Выпуски

 / 

2020

 / 

Декабрь

  

Обзоры актуальных проблем


Лавина релятивистских убегающих электронов


Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, просп. Мира 37, Саров, Нижегородская обл., 607190, Российская Федерация

Обсуждаются генезис концепции лавины релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ) и её механизм как аналог таунсендовской лавины электронов низких энергий, но способной, в отличие от последней, развиваться в слабых электрических полях грозовых облаков, благодаря чему оказалось возможным преодолеть трудности в интерпретации наблюдающихся усилений проникающих излучений в грозовой атмосфере. Описаны основные неупругие взаимодействия электронов высоких энергий с атомарными частицами, участвующие в процессе развития лавины; в терминах сил трения излагается суть процесса убегания, описаны методы численного моделирования лавины. Примерно в исторической последовательности дан анализ результатов вычислений временнóго и пространственного масштабов усиления лавины, приводятся современные данные о её макроскопических характеристиках, необходимые для численного моделирования убегающих электронов в приближении сплошной среды. Обсуждается релятивистская положительная обратная связь как распространение на релятивистскую область механизма классического катодонаправленного стримера, посредством которой осуществляется генерация серии ЛРУЭ как самоподдерживающегося процесса. Описаны лабораторные эксперименты по моделированию ЛРУЭ, в одном из которых реализована начальная стадия лавины.

Текст pdf (1,1 Мб)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2020.04.038747
Ключевые слова: релятивистская лавина, убегающие электроны, кинетическое уравнение, метод Монте-Карло, макроскопические характеристики, обратная положительная связь, лабораторные эксперименты
PACS: 52.80.Tn, 52.90.+z, 92.60.Pw (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2020.04.038747
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2020/12/b/
Цитата: Бабич Л П "Лавина релятивистских убегающих электронов" УФН 190 1261–1292 (2020)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 29 октября 2019, доработана: 15 марта 2020, 6 апреля 2020

English citation: Babich L P “Relativistic runaway electron avalanchePhys. Usp. 63 1188–1218 (2020); DOI: 10.3367/UFNe.2020.04.038747

Список литературы (150) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (5) Похожие статьи (20)

