Релятивистская лавина убегающих электронов

Лавина релятивистских убегающих электронов ( RREA ) — это лавинный рост популяции релятивистских электронов, проходящих через материал (обычно воздух) электрическим полем. Было высказано предположение, что RREA связан с молнии . возникновением ^{[ 1 ]} земные гамма-вспышки , ^{[ 2 ]} спрайт молния , ^{[ 3 ]} и стимулировать развитие. ^{[ 4 ]} Уникальность РРЭА заключается в том, что он может возникать в электрических полях, на порядок меньших диэлектрической прочности материала.

Механизм

Когда к материалу приложено электрическое поле, свободные электроны будут медленно дрейфовать через материал, как это описывается подвижностью электронов . Для электронов низкой энергии более высокие скорости дрейфа приводят к большему взаимодействию с окружающими частицами. Эти взаимодействия создают форму трения , которое замедляет движение электронов. Таким образом, в случаях низких энергий скорости электронов имеют тенденцию стабилизироваться.

При более высоких энергиях, примерно выше 100 кэВ , эти столкновения становятся менее распространенными по мере увеличения средней длины свободного пробега электрона. Таким образом, эти электроны с более высокой энергией испытывают меньшую силу трения по мере увеличения их скорости. В присутствии того же электрического поля эти электроны продолжат ускоряться, «убегая».

Когда убегающие электроны получают энергию от электрического поля, они иногда сталкиваются с атомами материала, отбивая вторичные электроны. Если вторичные электроны также обладают достаточно высокой энергией, чтобы убежать, они тоже ускоряются до высоких энергий, производят новые вторичные электроны и т. д. Таким образом, общее количество энергичных электронов лавинообразно растет экспоненциально.

Функция динамического трения, показанная на рисунке, учитывает только потери энергии за счет неупругих столкновений и имеет минимум ~216 кэВ/см при энергии электронов ~1,23 МэВ. Однако более полезные пороги должны включать также эффекты, связанные с потерей импульса электронов из-за упругих столкновений. В этом случае аналитическая оценка ^{[ 5 ]} дает порог убегания ~282 кэВ/см, который возникает при энергии электронов ~7 МэВ. Этот результат примерно согласуется с числами, полученными в результате моделирования Монте-Карло, ~ 284 кэВ/см. ^{[ 6 ]} и 10 МэВ, ^{[ 7 ]} соответственно.

Посев

Вышеописанный механизм RREA описывает только рост лавины. Для начала процесса необходим первоначальный энергичный электрон. В окружающем воздухе такие энергичные электроны обычно происходят от космических лучей . ^{[ 8 ]} В очень сильных электрических полях, превышающих максимальную силу трения, испытываемую электронами, даже низкоэнергетические («холодные» или «тепловые») электроны могут ускоряться до релятивистских энергий — процесс, получивший название «тепловой угон». ^{[ 9 ]}

Обратная связь

Лавины RREA обычно движутся против направления электрического поля. Таким образом, после выхода лавин из области электрического поля доминируют силы трения, электроны теряют энергию и процесс останавливается. Однако существует вероятность того, что фотоны или позитроны, созданные лавиной, вернутся туда, где началась лавина, и смогут дать новые семена для второго поколения лавин. Если область электрического поля достаточно велика, то количество лавин второго поколения превысит количество лавин первого поколения, а само число лавин вырастет в геометрической прогрессии. Эта лавина лавин может производить чрезвычайно большие популяции энергичных электронов. Этот процесс в конечном итоге приводит к затуханию электрического поля ниже уровня, при котором возможна обратная связь, и, следовательно, действует как предел крупномасштабной напряженности электрического поля. ^{[ 6 ]}

Эффекты RREA

Большая популяция энергичных электронов, образующихся в RREA, будет производить соответственно большую популяцию энергичных фотонов за счет тормозного излучения . Эти фотоны предполагаются источником земных гамма-вспышек . Крупные события RREA во время гроз также могут привести к редким, но большим дозам радиации на рейсах коммерческих авиакомпаний. ^{[ 10 ]} Американский физик Джозеф Дуайер термин « темная молния ». придумал для этого явления ^{[ 11 ]} что до сих пор является предметом исследования. ^{[ 12 ]}

