научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 1, с. 5-15

ИССЛЕДОВАНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ

УДК 537.52

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

© 2004 г. Л. П. Бабич*, К. И. Бахов*, В. А. Балакин*, Е. Н. Донской*, Н. И. Завада*, К. Ф. Зеленский*, Р. И. Илькаев*, И. М. Куцык*, Т. В. Лойко*, Ю. М. Недойкаш*, Н. Г. Павловская*, Р. А. Ршссель-Дшпре**, Е. М. Цышбалистыш**, Б. Н. Шамраев*

*Российский федеральный ядерный центр ВНИИЭФ, г. Саров **Лос-Аламосская национальная лаборатория (ЛАНЛ), Лос-Аламос, США Поступила в редакцию 26.11.2002 г.

Для исследования развития лавин релятивистских убегающих электронов проведен эксперимент, аналогичный классическому эксперименту Таунсенда, но в релятивистской области энергий. Создано крупномасштабное лабораторное устройство на рабочее напряжение до 1.2 МВ, представляющее собой камеру с плоскими электродами, разделенными секционированным изолятором. Разработан чувствительный коллекторный метод анализа спектров высокоэнергетичных электронов, примененный в детекторах электронов с большой поверхностью сбора. Исследовано размножение релятивистских электронов в воздухе при напряжениях до 1.0 МВ. Впервые реализована начальная стадия релятивистской электронной лавины. Результаты измерений согласуются с результатами численного моделирования методом Монте-Карло.

ВВЕДЕНИЕ

Над крупномасштабными системами грозовых облаков в объемах ~1000 км3 неоднократно наблюдались высотные оптические явления, получившие название "голубых струй" (Blue Jets) и "красных духов" (Red Sprites) [1-6], которые связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). С ними коррелируют необычайно мощные короткие импульсы радиоизлучения [7-8]. Грозовые поля усиливают проникающее излучение в атмосфере на несколько порядков [9-12]. Для интерпретации этих явлений предложен механизм, основанный на концепции о лавине релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ) [13-15]. Этот механизм представляется единственным, способным единообразно объяснить всю совокупность электромагнитных явлений, поскольку ВАР могут развиваться в довольно слабом, недостаточном для обычного пробоя воздуха электрическом поле над грозовыми облаками только благодаря усилению потока релятивистских электронов. По физике ВАР опубликован ряд теоретических работ, в том числе в рамках идеи о ЛРУЭ (например, [13-24]). Для развития теории и адекватной трактовки данных полевых измерений необходимо знание характерной длины усиления ЛРУЭ в e раз le или соответствующего временного масштаба te = le/с, где с - скорость света. Величина te рассчитывалась в работах [13, 25-30], точность результатов которых постепенно повышалась, так что в настоящее время te определена

достаточно точно [29, 30]. Для прямого изучения ЛРУЭ во ВНИИЭФ в сотрудничестве с ЛАНЛ выполняется лабораторный эксперимент, в котором впервые наблюдалась начальная стадия развития лавины в релятивистской области энергий при атмосферном давлении. Ниже излагаются результаты этого исследования, полученные к настоящему времени.

Эксперимент

Предварительные соображения. Поскольку планировалось реализовать процесс, характерный для грозовых полей, то условия эксперимента (напряженность поля, плотность воздуха) не должны были существенно отличаться от условий над грозовыми облаками. Пространственное ограничение является основным недостатком любого лабораторного эксперимента, так как величина 1е в довольно слабом поле облака столь велика [2630], что непросто выбрать соответствующую по размерам конфигурацию лабораторного эксперимента. Вначале предполагалось выполнить эксперимент, подобный классическому эксперименту Таунсенда по размножению электронов, эмитированных катодом с энергиями вблизи порога ионизации, по мере их прохождения через газовый промежуток с внешним электрическим полем (газовое усиление) [31]. В отличие от лавин Таунсенда, включающих электроны всех энергий, усиление ЛРУЭ происходит только за счет электронов с энергиями выше порога убегания

Таблица 1. Характеристики ЛРУЭ для различных перенапряжений 5

5 иарр1, МВ ей, кэВ 1е, нс 1е = ае, м

2 0.44 650 190 57

5 1.10 120 34.3 10.3

8 1.74 65 17.8 5.34

£(Ь. Первоначальный замысел эксперимента по газовому усилению потока релятивистских электронов заключался в том, чтобы, инжектируя импульс N(0) первичных электронов с энергиями, превышающими еш, в воздушный промежуток длиной Ь между плоскими электродами с достаточно сильным полем, на выходе из промежутка измерить число релятивистских электронов Йе(Ь) или относительного увеличения их числа, что позволило бы получить длину усиления ЛРУЭ 1е. Проведение такого эксперимента в лабораторных условиях является предельно сложной задачей вследствие неизбежной наработки огромного числа электронов с энергиями ниже порога убегания £1Ь, необходимости выделения на их фоне высо-коэнергетичных электронов в надпороговой области и учета ухода последних из области ускорения из-за рассеяния на воздухе, а также необходимости измерения малых величин, электромагнитных наводок и т.п. Поэтому от прямого измерения усиления потока релятивистских электронов пришлось отказаться.

