人工引雷高能辐射观测及数据分析研究

李小强，蒋如斌，李 鹏,*，张 雄，郑 毅，李英男，刘 伟

(1.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205；2.中国科学院 大气物理研究所 中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029)

在闪电观测研究中发现：伴随闪电放电能产生强烈的X射线发射现象，这些射线被称为闪电高能辐射。1994年，Fishman等[1]最早报道了康普顿γ射线天文台(CGRO)的BATSE实验探测到的源自地球大气层的强烈而短暂的γ射线爆发(TGFs)。大多数TGFs的观测均是基于低轨道卫星平台完成的[2-5]，直至2001年，Moore等[6]在美国新墨西哥州中部山区的雷暴过程中首次在地面观测到自然闪电产生的高能辐射现象。人工引发的雷电作为自然闪电的模拟源，可使雷电在预知的时间和地点发生，为闪电高能辐射观测研究、产生机制研究提供了便利。2003年，Dwyer等[7-13]观测到人工引雷产生的X射线，再次掀起关于闪电高能辐射的研究热潮。他们基于NaI(Tl)闪烁探测器搭建了人工引雷高能辐射观测系统，利用人工闪电的回击电流信号触发示波器采集高能辐射信号，成功观测到人工引雷先导阶段产生的X射线爆发现象。

本文针对闪电高能辐射目标信号的特征，设计并搭建闪电高能辐射自动观测系统，并用于人工引雷试验[14-15]。

1 人工引雷高能辐射观测系统组成

人工引雷X射线观测系统硬件由电磁屏蔽箱、NaI(Tl)探头、前置放大器、高速数据采集板、单模光纤收发器、蓄电池、数据管理计算机组成(图1)，各部分功能如下。

1) 电磁屏蔽箱，能屏蔽闪电放电产生的电磁干扰，在观测过程中防潮防雨，保护内部的探测设备。

2) CH158-03型NaI(Tl)探头，包含NaI(Tl)闪烁体探测器、光电倍增管、分压器等器件，用于将闪电产生的X射线转换为电信号供后续电子学系统记录测量。

3) 前置放大器，主要用于将探头输出信号进一步放大、成形以供后续电子学电路采样处理。

4) 高速数据采集板，是为开展人工引雷X射线观测研究而研发的核心实验设备，采样速率为10 MHz，采样精度为8位，主要功能：为探头提供正常工作所需要的高压电源、对前置放大器输出信号进行快速连续采样，对引雷X射线发射信号进行实时甄别，并将有效数据通过光纤网络实时传输至远程数据管理计算机。

5) 单模光纤收发器，主要用于人工引雷X射线探测系统与数据管理计算机之间的数据传输。

6) 蓄电池，主要用于给高速数据采集板和单模光纤收发器供电。

7) 数据管理计算机，布设在人工引雷物理数据采集室内，用于接收和存储采集卡上传的测量数据，具有数据流的实时显示、数据分析、观测系统能量刻度等功能。

Dwyer等[7]在人工引雷X射线观测装置的能量刻度中使用1枚137Cs放射源刻度NaI(Tl)探头，该方法只能粗略估计系统的能量刻度系数，精度较差。

在高速数据采集卡中嵌入设计1个脉冲幅度分析模块，用于系统能量刻度。在能量刻度模式下，可采集γ射线能谱，并将能谱数据上传至数据管理计算机。本文建立的人工引雷高能辐射观测系统采用137Cs和40K放射源进行能量刻度，得到高速数据采集板输出的采样值与射线沉积能量之间的线性关系。图2a为能量刻度时采集的能谱，图2b为全能峰能量与对应采样值的拟合曲线。采用2阶多项式拟合得到的采样值与射线在探测器内沉积能量的关系为：

y=11.764x+0.000 915x2

(1)

图1 人工引雷X射线观测系统Fig.1 Schematic of triggered lightning X-ray observation system

图2 系统能量刻度Fig.2 System energy calibration

其中：y为射线在探测器内沉积的能量；x为脉冲幅度采样值。

2 实验设计

火箭-导线人工引发雷电是在一定的雷暴电场条件下，利用一定的装置和设施，向雷暴云发射一尾部拖带金属导线的小型火箭，进行人工引雷的专门技术。一般当火箭上升到200～300 m的高度时，即可引雷成功[16]。成功的人工引雷一般包含从导线顶端向上发展的上行先导过程(建立云地之间闪电放电通道)，当先导发展入云并经历一段时间的通道截止后，将从云内始发直窜先导沿原通道发展至地并引发大电流回击过程，直窜先导一般连续发展，而当通道条件较差，也可能发生类似于负先导击穿空气时的间歇性梯级先导过程。

在山东滨州沾化地区组织的人工引雷实验中，对两种方式人工引雷(第1种是地面触发人工引雷，第2种是空中引雷)产生的高能辐射信号进行观测。空中引雷是在第1种引雷方式的基础上，将导线末端连接几十m(略高于塔)尼龙线，使得人工雷电击中高塔。本工作主要探测这两种方式人工引雷产生的高能辐射信号和电场信号，高能辐射观测系统距地面触发人工引雷火箭发射架约50 m，距高塔引雷火箭发射架约100 m。图3为某次成功的人工引发雷电实验情况。