Ссылки

^ Гуревич А.В., Зыбин КП (2005). Беглый пробой и тайны молний. Физика сегодня, 58 (5), 37. дои : 10.1063/1.1995746 .
^ Дуайер, младший, и Смит, DM (2005). Сравнение моделирования безудержного пробоя методом Монте-Карло и наблюдений земных гамма-вспышек . Письма о геофизических исследованиях, 32(22), L22804. два : 10.1029/2005GL023848 .
^ Лехтинен, Н.Г., Белл, Т.Ф. и Инан, США (1999). Моделирование методом Монте-Карло распада убегающих МэВ-электронов с применением к красным спрайтам и земным вспышкам гамма-излучения. Журнал геофизических исследований, 104 (A11), 24699-24712. дои : 10.1029/1999JA900335 .
^ Бетц, Х.Д., Шуман, У., и Ларош, П. (ред.). (2009). Молния: принципы, инструменты и приложения. Спрингер Верлаг, гл. 15.
^ Лехтинен, Николас; Истгаард, Николас (2021). «Рентгеновское излучение в многомасштабной жидкостной модели стримерного разряда» . Атмосфера . 123 (12): 6935–6 дои : 10.3390/atmos12121664 . HDL : 11250/2977612 .
^ Jump up to: ^а ^б Дуайер, младший (2003). Фундаментальный предел электрических полей в воздухе. Письма о геофизических исследованиях, 30 (20), 2055. два : 10.1029/2003GL017781 .
^ Бабич, Л.П.; Донской, ЕН; ИльКаев, Р.И.; Куцык, И.М.; Руссель-Дюпре, РА (2004). «Фундаментальные параметры лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе». Отчеты по физике плазмы . 30 (7): 616–624. Бибкод : 2004PlPhR..30..616B . дои : 10.1134/1.1778437 .
^ Карлсон, Б.Е., Лехтинен, Н.Г., и Инан, США (2008). Лавина убегающих релятивистских электронов, засевающая атмосферу Земли. Журнал геофизических исследований, 113(A10), A10307. два : 10.1029/2008JA013210 .
^ Колман, Дж. Дж., Руссель-Дюпре, Р. А., и Триплетт, Л. (2010). Временно-автомодельные функции распределения электронов при пробое атмосферы: режим теплового убегания. Журнал геофизических исследований, 115, 1-17. два : 10.1029/2009JA014509 .
^ Дуайер, Дж.Р., Смит, Д.М., Уман, М.А., Салех, З., Грефенстетт, Б.В., Хейзелтон, Б.Дж. и др. (2010). Оценка флюенса всплесков высокоэнергетических электронов, создаваемых грозовыми облаками, и получаемых в результате доз радиации, получаемых самолетами. Журнал геофизических исследований, 115(D9), D09206. дои : 10.1029/2009JD012039 .
^ «Тёмная молния» . Текущее телевидение . Проверено 9 апреля 2012 г.
^ Амато, Иван. «Грозы содержат «темные молнии», невидимые импульсы мощного излучения» . Вашингтон Пост . Проверено 9 апреля 2012 г.

[Gurevich2005-1] Гуревич А.В., Зыбин КП (2005). Беглый пробой и тайны молний. Физика сегодня, 58 (5), 37. дои : 10.1063/1.1995746 .

[Dwyer2005-2] Дуайер, младший, и Смит, DM (2005). Сравнение моделирования безудержного пробоя методом Монте-Карло и наблюдений земных гамма-вспышек . Письма о геофизических исследованиях, 32(22), L22804. два : 10.1029/2005GL023848 .

[Lehtinen1999-3] Лехтинен, Н.Г., Белл, Т.Ф. и Инан, США (1999). Моделирование методом Монте-Карло распада убегающих МэВ-электронов с применением к красным спрайтам и земным вспышкам гамма-излучения. Журнал геофизических исследований, 104 (A11), 24699-24712. дои : 10.1029/1999JA900335 .

[lpia-4] Бетц, Х.Д., Шуман, У., и Ларош, П. (ред.). (2009). Молния: принципы, инструменты и приложения. Спрингер Верлаг, гл. 15.

[Lehtinen+Ostgaard2018-5] Лехтинен, Николас; Истгаард, Николас (2021). «Рентгеновское излучение в многомасштабной жидкостной модели стримерного разряда» . Атмосфера . 123 (12): 6935–6 дои : 10.3390/atmos12121664 . HDL : 11250/2977612 .

[Dwyer2003-6] Jump up to: ^а ^б Дуайер, младший (2003). Фундаментальный предел электрических полей в воздухе. Письма о геофизических исследованиях, 30 (20), 2055. два : 10.1029/2003GL017781 .

[Babich+2004-7] Бабич, Л.П.; Донской, ЕН; ИльКаев, Р.И.; Куцык, И.М.; Руссель-Дюпре, РА (2004). «Фундаментальные параметры лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе». Отчеты по физике плазмы . 30 (7): 616–624. Бибкод : 2004PlPhR..30..616B . дои : 10.1134/1.1778437 .

[Carlson2008-8] Карлсон, Б.Е., Лехтинен, Н.Г., и Инан, США (2008). Лавина убегающих релятивистских электронов, засевающая атмосферу Земли. Журнал геофизических исследований, 113(A10), A10307. два : 10.1029/2008JA013210 .

[Colman2010-9] Колман, Дж. Дж., Руссель-Дюпре, Р. А., и Триплетт, Л. (2010). Временно-автомодельные функции распределения электронов при пробое атмосферы: режим теплового убегания. Журнал геофизических исследований, 115, 1-17. два : 10.1029/2009JA014509 .

[Dwyer2008-10] Дуайер, Дж.Р., Смит, Д.М., Уман, М.А., Салех, З., Грефенстетт, Б.В., Хейзелтон, Б.Дж. и др. (2010). Оценка флюенса всплесков высокоэнергетических электронов, создаваемых грозовыми облаками, и получаемых в результате доз радиации, получаемых самолетами. Журнал геофизических исследований, 115(D9), D09206. дои : 10.1029/2009JD012039 .

[11] «Тёмная молния» . Текущее телевидение . Проверено 9 апреля 2012 г.

[12] Амато, Иван. «Грозы содержат «темные молнии», невидимые импульсы мощного излучения» . Вашингтон Пост . Проверено 9 апреля 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]