В реальных условиях лабораторного эксперимента длина 1е равна десяти и более метрам [2630]. В табл. 1 приведены порог убегания еш для движения электронов вдоль электрической силы, время 1е и длина 1е для трех значений перенапряжения 5 = еЕ/Р^ относительно релятивистского минимума силы трения (Р^/Р = 2.18 кэВ/(см атм)) электронов в воздухе при Р = 1 атм. Расчеты выполнены методом Монте-Карло по программе ЭЛИЗА, учитывающей все многообразие взаимодействий электронов, позитронов и фотонов с веществом [32]. При этом была устранена некорректность, допущенная при учете поля, которая присутствовала в работах [26, 27, 29, 30]. Новые значения 1е, приведенные в табл. 1, близки к результатам, полученным с помощью других методик, использующих кинетическое уравнение и упрощенную программу Монте-Карло [29, 30]. В воздушном промежутке длиной Ь ~ 1 м, близкой к длине ускорительной камеры в настоящем эксперименте, при Р = 1 атм выбранным значениям 5 соответствуют напряжения Парр1, приведенные в табл. 1.

На начальном участке траекторий (<Ь) инжектированные электроны делятся на тормозящиеся (термализующиеся) и ускоряющиеся (убе-

гающие) [27]. Отношение вероятностей термали-зации и убегания зависит от начальной энергии инжектированного электрона е1ц|, причем вероятность термализации уменьшается с ростом е^. Расчеты показали, что отношение чисел первичных (инжектированных) и вторичных убегающих электронов (е > е(Ь) практически не является функцией энергии е^ высокоэнергетичных инжектированных электронов [27], так как начиная с е^ > (3-4)е1Ь вероятность рождения на единице длины траектории вторичного электрона в области е > ей(5) слабо зависит от энергии первичных электронов. Это обстоятельство существенно снижает требование к точности измерений энергетического спектра инжектируемых электронов. Важным следствием является то, что вторичные убегающие электроны довольно однородно распределены в интервале от еш до -е^ + + (еПарр1 - РтшЬ), что подтверждается видом спектров [33], рассчитанных по программе ЭЛИЗА. Верхнюю границу энергии первичных электронов, достигающих анода разрядной камеры, можно оценить следующим образом:

ер (еи , Ь)

°шах V0 ^ арр1> '-')

'-'шах ^ ^ арр1 шт

Ь,

где еш;х - максимальная энергия электронов, генерируемых инжектором. Минимальная энергия убегающих первичных электронов оценивается как

рр (сП , Ь)

шах аррр1

ь(5) + еПарр1 рш1пЬ •

' аррр1> / ~ саЛ с и арр1 '

Слабое перекрытие спектров первичных (инжектированных) и вторичных высокоэнергетичных электронов, к тому же уменьшающееся с ростом 5, - еще одно важное обстоятельство, в принципе позволяющее по результатам эксперимента оценить усиление лавины. Однако по изложенным выше причинам пришлось отказаться от прямых измерений 1е и ограничиться экспериментами, свидетельствующими о реализации самого процесса лавинного размножения релятивистских электронов. В основе таких экспериментов лежит то обстоятельство, что в процессе лавинного размножения релятивистских убегающих электронов не только растет их число, но также меняется распределение по энергиям в надпороговой области. Под действием ускоряющего поля спектр первичных электронов сдвигается в область высоких энергий, в нижней части которой (>е1Ь) появляется низкое протяженное плато распределения вторичных электронов [33]. Задачами данного эксперимента являлись поиск и реализация таких методов регистрации, которые учитывали бы указанные особенности спектра электронов в диапазоне энергий выше ей. Подтверждение лавинного размножения релятивистских электронов в плотной газовой среде в полях ниже пороговой величины, необходимой для обычного пробоя, выполнено

9

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - генератор импульсов напряжения (ГИН), 2 - разрядная индуктивность, 3 - нагрузочная емкость, 4 - делитель напряжения, 5 - градиентные кольца, 6 - высоковольтный электрод, 7 - заземленный электрод, 8 - инжектор электронов, 9 - детекторы, 10 - ограничивающее сопротивление, 11 - емкость высоковольтного электрода относительно земли, 12 - ускорительная камера (ПФС).

путем сравнения результатов измерений с результатами, полученными численным моделированием.

Постановка и методика эксперимента. Экспериментальная установка включает следующие устройства и системы: 1 - полеформирующую систему (ПФС) и моделирующую среду вблизи грозового облака; 2 - ускоритель-инжектор наносе-кундных импульсов релятивистских электронов; 3 - высоковольтный источник питания ПФС; 4 -систему запуска и синхронизации.

ПФС представляет собой ускорительную камеру конической формы с плоскими электродами. Электроды изолированы полым изолятором, секционированным градиентными кольцами (рис. 1). Для обеспечения однородности электрического поля кольца соединены резисторами, принудительно распределяющими потенциал вдоль изолятора. Диаметр верхнего электрода, находящегося под высоким потенциалом, равен 0.6 м, а нижнего, заземлен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком