В лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН заработала экспериментальная установка, позволяющая исследовать процессы образования длинной искры в воздухе – наиболее близкого аналога допробойной фазы грозового разряда. Эксперименты на новой установке проводятся в соответствии с положениями теории пробоя на убегающих электронах, разрабатываемой академиком Александром Гуревичем.

Электрические поля вблизи грозовых облаков существенно меньше, чем необходимо для электрического разряда в соответствии с теорией разряда в газах. Но молнии, тем не менее, зарождаются. Кроме того, во время грозы наблюдаются мощные вспышки рентгеновского излучения.

Эти факты могут быть объяснены явлением пробоя на убегающих (высокоэнергетических) электронах (ПУЭ). В основе явления лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом. Убегающий электрон движется с такой высокой скоростью, что среда для него становится как бы прозрачной. Он ускоряется электрическим полем и благодаря столкновениям со своими «собратьями» вызывает целый каскад вторичных убегающих электронов, которые также ускоряются полем. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов. Это приводит к быстрому росту электропроводности среды и последующему пробою. Серия полевых экспериментов на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН в общем виде такой механизм развития грозового разряда подтверждает. Теперь дело за лабораторным экспериментом.

Экспериментальная установка для моделирования аналога высотного атмосферного разряда создана сотрудниками Физического института РАН и Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) на базе электронного релятивистского генератора, включающего в себя генератор импульсных напряжений.

Исходная задача – ***получать микросекундный импульс напряжения порядка мегавольта на воздушном промежутке около одного метра – выполнена**. В сегодняшней конфигурации установки (а она постоянно совершенствуется) можно «стрелять» импульсами 1,2 МВ с зазором в осевом направлении до 750 мм.

В эксперименте используется большое количество различных диагностик, позволяющих исследовать все фазы разряда, из которых самая интересная для исследователей – это начальная, так как именно там может происходить процесс убегания электронов. Когда зазор достаточно велик, основного разряда еще нет (тока в этот момент практически нет), но есть импульсы рентгеновского излучения. В воздушном промежутке создается квазиоднородное поле и в момент импульса, когда напряжение на зазоре нарастает, но процесс еще находится в предпробойной фазе, – «ловится» убегающий электрон. И таких «выстрелов» производится до тридцати в день.

Говорит старший научный сотрудник лаборатория проблем новых ускорителей ФИАН, кандидат физико-математических наук Александр Огинов:

«Измеряется сразу несколько различных параметров, ведь каждый “выстрел“ – это более десятка осциллографируемых сигналов с детекторов излучений. И это помимо измерения токов, напряжений… Наша задача – смоделировать не молнию, так как это многостадийный процесс, а ее начальный, то есть предпробойный этап, этап зарождения. При этом электроны регистрируются не непосредственно по току, а косвенно – электрон тормозится в воздухе и дает вспышку рентгеновского тормозного излучения, которая регистрируется рентгеновскими датчиками».

А совсем недавно заработала система оптической диагностики, включающая сверхскоростную камеру, собранную сотрудниками ФИАН на базе электронно-оптических преобразователей. Эта пятикадровая система позволит фиксировать фазы процесса уже с наносекундной экспозицией и наносекундными интервалами между кадрами.

«Сейчас идет этап накопления экспериментальных данных, но уже получено много новых интересных результатов. В планах – получить не статистический, а динамический эффект, то есть не ждать появления затравочного электрона, а научиться создавать его. И тогда, инжектируя затравочный пучок электронов, надеюсь, мы однозначно обнаружим усиление. И тем самым подтвердим возможность осуществления пробоя на убегающих электронах в соответствии с выводами теории», – констатирует Александр Огинов.