Отримано нові дані про генерацію рентгенівського випромінювання лабораторними атмосферними розрядами.

Робота опублікована в Physical Review E. Рентгенівське випромінювання, що виникає під час високовольтних розрядів в повітрі, було предметом дослідження протягом багатьох років. Це явище спостерігається як у коротких, так і в довгих розрядах, а також під час гроз в атмосфері Землі. Незважаючи на значну кількість досліджень, механізми, відповідальні за генерацію рентгенівського випромінювання в умовах атмосферних розрядів, досі залишаються незрозумілими. Раніше було встановлено, що спалахи рентгенівського випромінювання реєструються під час взаємодії різних плазмових структур у розряді – зустрічних стримерів або стримерних корон протилежної полярності. Однак конкретні механізми генерації рентгенівського випромінювання все ще потребують подальшого вивчення.

Метою нещодавнього дослідження російських фізиків було отримання всебічних даних про просторові, часові та спектральні характеристики рентгенівських випромінювань у периферійній області розряду, ініційованого при напругах до 1 МВ в відкритих повітряних проміжках довжиною 55 сантиметрів. Вчені прагнули встановити основні закономірності у виникненні спалахів рентгенівського випромінювання, що реєструються в процесі розвитку розряду, та локалізувати просторові області розряду, відповідальні за їх генерацію.

Експерименти проводилися з використанням високовольтних імпульсів, які мали час наростання близько 200 наносекунд і загальну тривалість порядку однієї мікросекунди. Розрядний проміжок був сконструйований з катодом типу «голка-всередині-конуса» і полусферичним анодом з дротяної сітки. Параметри установки забезпечували стабільні умови для спостереження емісій рентгенівського випромінювання.

Для точного вимірювання напруги та струму розряду використовувалися високочутливі електрофізичні пристрої з часовим розділенням на рівні кількох наносекунд. Важливим інструментом досліджень також були шість сцинтиляційних рентгенівських детекторів SD1-SD6, що дозволяють фіксувати спалахи рентгенівського випромінювання в процесі розряду. Кожен детектор був оснащений пластиковим сцинтилятором (p-terphenyl+POPOP), з'єднаним з фотоелектронним множником з високою чутливістю та часовим розділенням на рівні 3 нс, надійно екранованим від електромагнітних перешкод і додатково розміщувався всередині свинцевої труби товщиною один сантиметр для підвищення точності реєстрації рентгенівських випромінювань.

Для аналізу спалахів рентгенівського випромінювання з конкретних зон розряду на кінцях свинцевих труб були встановлені круглі свинцеві діафрагми товщиною один сантиметр. Це дозволяло кожному детектору охопити незалежні кругові області розряду, що сприяло більш детальному вивченню просторових характеристик рентгенівського випромінювання. У деяких експериментах використовувалися детектори без діафрагм, що розширювало поле зору і дозволяло фіксувати більш широкий енергетичний спектр випромінювання.

В ході експериментів застосовувалися металеві фільтри поглинання, які забезпечували 100-кратне ослаблення потоку фотонів з різними енергіями. Це дало можливість дослідникам більш точно аналізувати енергетичний спектр рентгенівського випромінювання та його просторово-часові характеристики. На додаток до збору детекторів SD1-SD6 дослідники залучили збірку детекторів SD1*, SD2*, SD3* з широкою апертурою, розташованих близько один до одного. Кожен з детекторів був закритий індивідуальним металевим фільтром. Конкретно, використовувалися фільтри з алюмінію товщиною три міліметри та свинця товщиною сім і 10 міліметрів. Збірка детекторів SD1*-SD3* дозволяла визначити тимчасовий характер генерації фотонів з високими та низькими енергіями під час одиничної спалаху рентгенівського випромінювання.

На додаток до основних зборів рентгенівських детекторів використовувався ще один рентгенівський детектор (SD), що має високу чутливість та широку апертуру. У даному детекторі фотоелектронний множник був з'єднаний з прямокутним сцинтилятором. Вся поверхня сцинтилятора була покрита алюмінієвою фольгою товщиною 10 мкм, захищеною світонепроникним папером. Детектор не був поміщений у свинцеву трубу, тоді як його велика робоча поверхня дозволяла захоплювати більше рентгенівських фотонів з різними енергіями на відміну від представлених вище зборів детекторів. Високочутливий детектор SD використовувався в першу чергу для реєстрації самого раннього моменту часу, пов'язаного з появою найперших спалахів рентгенівського випромінювання в розряді, і доповнював ключові збори детекторів.

В ході експериментів вдалося показати, що протягом усієї довжини розрядного проміжку переважає емісія фотонів з енергіями від п'яти до 17 кеВ. При цьому генерація фотонів з енергією в сотні кеВ (але не вище 300 кеВ) характерна для катодної, прикатодної, анодної та близькоанодної областей розряду, тоді як приблизно в середині розрядного проміжку (вдалині від обох електродів) спостерігаються переважно низькоенергетичні фотони.

«Наше дослідження надає нові експериментальні дані, які можуть допомогти в розумінні механізмів генерації рентгенівських випромінювань під час природних грозових розрядів в атмосфері Землі», - зазначив Ярослав Болотов, асистент Фізтех-кластера академічної та наукової кар'єри МФТІ. - «Зокрема, нам вдалося встановити наявність тимчасових затримок між початком емісії низькоенергетичних і високоенергетичних фотонів в одиничних спалахах рентгенівського випромінювання, що може вказувати на складний колективний механізм їх генерації в умовах розвинутої плазмової системи».

«Використовуючи наносекундну візуалізацію динаміки розвитку плазмових структур розряду вдалося показати, що генерація рентгенівського випромінювання може починатися практично синхронно вздовж всього розрядного проміжку, через десятки наносекунд після перших актів взаємодії зустрічних стримерів, що ростуть з анода, з катодом.

Найперші спалахи рентгенівського випромінювання спостерігаються на стадії розвитку розряду, коли в проміжку вже сформована складна мережа численних плазмових каналів, а предпробійний струм і напруга розряду складають