Томские ученые экспериментально зарегистрировали пучок убегающих электронов из аналогов красных спрайтов
В Институте сильноточной электроники СО РАН в смоделированных на лабораторной установке условиях для изучения свойств красных спрайтов зафиксировали пучок убегающих электронов, процесс генерации которых длится лишь миллиардную долю секунды. Результаты, опубликованные в журнале «Письма в журнал технической физики», важны для понимания процесса образования красных спрайтов в атмосфере, а также для обеспечения стабильной связи и безопасности высотных летательных аппаратов. Исследования выполняются при поддержке РНФ (проект № 24-29-00166).
– Нашим научным коллективом накоплен значительный опыт исследования убегающих электронов, мы в 2003 году стали первыми, кто после работ ученых из Сарова экспериментально подтвердил их генерацию в воздухе атмосферного давления при электрическом разряде. Благодаря пониманию специфики условий их образования и достижениям в области разработки научного экспериментального оборудования стало возможным смоделировать в лабораторных условиях возникновение красных спрайтов и зафиксировать убегающие электроны. Это очень важно, так как их изучение в природе весьма затруднительно из-за больших высот, – рассказал руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН профессор Виктор Тарасенко.
Следует пояснить, что убегающие электроны – это электроны, ускоряемые внешним электрическим полем, которые при движении в газе набирают энергию между столкновениями бóльшую, чем теряют в столкновениях. Это происходит потому, что при энергиях электронов более единиц килоэлектронвольт потери их энергии при столкновениях с частицами газа монотонно убывают с увеличением скорости электронов. Соответственно, энергия электронов начинает быстро возрастать, и они разгоняются до больших энергий.
Чтобы «поймать» убегающие электроны в ходе эксперимента, исследователи создали специальную установку, позволяющую генерировать пучки убегающих электронов из плазмы без применения металлических электродов. Таким образом были максимально точно воспроизведены условия образования красных спрайтов, которые начинаются и заканчиваются в атмосфере, а значит, не имеют контакта с земной поверхностью. Установка состоит из генератора высокоточных импульсов, формирующего в кварцевой трубке, заполненной воздухом низкого давления, плазму емкостного разряда. При этом, электроды располагались на внешней поверхности трубки и не имели контакта с плазмой, от которой инициировались стримеры, образующие плазменные диффузные струи – аналоги красных столбчатых спрайтов. Для регистрации пучка убегающих электронов на правом торце кварцевой трубки был установлен коллектор с субнаносекундным временным разрешением.
Полученные результаты важны для понимания природы стримерного пробоя в красных столбчатых спрайтах – процесса, при котором в верхних слоях атмосферы Земли возникают состоящие из нескольких струй разряды, распространяющиеся как вниз, к поверхности Земли (положительный стример), так и вверх (отрицательный стример).
– После прохождения фронтом плазмы положительного стримера загорается яркая область, называемая «глоу», имеющая в верхней части высокое электрическое поле. Появляющиеся на этом этапе убегающие электроны влияют на формирование направленного вверх отрицательного стримера, – подчеркнул Виктор Федотович.
В ходе реализации гранта ученые, прежде всего участники проекта старший научный сотрудник Е.Х. Бакшт и аспирант Н.П. Виноградов, исследовали всю совокупность параметров плазмы (спектры излучения, скорость распространения стримера, и др.), необходимых для возникновения красных спрайтов. Полученные данные по распространению стримеров совпали с расчетами теоретиков А.В. Козырева и А.С. Коковина, участвующих в реализации данного гранта, а также с результатами атмосферных исследований. Сейчас в лаборатории продолжаются работы по моделированию красных спрайтов, для этого используются разные варианты длины и диаметра кварцевых трубок. Кроме этого, ученые из ИСЭ СО РАН участвуют в гранте, реализуемом их коллегами из Полярного геофизического института в Мурманске; он направлен на изучение атмосферных явлений, в том числе северного сияния.
На фото: г.н.с. лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН доктор физико-математических наук Виктор Тарасенко и аспирант Никита Виноградов; кварцевая трубка, в которой формируется плазма емкостного разряда; красный спрайт в атмосфере (Frankie Lucena)
© Пресс-служба ТНЦ СО РАН
