Релятивистская лавина убегающих электронов - Relativistic runaway electron avalanche

Моделирование RREA, показывающее электроны (черный), фотоны (синий) и позитроны (красный)

А релятивистская лавина убегающих электронов (RREA) является лавинообразный рост населения релятивистский электроны проходит через материал (обычно воздух) электрическим полем. Предполагается, что RREA связана с молния инициация[1] земные гамма-вспышки,[2] спрайт молния,[3] и Искра разработка.[4] RREA уникален тем, что может возникать в электрических полях на порядок ниже, чем диэлектрическая прочность материала.

Механизм

Динамическое трение свободных электронов в воздухе по сравнению с приложенным электрическим полем, показывающее диапазон энергии убегающих электронов

Когда к материалу приложено электрическое поле, свободные электроны будут медленно дрейфовать через материал, как описано в подвижность электронов. Для электронов с низкой энергией более высокие скорости дрейфа приводят к большему взаимодействию с окружающими частицами. Эти взаимодействия создают форму трение которые замедляют электроны. Таким образом, для случаев низких энергий скорости электронов имеют тенденцию к стабилизации.

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

Когда убегающие электроны получают энергию от электрического поля, они иногда сталкиваются с атомами в материале, сбивая вторичные электроны. Если вторичные электроны также обладают достаточно высокой энергией, чтобы убегать, они тоже ускоряются до высоких энергий, производят дополнительные вторичные электроны и т. Д. Таким образом, общее количество энергичных электронов растет лавинообразно.

Посев

Приведенный выше механизм RREA описывает только рост лавины. Первоначальный энергичный электрон необходим, чтобы начать процесс. В окружающем воздухе такие энергичные электроны обычно происходят из космические лучи.[5] 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 «теплового убегания».[6]

Обратная связь

Лавины RREA обычно движутся против направления электрического поля. Таким образом, после того, как лавины покидают область электрического поля, преобладают силы трения, электроны теряют энергию, и процесс останавливается. Однако существует вероятность, что фотоны или позитроны, произведенные лавиной, вернутся туда, где началась лавина, и могут дать новые семена для второго поколения лавин. Если область электрического поля достаточно велика, количество лавин второго поколения превысит количество лавин первого поколения, а само количество лавин будет расти экспоненциально. Эта лавина лавины может произвести чрезвычайно большие популяции энергичных электронов. Этот процесс в конечном итоге приводит к спаду электрического поля ниже уровня, на котором возможна обратная связь, и, следовательно, действует как ограничение крупномасштабной напряженности электрического поля.[7]

Эффекты RREA

Большая популяция энергичных электронов, произведенных в RREA, будет производить соответственно большую популяцию энергичных фотонов за счет тормозное излучение. Эти фотоны предлагаются в качестве источника земные гамма-вспышки. Крупные явления RREA во время гроз также могут вносить редкие, но большие дозы радиации в полеты коммерческих авиакомпаний.[8] Американский физик Джозеф Дуайер ввел термин "темная молния "за это явление,[9] который до сих пор остается предметом исследования.[10]

Рекомендации

  1. ^ Гуревич А. В., Зыбин К. П. (2005). Сбежавший срыв и загадки молнии. Физика сегодня, 58 (5), 37. Дои:10.1063/1.1995746.
  2. ^ Дуайер, Дж. Р., и Смит, Д. М. (2005). Сравнение моделирования пробоя на убегающих газах методом Монте-Карло и наблюдений наземных гамма-вспышек. Письма о геофизических исследованиях, 32 (22), L22804. Дои:10.1029 / 2005GL023848.
  3. ^ Лехтинен, Н. Г., Белл, Т. Ф., и Инан, США (1999). Моделирование пробоя убегающих МэВ-электронов методом Монте-Карло применительно к красным спрайтам и земным гамма-вспышкам. Журнал геофизических исследований, 104 (A11), 24699-24712. Дои:10.1029 / 1999JA900335.
  4. ^ Бец Х. Д., Шуман У. и Ларош П. (ред.). (2009). Молния: принципы, инструменты и приложения. Springer Verlag, гл. 15.
  5. ^ Карлсон, Б.Е., Лехтинен, Н.Г., и Инан, США (2008). Лавина убегающих релятивистских электронов в атмосферу Земли. Журнал геофизических исследований, 113 (A10), A10307. Дои:10.1029 / 2008JA013210.
  6. ^ Колман, Дж. Дж., Руссель-Дюпре, Р. А., и Триплетт, Л. (2010). Самоподобные по времени функции распределения электронов при атмосферном пробое: режим теплового убегания. Журнал геофизических исследований, 115, 1-17. Дои:10.1029 / 2009JA014509.
  7. ^ Дуайер, Дж. Р. (2003). Фундаментальный предел электрических полей в воздухе. Письма о геофизических исследованиях, 30 (20), 2055. Дои:10.1029 / 2003GL017781.
  8. ^ Дуайер, Дж. Р., Смит, Д. М., Уман, М. А., Салех, З., Грефенстетт, Б. В., Хазелтон, Б. Дж. И др. (2010). Оценка плотности энергии всплесков электронов высокой энергии, производимых грозовыми облаками, и получаемых в результате доз облучения в самолетах. Журнал геофизических исследований, 115 (D9), D09206. Дои:10.1029 / 2009JD012039.
  9. ^ «Темная молния». Текущее телевидение. Получено 9 апреля, 2012.
  10. ^ Амато, Иван. «Грозы содержат« темные молнии », невидимые импульсы мощного излучения». Вашингтон Пост. Получено 9 апреля, 2012.