВАХ с помощью характериограф Л2–56 оценивалось и сопротивление образца по наклону зависимости тока от напряжения. Для оценки емкости использовался измеритель LCR hewlett packard 4284А.
При измерении ВАХ на образцов с длиной 10 см и 1 см появления тока при изменении напряжения до 12 В не наблюдалось. Экспериментально установлено, что полимерная нить из волокон арамида с цепочками нерегулярных наноостровков алюминия при малых постоянных напряжениях является изолятором [13–15].
При плавной подаче высокого напряжения величиной до 1,6 кВ (в течение 1 сек) на полимерную нить с наноостровковой металлизацией алюминием пробой отсутствует.
При подаче импульсного высокого напряжения на нить ситуация изменяется – происходит электрический разряд и формируется надповерхностное высокопроводящее состояние над полимерной нитью из волокон арамида с цепочками нерегулярных наноостровков алюминия, возможно, в появившейся плазме. Экспериментально установлено, что при подаче импульса напряжения 1,6 кВ на электроды, присоединенные к полимерной нити длиной 1 см, возникает электрический разряд.
На рис. 7а видны наноостровки (нанокапли) алюминия с размером 30–1 000 нм, которые могут объединять несколько десятков – сотен углеродных бензольных колец и создавать структуры алюминий/углерод. В какой–то части такой структуры может образоваться «наноточка», в которой и сформируются условия к возникновению низкополевой эмиссии электронов из бензольных колец при импульсной подаче напряжения на полимерную нить.
Следует отметить, что расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряженности электрического поля у поверхности электродов и их формы. Для сфер, радиус которых много больше разрядного промежутка, она считается равной 30 кВ на сантиметр, а для иголок составит 10 кВ на сантиметр [3].
Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °C, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3,2 МВ/м. Развитие пробоя зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой газа. Если в однородном поле напряженность поля постоянна, то в резко неоднородном поле изменяется на несколько порядков вдоль силовой линии [3].
В работах [14, 16] приведены фотографии конусообразного разряда вдоль полимерной нити длиной 30 м с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия (рис. 8а), которая аналогична приведенной в работе [2] форме оптического излучения микропробоя на убегающих электронах высотного разряда (рис. 8b), а не на форму обычной зигзагоообразной электрической молнии над Землей.
Эксперимент и фотография электрического разряда в направлении распространения электромагнитной волны вдоль полимерной нити из волокон арамида с наноостровками алюминия (длина нити 30 м; напряжение электрического поля Е = 30 кВ/м) были сделаны на высоковольтном стенде Всероссийского электротехнического института [16]. При эксперименте установлено, что при электрическом пробое на воздухе полимерные нити с наноостровковой металлизацией алюминием не перегорают.
Можно предположить, что возникновение низкополевой эмиссии электронов на длинных волокнах соединений углеродных бензольных колец при импульсном воздействии напряжения через наноостровки (нанокапли) алюминия (при импульсном воздействии) приводит к созданию плазмы и формированию надповерхностного высопроводящего состояния (НПВПС), которое облегчает появлению высоэергетических электронов при приложенном высоком электрическом напряжении, способных заменить затравочные космические лучи.
Следует отметить, при сформировании над поверхностью нити высопроводящего состояния (НПВПС) в виде плазмы сохраняет ее и она не перегорает [13–15]. Это состояние аналогично явлению аномального роста проводимости при Е > Ес, которое в работах [1, 2] было названо «быстрым переносом заряда» при МПУЭ в высотных разрядах.
Экспериментально установлено, что пробой нити из волокон арамида с нерегулярными цепочками наноостровков алюминия в комнатных условиях составляет 1,6 кВ/см [13–15], которое даже меньше, чем необходимое для пробоя на убегающих электронах – 2,16 кВ/см [2]. Меньшее напряжение пробоя возможно повлияло на уменьшить длины экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов с теоретической длины 50 м [2] до 30 м при давлении 1 атм [15, 16]. Для справки, при давлении 1 атм пороговое поле для обычного пробоя составляет 23–30 кВ/см [2, 3].
В работах [13–15] показано, что нити из волокон арамида с наноостровками алюминия размером 10–1 000 нм могут обладать свойствами метаматериалов и оценка значения плазменной частота для исследуемого метаматериала составляет 1–10 ТГц.
Можно предположить, что сформированные метаматериалы из фракталов из наноостровков алюминия нити из волокон арамида являются источником высокоэнергетических затравочных быстрых электронов для реализации пробоя на убегающих электронах в лабораторных условиях при длине нити 30 м и напряженности электрического поля 30 кВ/м.