  1. Loeb L B, Meek J M The Mechanism of the Electric Spark (Stanford, CA: Stanford Univ. Press, 1941)
  2. Meek J M, Craggs J D Electrical Breakdown of Gases (Oxford: Clarendon Press, 1953); Пер. на русск. яз., Мик Дж М, Крэгс Дж Электрический пробой в газах (М.: ИЛ, 1960)
  3. Raether H Electron Avalanches and Breakdown in Gases (Washington, DC: Butterworths, 1964); Пер. на русск. яз., Рётер Г Электронные лавины и пробой в газах (М.: Мир, 1968)
  4. Brown S C Introduction to Electrical Discharges in Gases (New York: Wiley, 1966)
  5. Лозанский Э Д, Фирсов О Б Теория искры (М.: Атомиздат, 1975)
  6. Месяц Г А, Бычков Ю И, Кремнев В В УФН 107 201 (1972); Mesyats G A, Bychkov Yu I, Kremnev V V Sov. Phys. Usp. 15 282 (1972)
  7. Райзер Ю П Физика газового разряда (М.: Наука, 1987); Пер. на англ. яз., Raizer Yu P Gas Discharge Physics (Berlin: Springer-Verlag, 1991); Райзер Ю П Физика газового разряда (М.: Наука, 1992); Пер. на англ. яз., Raizer Yu P Gas Discharge Physics (Berlin: Springer, 1997)
  8. Королев Ю Д, Месяц Г А Физика импульсного пробоя газов (М.: Наука, 1991)
  9. Базелян Э М, Райзер Ю П Искровой разряд (М.: Изд-во МФТИ, 1997); Пер. на англ. яз., Bazelyan E M, Raizer Yu P Spark Discharge (Boca Raton, FL: CRC Press, 1998)
  10. Базелян Э М, Райзер Ю П Физика молнии и молниезащиты (М.: Физматлит, 2001); Пер. на англ. яз., Bazelyan E M, Raizer Yu P Lightning Physics and Lightning Protection (Bristol: IOP Publ., 2000)
  11. Babich L P High-Energy Phenomena in Electric Discharges in Dense Gases: Theory, Experiment, and Natural Phenomena (Arlington, VA: Futurepast, 2003)
  12. Бабич Л П, Лойко Т В, Цукерман В А УФН 160 (7) 49 (1990); Babich L P, Loiko T V, Tsukerman V A Sov. Phys. Usp. 33 521 (1990)
  13. Frankel S et al Nucl. Instrum. Meth. 44 345 (1966)
  14. Wilson C T R Proc. Cambr. Philos. Soc. 22 534 (1924)
  15. Noggle R C, Krider E P, Wayland J R J. Appl. Phys. 39 4746 (1968)
  16. Станкевич Ю Л, Калинин В Г ДАН СССР 177 (1) 72 (1967); Stankevich Yu L, Kalinin V G Sov. Phys. Dokl. 12 1042 (1967)
  17. Тарасова Л В, Худякова Л Н ЖТФ 39 1530 (1969); Tarasova L V, Khudyakova L N Sov. Phys. Tech. Phys. 14 1148 (1969)
  18. Тарасова Л В и др ЖТФ 44 564 (1974); Tarasova L V et al Sov. Phys. Tech. Phys. 19 351 (1975)
  19. Яландин М И и др Письма в ЖТФ 37 (8) 56 (2011); Yalandin M I et al Tech. Phys. Lett. 37 371 (2011)
  20. Месяц Г А и др Физика плазмы 38 34 (2012); Mesyats G A et al Plasma Phys. Rep. 38 29 (2012)
  21. Бохан П А, Колбычев Г В ЖТФ 51 1823 (1981); Bokhan P A, Kolbychev G V Sov. Phys. Tech. Phys. 26 1057 (1981)
  22. Василяк Л М и др УФН 164 263 (1994); Vasilyak L M et al Phys. Usp. 37 247 (1994)
  23. Babich L P AIP Conf. Proc. 363 156 (1996)
  24. Babich L P Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges. Proc. of the NATO Advanced Research Workshop on Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges, St. Petersburg, Russia, May 19 - 23, 1997 (NATO Science Series, Ser. B) Vol. 367 (Eds U Kortshagen, L D Tsendin) (Boston, MA: Springer, 1998) p. 199
  25. Тарасенко В Ф, Яковленко С И УФН 174 953 (2004); Tarasenko V F, Yakovlenko S I Phys. Usp. 47 887 (2004)
  26. Бабич Л П УФН 175 1069 (2005); Babich L P Phys. Usp. 48 1015 (2005)
  27. Eddington A S Nature 117 25 (1926)
  28. Kunhardt E E, Tzeng Y Phys. Rev. A 38 1410 (1988)
