Intenzivní elektronové excitace a ionizace v elektrických výbojích v tekutinách
ID projektu:LTC20061
Poskytovatel:Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Období:15.05.2020 - 11.09.2022
Hlavní řešitel:Ing. Alexandr Frolov, Ph.D.
SpoluřešiteléK. Koláček, P. Lukeš, J. Schmidt, V. Stelmashuk, P. Hoffer, J. Štraus, A. Tuholukov

Cíle projektu: Společným jmenovatelem navrhovaného projektu jsou výboje v “netypických prostředích“. Prvním takovým prostředím jsou kapaliny: elektrické výboje v kapalinách jsou důležité pro technologické, biologické a mechanické aplikace. Přiložení vysokonapěťového impulsu s rychlým nárůstem napětí na elektrody ponořené do vody vede ke generaci a rychlé expanzi plazmatického kanálu. V důsledku této expanze vzniká rázová vlna a kavitační bublina. Pro simulaci akustických vlastností podvodního elektrického výboje bylo navrženo několik teoretických modelů, které lze rozdělit podle použité aproximace do dvou skupin: s nestlačitelnou a stlačitelnou kapalinou. Otázkou však zůstává, jaká je oblast použitelnosti každého přístupu. Jsme přesvědčeni, že pro spolehlivé ověření je nezbytné současné porovnání vypočtených akustických charakteristik, jako je expanze jiskry (založená na elektronických procesech v systému s proměnným počtem částic), dynamika kavitačních bublin a šíření rázové vlny s experimentálními daty. Naši kolegové z Technionu, Izrael se budou podílet hlavně na simulační části tohoto projektu. Druhým "netypickým prostředím" jsou dlouhé mezielektrodové mezery v plynech při atmosférickém tlaku. Přestože v přírodě je blesk relativně častým a běžným jevem, ve fyzice blesku stále ještě existují "bílá místa". V současné době je zjištěno, že vysokoenergetické účinky jsou způsobeny ubíhajícími (runaway) elektrony. Pro vzduch za standardních podmínek relativistické elektrony s energií pod několik desítek MeV ztrácejí energii převážně ionizačními a excitačními procesy; u vyšších energií nabývají na důležitosti také energetické ztráty z brzdného rentgenového záření. Studium dlouhých laboratorních vysokonapěťových výbojů ve vzduchu při atmosférickém tlaku pomáhá objasnit některé procesy objevující se v blesku a tím přispět k bezpečnosti letecké dopravy, citlivé elektroniky a ochraně lidského zdraví. Základní rysy blesku jsou již známy: jsou generovány ubíhající elektrony a díky tomu je emitováno dokonce i rentgenové záření. Ukázalo se, že okamžik jejich vzniku je poměrně dobře známý, ovšem jak prostorová lokalizace, tak i lokální prostředí jsou poněkud nejasné. Dostatečně energetické rentgenové záření iniciuje fotonukleární reakce: z atmosférických jader se uvolňují rychlé neutrony, vytvářejí se nestabilní izotopy, které se dále přeměňují na stabilní, při současném vzniku a pozdější anihilaci pozitronů. Experimentální část s dlouhým vysokonapěťovým výbojem bude řešena v naši laboratoři, avšak simulace procesů, které se odehrávají při vzniku tohoto typu výboje, budou realizovat kolegové z Ústavu jaderné fúze, Technické Univerzity v Madridu, Španělsko.

Související výsledky:

Frolov O., Stelmashuk V., Koláček K., Prukner V., Tuholukov A., Hoffer P., Štraus J., Schmidt J., Jirásek V., Oliva E.: Pressure in underwater spark discharge initiated with the help of bubble injection and its evaluation based on H-alpha line broadening. Journal of Physics D-Applied Physics 56 [28] (2023) č. článku 285201. [ Link ]

Stelmashuk V., Tuholukov A., Krasik Y. E., Hoffer P., Schmidt J., Štraus J., Frolov O.: Study of underwater discharge initiated by a high-voltage preliminary pulse produced by a Marx generator. Journal of Applied Physics 133 [3] (2023) č. článku 033301. [ Link ]

Stelmashuk V., Schmidt J.: An empirical resistance equation for the modelling of corona discharge in saline water. Plasma Sources Science & Technology 31 [1] (2022) č. článku 015011. [ Link ]

Cui H., Frolov O., Schmidt J., Štraus J., Burian T., Hájková V., Chalupský J., Zhao Y., Koláček K., Juha L.: Characterizing the Grating-like Nanostructures Formed on BaFinf2/inf Surfaces Exposed to Extreme Ultraviolet Laser Radiation. Applied Sciences-Basel 12 [3] (2022) č. článku 1251. E. [ Link ]

Schmidt J., Koláček K., Frolov O., Štraus J., Hoffer P., Stelmashuk V., Tuholukov A., Jiříček P., Houdková J.: Long-term changes in Al thin-film extreme ultraviolet filters. Applied Optics 60 [28] (2021) 8766-8773. [ Link ]

Koláček K., Stelmashuk V., Tuholukov A., Hoffer P., Schmidt J., Štraus J., Frolov O., Oliva E.: Modelling of time development of cylindrical underwater spark channel in compressible viscous liquid. Journal of Physics D-Applied Physics 53 [50] (2020) č. článku 505201. [ Link ]