Выводы по части 2
Гипотетически можно предположить, что при подаче импульсного высокого напряжения полимерная нить из волокон арамида, состоящей из бензольных колец углерода, с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия (размером 10–100 нм) происходит микропробой фрактала через плазму, образованную при низкополевой эмиссии электронов, с формированием надповерхностного высокопроводящего состояния (НПВПС) над полимерной нитью.
Экспериментально установлено, что микропробой фрактала с нерегулярными цепочками наноостровков алюминия на нитях из волокон арамида равен 1,6 кВ/см (в комнатных условиях), который по величине меньше, чем расчетное значение для микропробоя на убегающих электронах, равное 2,16 кВ/см. Таким образом, для изготовления источника высокоэнергетических затравочных быстрых электронов и реализации пробоя на убегающих электронах достаточно использовать нить с фракталами наноостровков (нанокапель) алюминия длинной 30–50 м.
Фронт волны распространения высотных разрядов в виде конуса, направленного к источнику космических излучений, возможно осуществить только на фракталах из метаматериалов (имеющих отрицательные диэлектрическую и магнитную постоянные), например, нанокапель алюминия на поверхности полимерных нитей из волокон углеродных бензольных колец. Оценка значения плазменной частоты для разработанного метаматериала составляет 1–10 ТГц.
Фотография конусообразного микропробоя фрактала из наноостровков (нанокапель) алюминия вдоль полимерной нитью длиной 30 м аналогична по форме оптическому излучению микропробоя на убегающих электронах высотного разряда.
Кроме того, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы высотные разряды отличаются по цвету оптического свечения на разной высоте из-за разного типа фракталов, в которых происходит МПУЭ: «Красные эльфы» («Red Sprite») происходят в метасреде, а «Синие джеты» («Blue Jet») в обычной среде. В результате, МПУЭ отличаются направлениям конуса свечения по отношению к потоку затравочных космических частиц при МПУЭ, т. е. эффект Допплера будет «обращенным» для «Красных эльфов» на фракталах из метаматериалов.
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами оптического и рентгеновского излучений является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и рентгеновского излучений высотных разрядов пока отсутствуют.
Использование разработанных фракталов с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия на полимерной нити из волокон арамида (на основе ароматических колец углерода – бензол) позволяет провести исследования одновременно оптического и рентгеновского излучений в лабораторных условиях на поверхности Земли.
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.
Veselago V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Sov. Phys. Usp. 1968;10:509–514. DOI: 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699
Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ. Успехи физических наук. 1967; 92(7):517–526. DOI: 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517.
Dement’ev A.N., ZHukov A.O., Il’kov V.K., Skrynskij V. R. Metamaterialy v radioelektronike: ot issledovanij k razrabotkam. /Pod red. P. P. Mal’cev. – M.: Tekhnosfera. 2023. – 248s.
Дементьев А. Н., Жуков А. О., Ильков В. К., Скрынский В. Р. Метаматериалы в радиоэлектронике: от исследований к разработкам. /Под ред. П. П. Мальцев. – М.: Техносфера. 2023. – 248с.
Gluhovskoj E. G., ZHukov N. D. Protekanie toka v avtoemissionnom nanokontakte metall–poluprovodnik. Prikladnaya fizika. 2015; 3:5–9.
Глуховской Е. Г., Жуков Н. Д. Протекание тока в автоэмиссионном наноконтакте металл–полупроводник. Прикладная физика. 2015; 3:5–9.
Mihajlov A. I., Kabanov V. F., ZHukov N. D. Osobennosti avtoelektronnoj emissii iz submikronnyh vystupov sherohovatoj poverhnosti antimonida indiya. Pis’ma v ZHTF. 2015; 41(12):8–14.
Михайлов А. И., Кабанов В. Ф., Жуков Н. Д. Особенности автоэлектронной эмиссии из субмикронных выступов шероховатой поверхности антимонида индия. Письма в ЖТФ. 2015; 41(12):8–14.
Stecenko B. V. Otstuplenie ot formuly Faulera–Nordgejma dlya toka avtoemissii iz nanochastic. ZHurnal tekhnicheskoj fiziki. 2011; 81(4):152–154.
Стеценко Б. В. Отступление от формулы Фаулера–Нордгейма для тока автоэмиссии из наночастиц. Журнал технической физики. 2011;81(4):152–154.
Gadiev R. M., Lachinov A. N., Kornilov V. M. et al. Anomal’no vysokaya provodimost’ vdol’ interfejsa dvuh polimernyh dielektrikov. Pis’ma v ZHETF. 2009;90(11): 821–825.
Гадиев Р. М., Лачинов А. Н., Корнилов В. М. и др. Аномально высокая проводимость вдоль интерфейса двух полимерных диэлектриков. Письма в ЖЭТФ. 2009;90(11): 821–825.