  29. McCarthy M P, Parks G K J. Geophys. Res. 97 5857 (1992)
  30. Gurevich A V, Milikh G M, Roussel-Dupré R Phys. Lett. A 165 463 (1992)
  31. Marshall T C, McCarthy M, Rust W D J. Geophys. Res. D 100 7097 (1995)
  32. Marshall T C et al Geophys. Res. Lett. 32 L03813 (2005)
  33. Rakov V A, Uman M A Lightning: Physics and Effects (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2003)
  34. Parks G E et al Geophys. Res. Lett. 8 1176 (1981)
  35. McCarthy M, Parks G K Geophys. Res. Lett. 12 393 (1985)
  36. Dwyer J R et al J. Plasma Phys. 81 475810405 (2015)
  37. Dwyer J R, Smith D M, Cummer S A Space Sci. Rev. 173 133 (2012)
  38. Гуревич А В, Зыбин К П УФН 171 1177 (2001); Gurevich A V, Zybin K P Phys. Usp. 44 1119 (2001)
  39. Lidvansky A S J. Phys. G 29 925 (2003)
  40. Бабич Л П УФН 189 1044 (2019); Babich L P Phys. Usp. 62 976 (2019)
  41. Кужевский Б М Вестн. Моск. ун-та Сер. 3. Физ. Астрон. (5) 14 (2004); Kuzhevskii B M Moscow Univ. Phys. Bull. 59 (5) 17 (2004)
  42. Dwyer J R Phys. Plasmas 14 042901 (2007)
  43. Roussel-Dupré R A et al "Kinetic theory of runaway air breakdown and the implications for lightning initiati" Report LA-12601-MS (Los Alamos, NM: Los Alamos Natl. Lab., 1993) p. 51
  44. Roussel-Dupré R A et al Phys. Rev. E 49 2257 (1994)
  45. Gurevich A V, Zybin K P, Roussel-Dupre R A Phys. Lett. A 254 79 (1999)
  46. Бабич Л П, Бочков Е И, Куцык И М ЖЭТФ 139 1028 (2011); Babich L P, Bochkov E I, Kutsyk I M J. Exp. Theor. Phys. 112 902 (2011)
  47. Babich L P et al J. Geophys. Res. 117 A09316 (2012)
  48. Babich L P et al J. Geophys. Res. 118 2573 (2013)
  49. Бочков Е И Дисс. ... канд. физ.-мат. наук (Саров: РФЯЦ - ВНИИЭФ, 2013)
  50. Ландау Л Д, Лифшиц Е М Квантовая механика. Нерелятивистская теория (M.: Наука, 1989); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory (Oxford: Pergamon Press, 1977)
  51. Гуревич А В ЖЭТФ 39 1296 (1960); Gurevich A V Sov. Phys. JETP 12 904 (1961)
  52. Heitler W The Quantum Theory of Radiation (Oxford: Clarendon Press, 1954)
  53. Bethe H A, Ashkin J Experimental Nuclear Physics Vol. 1, Pt. 2 (Ed. E Segrè) (New York: John Wiley and Sons, 1953) p. 166
  54. Ахиезер А И, Берестецкий В Б Квантовая электродинамика (М.: ГИФМЛ, 1959); Пер. на англ. яз., Akhiezer A I, Berestetskii V B Quantum Electrodynamics (New York: Interscience Publ., 1965)
  55. Kunhardt E E, Tzeng Y, Boeuf J P Phys. Rev. A 34 440 (1986)
  56. Kunhardt E E, Byszewski W W Phys. Rev. A 21 2069 (1980)
  57. Bakhov K I, Babich L P, Kutsyk I M IEEE Trans. Plasma Sci. 28 1254 (2000)
  58. Lehtinen N G, Bell T F, Inan U S J. Geophys. Res. 104 (A11) 24699 (1999)
  59. Бабич Л П ТВТ 33 659 (1995); Babich L P High Temp. 33 653 (1995)
  60. Gurevich A V et al Phys. Lett. A 275 101 (2000)
  61. Peterson L R, Green A E S J. Phys. B 1 1131 (1968)
  62. Khaerdinov N S, Lidvansky A S Proc. of the Symp. Thunderstorms and Elementary Particle Acceleration, TEPA-2015 (Ed. A Chilingarian) (Yerevan, 2016) p. 35
  63. Symbalisty E M D et al EOS Trans. AGU 78 4760 (1997)
  64. Symbalisty E M D, Roussel-Dupré R A, Yukhimuk V A IEEE Trans. Plasma Sci. 26 1575 (1998)
  65. Babich L P et al IEEE Trans. Plasma Sci. 29 430 (2001)
  66. Бабич Л П ЖЭТФ 125 808 (2004); Babich L P J. Exp. Theor. Phys. 98 707 (2004)
  67. Solovyev A A et al Phys. Rev. E 60 7360 (1999)
