Electron thermal runaway in atmospheric electrified gasesA microscopic approach

Abstract

Desde hace poco se sabe que los rayos de tormentas en la Tierra son fuentes prolíficas de radiación de alta energía [2, 252, 267]. En particular, se han observado destellos terrestres de rayos gamma, con duración de poco más de 1 ms asociados a la actividad de rayos de tormenta [725]. Así mismo se han detectado estallidos de rayos-X emitidos por chispas en laboratorios [517]. Los fotones gamma o X de estos destellos están producidos por Bremsstrahlung (radiación de frenado) de electrones rápidos desviados por los núcleos de los atomos presentes cerca de las descargas. Esos electrones rápidos pueden ser engendrados como productos secundarios de ionización por rayos cósmicos o bien ser acelerados desde energías más bajas en campos eléctricos en las descargas muy intensos y localizados. Este último mecanismo (la aceleración) se conoce cómo runaway térmico y su estudio es el tema principal de la presente tésis. Actualmente, desconocemos la relación precisa entre estre proceso y la física de las descargas. Por ejemplo, la fluencia medida de rayos-X (número de fotones atravesando una superficie unitaria) supera las predicciones de modelos teóricos del runaway térmico en descargas. La probabilidad de acelerar un electron térmico hasta energías altas en las cuales empieza a irradiar por bremsstrahlung es demasiado baja en los campos eléctricos cerca de las cabezas de los dardos (canales de ionización llamados streamers en inglés). Los campos eléctricos necesarios para el runaway térmico son aún más altos y por tanto poco plausibles. En los modelos físicos, la abundancia de electrones térmicos en runaway depende mucho de cómo se describe la dispersión de electrones por moléculas [169, 218, 677]. En particular, en un estudio comparativo [811], hemos demostrado que varios modelos de dispersión elástica dan lugar a distribuciones significativamente diferentes de electrones de alta energía. De ahí, hemos identificado dos necesidades para dar una base sólida al estudio del runaway térmico: 1. Hallar un entorno físico apropiado, incluyendo el campo eléctrico y el estado del aire. Es necesario tener la capacidad del modelizar eventos de rareza extrema en este ambiente, con probabilidades arbitrariamente bajas. 2. Poseer un modelo altamente fiable y preciso de la colisiones de electrones con moléculas que sea consistente en un rango amplio de energías: desde cero hasta varios MeV. La primera parte de la tesis da respuesta a la primera necesidad; en ella investigamos la abundancia de electrones de alta energía obtenidos en simulaciones Monte Carlo bajo varias condiciones de campo eléctrico y de composición y temperature del aire. En nuestro segundo artículo [813], adaptamos la técnica del muestreo de importancia (importance sampling) en simulaciones de Montecarlo para implementar un algoritmo de compactación que mejora la estadística de electrones de alta energía a cambio de deteriorar la resolución sobre electrones de baja energía. La segunda parte de la tesis abarca la segunda necesidad. En esta parte compilamos una colección casi completa de secciones eficaces de colisión entre electrones y moléculas independiente de bases de datos actualmente usadas. Empleamos una recopilación exhaustiva hasta 2022 de secciones eficaces experimentales, cálculos precisos de mecánica cuántica junto a representaciones analíticas sencillas. El modelado de dispersión elástica está basado en nuestro tercer artículo [812], en el que calculamos seciones eficaces diferenciales de dispersión elástica de electrones por moléculas diatómicas. Además, la tésis contiene también una tercera parte que suplementa las dos primeras y contiene una documentación minuciosa del proceso de construcción de la nueva base de datos de secciones eficaces. Provee una reseña de técnicas de ajuste de datos experimentales y comparaciones entre varias bases de datos de secciones eficaces de colisiones entre electrones y moléculas actualmente usadas. Hasta ahora, la mayoría de la literatura se ha centrado en vías plausibles de formación de campos eléctrico intensos en frentes de ionización. En esta tesis hemos cambiado la perspectiva hacia el efecto que conlleva un cambio en la composición química del aire debido a la actividad de descarga que precede el runaway térmico. La tesis extiende y completa los trabajos publicados anteriormente [811–813]. Con los medios que hemos desarrollado –el algoritmo de compactación y la nueva base de datos de secciones eficaces– hemos explorado el fenómeno de runaway térmico de electrones en territorios hasta ahora poco estudiados: en campos eléctricos más bajos y en composiciones gaseosas variables. Planteamos la hipótesis de que el preacondicionamiento del medio gaseoso por coronas de dardos es relevante en el proceso de runaway térmico.