Maltsev P. P., Ganzha A. A., Pavlov V.Yu., Mikhalev A. O., Kozlitin A. I. Formation of Polymer Threads with Nanoscale Aluminum Formations. Nanobiotechnology Reports. 2022; 17(7): S15–S17. Pleiades Publishing, Ltd., 2022.
Maltsev P. P., Ganzha A. A., Pavlov V.Yu., Mikhalev A. O., Kozlitin A. I. Formation of Polymer Threads with a Nanosized Aluminum Topology. Russian Microelectronics. 2023; 52(4): 312–316. Pleiades Publishing, Ltd., 2023.
Mal’cev P.P., Ganzha A. A., Pavlov V.YU., Mihalev A. O., Kozlitin A. I., Sarajkin V. V. Ocenka znachenij radial’noj plazmennoj chastoty dlya polimernoj niti s nanoostrovkami alyuminiya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2024; 26(1.): 25–32.
Мальцев П. П., Ганжа А. А., Павлов В. Ю., Михалев А. О., Козлитин А. И., Сарайкин В. В. Оценка значений радиальной плазменной частоты для полимерной нити с наноостровками алюминия. Нано- и микросистемная техника. 2024; 26(1.): 25–32.
Ganzha A. A. Issledovaniya atmosfernogo elektrichestva s pomoshch’yu kvantovo–strukturnyh nitej. Materialy XVIII Vserossijskoj Otkrytoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem «Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa». 16–20 noyabrya. 2020. IKI RAN. 2020. S. 145. DOI 10.21046/18DZZconf‑2020a.
Ганжа А. А. Исследования атмосферного электричества с помощью квантово–структурных нитей. Материалы XVIII Всероссийской Открытой конференции с международным участием «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 16–20 ноября. 2020. ИКИ РАН. 2020. С. 145. DOI 10.21046/18DZZconf‑2020a.
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.
AUTHOR
Maltsev Petr P., Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, V. G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics of the Russian Academy of Sciences (IUHFSE RAS), Moscow, Russia.
П. П. Мальцев
ИСВЧПЭ РАН, Москва, Россия
В статье 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. Показано, 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.
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
Свойства метаматериалов [7]
В 1962 году В. Г. Веселаго системно описал гипотезу о необычных свойствах «левых» веществ («Left–handed media»). В работе [7], в частности, показано, что такие вещества имеет отрицательные диэлектрическую εм и магнитную μм проницаемости, а также должны обладать отрицательным показателем преломления n.
Метаматериал – композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольными размерами и формой. Искусственная периодическая структура модифицирует диэлектрическую и магнитную проницаемость исходного материала [7, 8].
Таким образом, метаматериалы представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Приставка «мета» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.
Наиболее известным примером естественной ENG–среды (εм – отрицательной), которая может быть либо прозрачной, либо непрозрачной для электромагнитных волн в зависимости от частоты возбуждения ω, является плазма, диэлектрическая проницаемость которой в отсутствие внешнего магнитного поля определяется согласно формуле
εм(ω) = 1 − ωр2 / ω2,
где ωp – параметр, именуемый радиальной плазменной частотой (радиальной частотой собственных колебаний плазмы) и зависящий от плотности, величины заряда и массы носителей зарядов.
Ниже плазменной частоты диэлектрическая проницаемость отрицательна и электромагнитные волны не могут распространяться из-за потери средой прозрачности. При ω > ωp величина εм > 0 и электромагнитные волны могут проходить через ионизированную среду. Известным примером электромагнитной плазмы является ионосфера Земли, от которой излучение низкой частоты отражается (при ε(ω) < 0), а высокочастотные электромагнитные волны проходят с малым поглощением.
В числе искусственных сред SNG (single negative, моноотрицательные) с отрицательной εм (ENG, εм – отрицательной) одной из первых была описана система из тонких металлических проводов, расположенных параллельно. О такой среде – искусственном диэлектрике для микроволновых применений – сообщалось в работе Джона Брауна еще в 1953 году. Он получил соотношение для плазменной частоты данного метаматериала.
Позднее оно было подтверждено Уолтером Ротманом, который в 1961 году продемонстрировал возможность использования множества тонких проводников для моделирования плазмы, поскольку их эффективная диэлектрическая проницаемость выражается той же самой формулой. В частности, для метаструктуры на основе алюминиевых проводников с радиусом r = 1 мкм и интервалом между ними a = 5 мм радиальная плазменная частота составляет примерно 8,2 ГГц (рис. 6 а).
Основополагающая работа [7] содержала теоретическое описание свойств среды с одновременно отрицательными εм и μм, а также исследование решения уравнений Максвелла для этого случая. При интерпретации уравнений Максвелла В. Г. Веселаго впервые использовал в качестве индекса преломления n выражение для εм, μм < 0, что явилось довольно неожиданным логическим приемом. Отмечая гипотетичность соответствующей среды, В. Г. Веселаго указал на бесспорный факт, что ее существование не исключается уравнениями Максвелла, и теоретически проанализировал процесс распространения электромагнитных волн в подобных средах.
Отметим, что волна, распространяясь в среде, имеет две скорости – фазовую Vф и групповую Vгр. Фазовая скорость – это скорость движения фазы волны, например максимума или минимума колебательного процесса, а групповая скорость – это скорость, с которой движется огибающая импульса. Они не обязательно должны быть одинаковы и направлены в одну сторону.
Поток энергии, переносимый электромагнитной волной, определяется вектором Умова – Пойнтинга S, а, следовательно, и Vгр всегда образуют с векторами электромагнитной волны Е и H правую тройку векторов. Таким образом, для «правых» сред фазовая и групповая скорости всегда направлены в одну сторону, а для «левых» сред вектора Vгр и Vф – в разные стороны, то есть это среды с отрицательной групповой скоростью.
Для «левых» сред волновой вектор излучения k будет направлен по траектории частицы υ, а конус излучения будет направлен назад по отношению к движению частицы, т.е к источнику.
Начало 2000 годов было богато событиями в области создания метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления электромагнитных волн. Эффект отрицательного преломления обусловлен одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости (εм < 0 и μм < 0). Такие материалы часто называют бинегативными средами (DNG, double negative). До недавнего времени этот класс материалов был представлен только искусственными конструкциями, однако, в 2006 году было установлено, что кристаллы La2/3Ca1/3Mn3 имеют отрицательный коэффициент преломления электромагнитных волн примерно на частоте 150 ГГц.
К пониманию физики сред DNG современная наука подходила исподволь. Судя по доступным публикациям, пальму первенства в практической постановке вопроса о существовании волн с отрицательной групповой скоростью следует отдать английскому физику Артуру Шустеру (1851–1934). Вывод о том, что отрицательная групповая скорость возможна из-за аномальной дисперсии волн, подтвердил в 1905 году Фон Лауэ (Max Theodor Felix von Laue, 1879–1960). В том же году Поклингтон в небольшой заметке еще раз показал, что в определенной среде, где возможна обратная волна, активизированный источник колебаний формирует волну с групповой скоростью, направленной от источника, в то время как ее фазовая скорость ориентирована ему навстречу.
Отметим следствия, которые вытекают из того обстоятельства, что в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. Прежде всего, в левых веществах будет наблюдаться обращенные: эффект Допплера и излучение Черенкова – Вавилова!
Например, изменение частоты колебаний вследствие движения источника или приемника называется эффектом Доплера. Пусть приемник излучения B движется со скоростью V относительно излучателя A, который излучает частоту. В этом случае для частоты, воспринимаемой приемником вследствие доплеровского сдвига, можно записать выражение:
ω = ω0 ( 1 + р ( V / Vгр ).
В «левой» среде (р = −1) приемник будет догонять точки волны, соответствующие какой–либо определенной фазе. При этом в формуле скорости V и Vгр направлены в разные стороны. Поэтому из-за эффекта Доплера в «правой» среде приближающийся к нам объект кажется более «синим», а в «левой» среде будет казаться более «красным».
Можно предположить, что это и наблюдается при пробое на убегающих электронах в высотных разрядах «Красных эльфов» (рис. 1 и рис. 4, см. П. П. Мальцев. Импульсные оптическое и рентгеновское излучения фракталов: обзор гипотез. Часть 1. Микропробой на убегающих электронах. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2024.18.5.358.374) под действием проникающих космических частиц через «левую» метасреду в виде фракталов.
Низкополевая эмиссия наноточек
Приведем анализ публикаций, которые указывают на возможность низкополевой эмиссии различных полупроводниковых и полимерных материалов при размерах нанозерен или острий 20–30 нм.
В работе [9] показано, что при положительном смещении на зонде (отрицательный потенциал на полупроводнике) осуществлялась эмиссия электронов из выступов на поверхности полупроводника, являющихся по своей природе нанообъектами (размер острия выступа для эмиссии мог достигать 10–20 нм).
Эмиссия электронов из полупроводника происходит с участием (одного или нескольких) квантованных уровней энергии электронов в приповерхностной зоне материала – в частях выступов шероховатой поверхности, обращенных к зонду.
Очевидно, положение основного пика определяется величиной ширины запрещенной зоны полупроводника и положением уровня Ферми, а также возможным начальным искривлением зон вблизи поверхности, соответствующим режиму обогащения поверхности полупроводника электронами. Оценка линейных размеров таких квантовых точек оказывается в интервале от 10 до 20 нм, что вполне согласуется с аналитическими оценками для InSb.
Квантовая точка, образованная частью выступа шероховатой поверхности полупроводника, выполняет функцию своеобразного «фильтра» для эмиссионного потока электронов из полупроводника в вакуум и далее к зонду туннельного микроскопа.
В работе [10] показано, что полученные малые значения барьеров для эмиссии из микрозерен InSb и InAs позволяют говорить о ее низкополевом характере.
Наблюдаемые для них ВАХ свидетельствуют об ограничении тока зарядом, локализованным в приповерхностном слое полупроводника.
Спецификой InSb и InAs являются очень малые значения эффективной массы m (легкие электроны, m ≈ 0,01m0) и энергии Є (<0,2 эВ) электронов. Это приводит к сравнительно большим значениям длины волны де Бройля для электрона – λ = h(2m Є)−1/2 – до 30 нм (для других полупроводников – порядка одного нанометра).
Зона действия приповерхностных локализованных состояний эмиссии должна примерно соответствовать размеру λ. Площадь эмиссионной поверхности зерна по условиям эксперимента ≈ 3 мкм2. Тогда объем размещения локализованных состояний в микрозерне v ≈ 10−13 см−3, концентрация локализованных центров эмиссии NS / v = (1017–1018) см−3, средние расстояния между центрами – (NS/v)−3 ≈ (10–30) нм.
В работе [11] продемонстрировано отступление от формулы Фаулера–Нордгейма для тока автоэмиссии из наночастиц при анализе экспериментальных данных острийных автокатодов из углеродных нанотрубок. Отмечено, что для получения при эксперименте тока величина напряжения должна быть, по крайней мере, в 10 раз больше, т. е. наблюдается не автоэлектронная эмиссия для изготовленных острийных автоэмиссионных катодов с уменьшенной высотой до субмикронных размеров, а так называемая низкополевая.
Предполагается, что одна из причин появления низкополевой эмиссии связана с уменьшением плотности электронных состояний наночастицы из-за размерного квантования спектра. Это приведет к контактной разности потенциалов между наночастицей и массивной подложкой. Заряд наночастицы тогда создаст у поверхности подложки вблизи места сочленения наночастицы с массивным основанием поле, достаточное для туннелирования электронов из него в наночастицу по вакууму. Внешнее напряжение только изменит траекторию движения эмитированных электронов.
Другая возможная модель заключается в деформации поверхностного слоя внешними электрическими силами. Деформации в таком случае могут быть усилены рычагами, составленными из наночастиц.
В работе [12] продемонстрированы возможности электростатических методов АСМ с проводящим зондом для исследования электрических характеристик поверхности полимерных материалов и изменения граничных условий на границе раздела полимер- металл.
Уменьшение толщины диэлектрической полимерной пленки приводит к ситуации, когда заряды, сосредоточенные вблизи границ контакта с металлическими электродами, начнут взаимодействовать между собой, приводя при этом к изменению формы потенциального барьера.
В работе [12] отмечено, что тонкие пленки полиариленфталидов (полимеры с широкой запрещенной зоной) с субмикронной толщиной становятся проводником тока с высокой электропроводностью, сопоставимой с проводимостью некоторых металлов, не в результате процедуры допирования, а при выполнении двух критических условий:
толщина пленок такого материала должна быть меньше определенной критической (наноразмерной), наличие инициирующего относительно малого внешнего воздействия или электрического поля.
Таким образом, размеры 20–30 нм (нанозерен, наноострий, наношероховатостей и наноостровков) являются одним из условий возникновения низкополевой эмиссии из различных полупроводниковых и полимерных материалов при наличии напряжении смещения и импульсного воздействия напряжения.
Низкополевая эмиссия фракталов
Рассмотрим результаты исследования фракталов из цепочек нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия размером 30–1 000 нм, нанесенных на полимерную нить арамида из волокон углеродных бензольных колец [13–15].
Наноостровки (нанокапли) алюминия наносили на нить арамида (араматический полиамид – типа «русар»), которая намотана на барабан и обрабатывалась в вакуумной установке магнетронного напыления алюминия на технологической установке «МИР‑2» в ООО «НИИ «Эластомерных материалов и изделий».
Для создания экспериментальных образцов использована полимерная нить длиной 30 м и диаметром 1 000 мкм, которая плотно намотана 137 витками на цилиндр (бобина–барабан) радиусом 3,5 см и длиной 13,7 см [13] для нанесения алюминия.
В процессе металлизации установлены режимы в вакуумной камере:
- скорость вращения бобины-барабана ≈5 оборотов в минуту;
- время напыления бобины-барабана с нитью ≈1–30 минут;
- сила тока в магнетроне 2,5 А.
Нить представляет собой ароматический полиамид – арамид, в котором 85% амидных связей прикреплены непосредственно к двум бензольным кольцам. Ароматическое кольцо из углерода – бензол (C6H6) обозначается в виде шестиугольника с вписанной окружностью (внешний диаметр 0,28 нм), подчеркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углеродного цикла. Цепочки из двух бензольных колец выстраиваются в волокно через соединение из хлора, а переплетение из нескольких волокон образует арамида (рис. 6, б). Следует отметить, что радиус атома алюминия: 0,143 нм (диаметр 0,286 нм).
Затем исследовались свойства образцов нитей длиной 1 см.
Фотографии полимерных нитей с цепочеками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия с размером 30–1000 нм (рис. 6b и рис. 7) сделаны на растровом электронном микроскопе CAMSCAN – S4 с энергодисперсионной и волнодисперсионной приставками: Oxford INCA Еnergy 350 и INCA Wave 700 (Саmbrige, Англия) в Центре высоких технологий ЦКП «Синхротрон» ФГУП Научно–исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» [13, 14].
Исходя из анализа изображений (рис. 7), полученных в электронном микроскопе, можно считать, что полимерная нить из волокон арамида (из углеродных бензольных колец) с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия не имеет регулярной топологии и может быть отнесена к природоподобным фракталам (алюминий обозначен – красным цветом на рис. 7а и белым цветом на рис. 7b).
Следует отметить, что в математике под фракталами понимают множества точек в евклидовом пространстве, имеющих метрическую размерность, отличную от топологической, поэтому их следует отличать от прочих геометрических фигур, ограниченных конечным числом звеньев.
Природные объекты (квазифракталы) отличаются от идеальных абстрактных фракталов неполнотой и неточностью повторений структуры.
Исследование электрических характеристик полимерных нитей проводилось после формирования индиевых контактов к полимерным нитям с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия снимались вольт–амперные характеристики (ВАХ) образцов на характериографе Л2–56. Кроме ВАХ с помощью характериограф Л2–56 оценивалось и сопротивление образца по наклону зависимости тока от напряжения. Для оценки емкости использовался измеритель LCR hewlett packard 4284А.
При измерении ВАХ на образцов с длиной 10 см и 1 см появления тока при изменении напряжения до 12 В не наблюдалось. Экспериментально установлено, что полимерная нить из волокон арамида с цепочками нерегулярных наноостровков алюминия при малых постоянных напряжениях является изолятором [13–15].
При плавной подаче высокого напряжения величиной до 1,6 кВ (в течение 1 сек) на полимерную нить с наноостровковой металлизацией алюминием пробой отсутствует.
При подаче импульсного высокого напряжения на нить ситуация изменяется – происходит электрический разряд и формируется надповерхностное высокопроводящее состояние над полимерной нитью из волокон арамида с цепочками нерегулярных наноостровков алюминия, возможно, в появившейся плазме. Экспериментально установлено, что при подаче импульса напряжения 1,6 кВ на электроды, присоединенные к полимерной нити длиной 1 см, возникает электрический разряд.
На рис. 7а видны наноостровки (нанокапли) алюминия с размером 30–1 000 нм, которые могут объединять несколько десятков – сотен углеродных бензольных колец и создавать структуры алюминий/углерод. В какой–то части такой структуры может образоваться «наноточка», в которой и сформируются условия к возникновению низкополевой эмиссии электронов из бензольных колец при импульсной подаче напряжения на полимерную нить.
Следует отметить, что расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряженности электрического поля у поверхности электродов и их формы. Для сфер, радиус которых много больше разрядного промежутка, она считается равной 30 кВ на сантиметр, а для иголок составит 10 кВ на сантиметр [3].
Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °C, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3,2 МВ/м. Развитие пробоя зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой газа. Если в однородном поле напряженность поля постоянна, то в резко неоднородном поле изменяется на несколько порядков вдоль силовой линии [3].
В работах [14, 16] приведены фотографии конусообразного разряда вдоль полимерной нити длиной 30 м с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия (рис. 8а), которая аналогична приведенной в работе [2] форме оптического излучения микропробоя на убегающих электронах высотного разряда (рис. 8b), а не на форму обычной зигзагоообразной электрической молнии над Землей.