  68. Babich L P, Kutsyk I M Proc. of the XXIII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, July 17-22, 1997 (Journal de Physique. III, No. 10, Supplement, Eds M C Bordage, A Gleizes) (Les Ullis: EDP Sciences, 1997) p. I-8, Contributed papers, Pt. 1
  69. Babich L P et al Phys. Lett. A 245 460 (1998)
  70. Бабич Л П и др Докл. РАН 379 606 (2001); Babich L P et al Dokl. Phys. 379 536 (2001)
  71. Бабич Л П и др Докл. РАН 394 320 (2004); Babich L P et al Dokl. Phys. 394 35 (2004)
  72. Бабич Л П и др Физика плазмы 30 666 (2004); Babich L P et al Plasma Phys. Rep. 30 616 (2004)
  73. Dwyer J R Geophys. Res. Lett. 30 2055 (2003)
  74. Coleman L M, Dwyer J R Geophys. Res. Lett. 33 L11810 (2006)
  75. Донской Е Н Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов (1) 3 (1993)
  76. Gurevich A V, Milikh G M, Roussel-Dupre R Phys. Lett. A 187 197 (1994)
  77. Babich L P, Kutsyk I M, Kudryavtsev A Yu Proc. of the XXIII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, July 17-22, 1997 (Journal de Physique. IV, Supplement, Eds M C Bordage, A Gleizes) (Les Ullis: EDP Sciences, 1997) p. IV-2, Contributed Papers, Pt. 4
  78. Кудрявцев А Ю Дисс. ... канд. физ.-мат. наук (Саров: РФЯЦ - ВНИИЭФ, 2006)
  79. Holstein T Phys. Rev. 70 367 (1946)
  80. Longmire C L, Longley H J "Improvements in the treatment of Compton current and air conductivity in EMP problems" Report No. 3192T (Springfield, VA: Defense Nuclear Agency, 1973)
  81. Бабич Л П, Донской Е Н, Roussel-Dupré R A Геомагнетизм и аэрономия 47 548 (2007); Babich L P, Donskoy E N, Roussel-Dupré R A Geomagn. Aeronom. 47 515 (2007)
  82. Dwyer J R Geophys. Res. Lett. 32 L20808 (2005)
  83. Jackson J D Classical Electrodynamics (New York: Wiley, 1975)
  84. Mott N F, Massey H S W The Theory of Atomic Collisions (Oxford: Clarendon Press, 1965)
  85. Taranenko Yu, Roussel-Dupré R Geophys. Res. Lett. 23 571 (1996)
  86. Lehtinen N G et al Geophys. Res. Lett. 24 2639 (1997)
  87. Yukhimuk V et al J. Geophys. Res. 103 11473 (1998)
  88. Roussel-Dupre R et al J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 60 917 (1998)
  89. Celestin S, Pasko V P J. Geophys. Res. 116 A03315 (2011)
  90. Celestin S, Wei Xu, Pasko V P J. Geophys. Res. 117 A05315 (2012)
  91. Kim Y-K, Santos J P, Parente F Phys. Rev. A 62 052710 (2000)
  92. Celestin S, Pasko V P J. Phys. D 43 315206 (2010)
  93. Dwyer J R J. Geophys. Res. 115 A00E14 (2010)
  94. Бабич Л П, Бочков Е И, Куцык И М ЖЭТФ 139 1028 (2011); Babich L P, Bochkov E I, Kutsyk I M J. Exp. Theor. Phys. 112 902 (2011)
  95. Babich L P et al J. Geophys. Res. 117 A09316 (2012)
  96. Бабич Л П, Бочков Е И ЖЭТФ 139 568 (2011); Babich L P, Bochkov E I J. Exp. Theor. Phys. 112 494 (2011)
  97. Куцык И М и др Письма в ЖЭТФ 95 712 (2012); Kutsyk I M et al JETP Lett. 95 631 (2012)
  98. Куцык И М и др Физика плазмы 38 969 (2012); Kutsyk I M et al Plasma Phys. Rep. 38 891 (2012)
  99. Dwyer J R, Babich L J. Geophys. Res. 116 A09301 (2011)
  100. Смирнов Б М Ионы и возбужденные атомы в плазме (М.: Атомиздат, 1974)
  101. Lowke J J J. Phys. D 25 202 (1992)
  102. Lowke J J et al J. Geophys. Res. 117 D19107 (2012)
  103. Бабич Л П и др Геомагнетизм и аэрономия 44 697 (2004); Babich L P et al Geomagn. Aeron. 44 254 (2004)
  104. Milikh G, Roussel-Dupré R J. Geophys. Res. 115 A00E60 (2010)
  105. Milikh G, Roussel-Dupré R J. Geophys. Res. 116 A08313 (2011)