3 实验数据及分析

2017年7月，在4次人工引雷实验中观测到3次X射线爆发信号。其中1次人工引雷实验未明显观测到X射线爆发的原因可能是发射引雷火箭的时刻雷暴云电场存在明显的自然放电，电场强度的降低可能导致人工闪电未产生高能辐射，或电场强度过低产生的高能辐射量相对较弱，无法传输至探测点被观测系统记录到。3次成功实验中均能观测到不少于1次的X射线爆发信号，X射线爆发信号与回击数量及回击电流强度有关。X射线信号的波形大致可分为两类：一类是探测器输出分立的脉冲信号，另一类是探测器输出连续的饱和电流信号。采用式(1)可将闪电高能辐射信号的采样值转换为探测器内的沉积能量值。

图3 某次成功的人工引雷实验Fig.3 One successful triggered lightning test

3.1 第1次人工引雷X射线爆发观测

第1次成功的人工引雷共产生2次X射线爆发信号，如图4所示。图4a为第1次回击前人工闪电产生的X射线，可知，X射线脉冲相互独立，未产生堆积，整个爆发过程持续时间约为110 μs。因观测系统的量程不足，导致入射X射线沉积能量较高时，探测器输出的脉冲信号产生饱和。图4b为第2次回击前人工闪电产生的X射线，可知，X射线爆发信号由堆积的脉冲信号逐渐变为连续的饱和电流信号，整个爆发过程持续时间约为35 μs。X射线爆发的初期，探测器输出的脉冲幅度较小，后期则脉冲信号幅度较高，这与自然闪电高能辐射爆发过程较为相似，但持续时间明显缩短。

图4 第1次人工引雷X射线爆发Fig.4 The first triggered lightning X-ray burst

图4b中的连续饱和电流信号较难反演出X射线在探测器中的实际沉积能量；对于图4a中的饱和脉冲信号，本文采取文献[13]的方法，利用探测系统输出信号的响应函数来拟合脉冲采样点数据，以粗略估计单个饱和脉冲的沉积能量，拟合结果如图5所示。由数据分析可知，通过拟合法获得的X射线脉冲信号的最高能量约为16 MeV。

图5 饱和脉冲信号的拟合曲线Fig.5 Fitting curve of saturation pulse signal

在闪电高能辐射的观测过程中，利用快慢电场天线同步得到了人工雷电的电场波形数据。将图4a中的X射线信号与其对应的电场信号进行对比，如图6所示。

图6 人工引雷电场信号和高能辐射信号对比Fig.6 Comparison of triggered lightning electric field signal and energetic radiation signal

由电场信号可知，先导(闪电回击前的电离过程)的梯级过程较为明显，且先导梯级过程的脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征，这表明先导的梯级过程可能是闪电高能辐射的产生根源。

3.2 第2次人工引雷X射线爆发观测

第2次成功的人工引雷共产生4次X射线爆发信号，如图7所示。图7a、c中X射线爆发信号由堆积的脉冲信号逐渐变为连续的饱和电流信号，整个爆发过程持续时间约为20 μs；图7b中X射线脉冲相互独立，未产生堆积，整个爆发过程持续时间约为110 μs；图7d中观测到持续时间约为25 μs的5个单独脉冲，这是本次引雷实验第4次回击前观测到的高能辐射信号。

图7 第2次人工引雷X射线爆发Fig.7 The second triggered lightning X-ray burst

对图7d采用统计学的方法可计算这些弱信号被判定为1次闪电高能辐射事件的概率。根据本底情况下核辐射计数率服从泊松分布的规律可知，平均计数率为m的系统，在t时间内出现脉冲数为n的概率P(n)为：

(2)

观测系统的本底辐射平均计数率约为313 s-1，采用式(2)可计算出本底辐射在25 μs内产生5个脉冲计数的概率为2.43×10-13，因此判定为闪电高能辐射信号的概率约为100%，表明该信号几乎不可能由本底辐射产生。

3.3 第3次人工引雷X射线爆发观测

第3次成功的人工引雷共产生1次X射线爆发信号，如图8所示。图8中X射线爆发信号由堆积的脉冲信号逐渐变为连续的饱和电流信号，整个爆发过程持续时间约为20 μs。

可看出，人工引雷X射线爆发的持续时间不同，具有连续电流输出的X射线爆发的持续时间明显短于具有分立脉冲的情况，相差约6倍。分析认为，两种X射线爆发是由不同类型的雷电先导产生的，分立脉冲X射线爆发源自于梯级先导(间歇性跳跃发展的先导过程)，连续电流X射线爆发源自直窜先导(沿已有通道连续传输的先导过程)。连续传输的直窜先导速度比梯级先导速度更快，产生的X射线在探测上也表现出连续信号，且由于直窜先导发展快、时间短，对应的X射线爆发信号时间也短。在文献[16]中给出了梯级先导的传播速度约为105m/s，而直窜先导的传播速度要快1个量级左右，约为106～107m/s，先导的传播速度也验证了X射线爆发持续时间的差异。

图8 第3次人工引雷X射线爆发Fig.8 The third triggered lightning X-ray burst

实验结果表明，设计实现的闪电高能辐射自动观测系统，无需闪电回击电流信号作为触发，筛选算法能实时有效甄别出闪电高能辐射信号，避免耗费大量的存储空间用于存储本底信号。

4 结论

本文基于NaI(Tl)探测器自主研发出一套闪电高能辐射自动观测系统，观测到了人工引雷产生的X射线爆发现象，验证了系统设计的正确性。人工引雷高能辐射信号大致可分为两种形式：X射线爆发信号由堆积的脉冲信号逐渐变为连续的饱和电流信号；X射线脉冲相互独立，未产生堆积现象。先导梯级过程的脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征，表明先导的梯级过程可能是闪电高能辐射的产生根源。