Эксперимент и фотография электрического разряда в направлении распространения электромагнитной волны вдоль полимерной нити из волокон арамида с наноостровками алюминия (длина нити 30 м; напряжение электрического поля Е = 30 кВ/м) были сделаны на высоковольтном стенде Всероссийского электротехнического института [16]. При эксперименте установлено, что при электрическом пробое на воздухе полимерные нити с наноостровковой металлизацией алюминием не перегорают.
Можно предположить, что возникновение низкополевой эмиссии электронов на длинных волокнах соединений углеродных бензольных колец при импульсном воздействии напряжения через наноостровки (нанокапли) алюминия (при импульсном воздействии) приводит к созданию плазмы и формированию надповерхностного высопроводящего состояния (НПВПС), которое облегчает появлению высоэергетических электронов при приложенном высоком электрическом напряжении, способных заменить затравочные космические лучи.
Следует отметить, при сформировании над поверхностью нити высопроводящего состояния (НПВПС) в виде плазмы сохраняет ее и она не перегорает [13–15]. Это состояние аналогично явлению аномального роста проводимости при Е > Ес, которое в работах [1, 2] было названо «быстрым переносом заряда» при МПУЭ в высотных разрядах.
Экспериментально установлено, что пробой нити из волокон арамида с нерегулярными цепочками наноостровков алюминия в комнатных условиях составляет 1,6 кВ/см [13–15], которое даже меньше, чем необходимое для пробоя на убегающих электронах – 2,16 кВ/см [2]. Меньшее напряжение пробоя возможно повлияло на уменьшить длины экспоненциального нарастания лавины убегающих электронов с теоретической длины 50 м [2] до 30 м при давлении 1 атм [15, 16]. Для справки, при давлении 1 атм пороговое поле для обычного пробоя составляет 23–30 кВ/см [2, 3].
В работах [13–15] показано, что нити из волокон арамида с наноостровками алюминия размером 10–1 000 нм могут обладать свойствами метаматериалов и оценка значения плазменной частота для исследуемого метаматериала составляет 1–10 ТГц.
Можно предположить, что сформированные метаматериалы из фракталов из наноостровков алюминия нити из волокон арамида являются источником высокоэнергетических затравочных быстрых электронов для реализации пробоя на убегающих электронах в лабораторных условиях при длине нити 30 м и напряженности электрического поля 30 кВ/м.
Выводы по части 2
Гипотетически можно предположить, что при подаче импульсного высокого напряжения полимерная нить из волокон арамида, состоящей из бензольных колец углерода, с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия (размером 10–100 нм) происходит микропробой фрактала через плазму, образованную при низкополевой эмиссии электронов, с формированием надповерхностного высокопроводящего состояния (НПВПС) над полимерной нитью.
Экспериментально установлено, что микропробой фрактала с нерегулярными цепочками наноостровков алюминия на нитях из волокон арамида равен 1,6 кВ/см (в комнатных условиях), который по величине меньше, чем расчетное значение для микропробоя на убегающих электронах, равное 2,16 кВ/см. Таким образом, для изготовления источника высокоэнергетических затравочных быстрых электронов и реализации пробоя на убегающих электронах достаточно использовать нить с фракталами наноостровков (нанокапель) алюминия длинной 30–50 м.
Фронт волны распространения высотных разрядов в виде конуса, направленного к источнику космических излучений, возможно осуществить только на фракталах из метаматериалов (имеющих отрицательные диэлектрическую и магнитную постоянные), например, нанокапель алюминия на поверхности полимерных нитей из волокон углеродных бензольных колец. Оценка значения плазменной частоты для разработанного метаматериала составляет 1–10 ТГц.
Фотография конусообразного микропробоя фрактала из наноостровков (нанокапель) алюминия вдоль полимерной нитью длиной 30 м аналогична по форме оптическому излучению микропробоя на убегающих электронах высотного разряда.
Кроме того, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы высотные разряды отличаются по цвету оптического свечения на разной высоте из-за разного типа фракталов, в которых происходит МПУЭ: «Красные эльфы» («Red Sprite») происходят в метасреде, а «Синие джеты» («Blue Jet») в обычной среде. В результате, МПУЭ отличаются направлениям конуса свечения по отношению к потоку затравочных космических частиц при МПУЭ, т. е. эффект Допплера будет «обращенным» для «Красных эльфов» на фракталах из метаматериалов.
Следует подчеркнуть, что однозначная связь высотных разрядов с мощными импульсами оптического и рентгеновского излучений является в настоящий момент лишь гипотезой, хотя и весьма правдоподобной. Данные о прямых и одновременных наблюдениях оптического и рентгеновского излучений высотных разрядов пока отсутствуют.
Использование разработанных фракталов с цепочками нерегулярных наноостровков (нанокапель) алюминия на полимерной нити из волокон арамида (на основе ароматических колец углерода – бензол) позволяет провести исследования одновременно оптического и рентгеновского излучений в лабораторных условиях на поверхности Земли.
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.
Veselago V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Sov. Phys. Usp. 1968;10:509–514. DOI: 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699
Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ. Успехи физических наук. 1967; 92(7):517–526. DOI: 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517.
Dement’ev A.N., ZHukov A.O., Il’kov V.K., Skrynskij V. R. Metamaterialy v radioelektronike: ot issledovanij k razrabotkam. /Pod red. P. P. Mal’cev. – M.: Tekhnosfera. 2023. – 248s.
Дементьев А. Н., Жуков А. О., Ильков В. К., Скрынский В. Р. Метаматериалы в радиоэлектронике: от исследований к разработкам. /Под ред. П. П. Мальцев. – М.: Техносфера. 2023. – 248с.
Gluhovskoj E. G., ZHukov N. D. Protekanie toka v avtoemissionnom nanokontakte metall–poluprovodnik. Prikladnaya fizika. 2015; 3:5–9.
Глуховской Е. Г., Жуков Н. Д. Протекание тока в автоэмиссионном наноконтакте металл–полупроводник. Прикладная физика. 2015; 3:5–9.
Mihajlov A. I., Kabanov V. F., ZHukov N. D. Osobennosti avtoelektronnoj emissii iz submikronnyh vystupov sherohovatoj poverhnosti antimonida indiya. Pis’ma v ZHTF. 2015; 41(12):8–14.
Михайлов А. И., Кабанов В. Ф., Жуков Н. Д. Особенности автоэлектронной эмиссии из субмикронных выступов шероховатой поверхности антимонида индия. Письма в ЖТФ. 2015; 41(12):8–14.
Stecenko B. V. Otstuplenie ot formuly Faulera–Nordgejma dlya toka avtoemissii iz nanochastic. ZHurnal tekhnicheskoj fiziki. 2011; 81(4):152–154.
Стеценко Б. В. Отступление от формулы Фаулера–Нордгейма для тока автоэмиссии из наночастиц. Журнал технической физики. 2011;81(4):152–154.
Gadiev R. M., Lachinov A. N., Kornilov V. M. et al. Anomal’no vysokaya provodimost’ vdol’ interfejsa dvuh polimernyh dielektrikov. Pis’ma v ZHETF. 2009;90(11): 821–825.
Гадиев Р. М., Лачинов А. Н., Корнилов В. М. и др. Аномально высокая проводимость вдоль интерфейса двух полимерных диэлектриков. Письма в ЖЭТФ. 2009;90(11): 821–825.
Maltsev P. P., Ganzha A. A., Pavlov V.Yu., Mikhalev A. O., Kozlitin A. I. Formation of Polymer Threads with Nanoscale Aluminum Formations. Nanobiotechnology Reports. 2022; 17(7): S15–S17. Pleiades Publishing, Ltd., 2022.
Maltsev P. P., Ganzha A. A., Pavlov V.Yu., Mikhalev A. O., Kozlitin A. I. Formation of Polymer Threads with a Nanosized Aluminum Topology. Russian Microelectronics. 2023; 52(4): 312–316. Pleiades Publishing, Ltd., 2023.
Mal’cev P.P., Ganzha A. A., Pavlov V.YU., Mihalev A. O., Kozlitin A. I., Sarajkin V. V. Ocenka znachenij radial’noj plazmennoj chastoty dlya polimernoj niti s nanoostrovkami alyuminiya. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2024; 26(1.): 25–32.
Мальцев П. П., Ганжа А. А., Павлов В. Ю., Михалев А. О., Козлитин А. И., Сарайкин В. В. Оценка значений радиальной плазменной частоты для полимерной нити с наноостровками алюминия. Нано- и микросистемная техника. 2024; 26(1.): 25–32.
Ganzha A. A. Issledovaniya atmosfernogo elektrichestva s pomoshch’yu kvantovo–strukturnyh nitej. Materialy XVIII Vserossijskoj Otkrytoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem «Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa». 16–20 noyabrya. 2020. IKI RAN. 2020. S. 145. DOI 10.21046/18DZZconf‑2020a.
Ганжа А. А. Исследования атмосферного электричества с помощью квантово–структурных нитей. Материалы XVIII Всероссийской Открытой конференции с международным участием «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 16–20 ноября. 2020. ИКИ РАН. 2020. С. 145. DOI 10.21046/18DZZconf‑2020a.
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.
AUTHOR
Maltsev Petr P., Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, V. G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics of the Russian Academy of Sciences (IUHFSE RAS), Moscow, Russia.
Отзывы читателей