  106. Dwyer J R, Rassoul H K J. Geophys. Res. 116 A08312 (2011)
  107. Babich L P et al Geophys. Res. Lett. 32 L09809 (2005)
  108. Dwyer J R J. Geophys. Res. 113 D10103 (2008)
  109. Koch H W, Motz J W Rev. Mod. Phys. 31 920 (1959)
  110. Daniel R R, Stephens S A Rev. Geophys. Space Phys. 12 233 (1974)
  111. Gurevich A V, Milikh G M Phys. Lett. A 262 457 (1999)
  112. Gurevich A V, Medvedev Yu V, Zybin K P Phys. Lett. A 321 179 (2004)
  113. Carlson B E Ph.D. Thesis (Stanford: Leland Stanford Junior Univ., 2009)
  114. Куцык И М, Бабич Л П, Донской Е Н Письма в ЖЭТФ 94 647 (2011); Kutsyk I M, Babich L P, Donskoi E N JETP Lett. 94 606 (2011)
  115. Grefenstette B W et al Geophys. Res. Lett. 35 L06802 (2008)
  116. Gurevich A V et al Phys. Lett. A 260 269 (1999)
  117. Бабич Л П и др Докл. РАН 382 31 (2002); Babich L P et al Dokl. Phys. 47 1 (2002)
  118. Бабич Л П и др ТВТ 42 5 (2004); Babich L P et al High Temp. 42 1 (2004)
  119. Gurevich A V et al Phys. Lett. A 375 2845 (2011)
  120. Rieke F F, Prepejchal W Phys. Rev. A 6 1507 (1972)
  121. Cheng G, Liu L IEEE Trans. Plasma Sci. 39 1067 (2011)
  122. Gonzáles-Iglesias D et al IEEE Electron Device Lett. 36 1085 (2015)
  123. Townsend J S Motion of Electrons in Gases (Oxford: Clarendon Press, 1925)
  124. Зеленский К Ф и др ПТЭ (4) 175 (1969)
  125. Зеленский К Ф и др Письма в ЖТФ 5 239 (1979); Zelenskii K F et al Sov. Phys. Tech. Phys. Lett. 5 95 (1979)
  126. Бабич Л П и др ПТЭ (4) 8 (2000)
  127. Павловская Н Г и др ПТЭ (5) 29 (1978)
  128. Бабич Л П, Куцык И М ТВТ 33 191 (1995); Babich L P, Kutsyk I M High Temp. 33 190 (1995)
  129. Gurevich A V, Zybin K P, Medvedev Yu V Phys. Lett. A 361 119 (2007)
  130. Бохан П А, Сорокин А Р ЖТФ 55 88 (1985); Bokhan P A, Sorokin A R Sov. Phys. Tech. Phys. 30 50 (1985)
  131. Bokhan P A, Zakrevsky D E Appl. Phys Lett. 81 2526 (2002)
  132. Bokhan A P, Bokhan P A, Zakrevsky D E Appl. Phys. Lett. 86 151503 (2005)
  133. Wilson C T R Proc. R. Soc. Lond. A 236 297 (1956)
  134. Williams E R J. Geophys. Res. 115 A00E50 (2010)
  135. Dreicer H Phys. Rev. 115 238 (1959)
  136. Dreicer H Phys. Rev. 117 329 (1960)
  137. Трубников Б А "Столкновение частиц в полностью ионизованной плазме" Вопросы теории плазмы Т. 1 (Под ред. М А Леонтовича) (М.: Госатомиздат, 1963) с. 98; Trubnikov B A Reviews of Plasma Physics Vol. 1 (Ed. M A Leontovich) (New York: Consultants Bureau, 1965) p. 105
  138. Schonland B F J Proc. R. Soc. Lond. A 118 252 (1928)
  139. Schonland B F J Proc. R. Soc. Lond. A 130 37 (1930)
  140. Schonland B F J, Viljoen J P Proc. R. Soc. Lond. A 140 314 (1933)
  141. Appleton E V, Bowen K G Nature 132 965 (1933)
  142. Macky W A Proc. Cambr. Philos. Soc. 30 70 (1934)
  143. Halliday E G Proc. Cambr. Philos. Soc. 30 206 (1934)
  144. Clay J, Jongen H F, Aarts A J Physica 18 801 (1952)
  145. Hill R D J. Geophys. Res. 68 6261 (1963)
  146. Shaw G E J. Geophys. Res. 72 462 (1967)
  147. Fleisher R L J. Geophys. Res. 80 5005 (1975)
  148. Whitmire D P Lett. Nuovo Cimento 26 497 (1979)
  149. Shah G N et al Nature 313 773 (1985)
  150. Бабич Л П, Куцык И М VII Конф. по физике газового разряда, Самара, 21 - 24 июня 1994 г., Тезисы докладов (Самара: Ин-т сильноточной электроники СО РАН, 1994) с. 23

© Успехи физических наук, 1918–2023
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение