ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 7, с. 663-669
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМА
УДК 533.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЛИДЕРА ОТ ТОКА В НАЧАЛЬНОЙ И СКВОЗНОЙ ФАЗАХ ЛИДЕРНОГО ПРОЦЕССА
© 2008 г. М. Г. Андреев, Э. М. Базелян*, М. У. Булатов, И. П. Кужекин**, Л. М. Макальский**, Д. И. Сухаревский, В. С. Сысоев
Всероссийский электротехнический институт, Россия *Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Москва, Россия **Московский энергетический институт, Россия Поступила в редакцию 21.11.2007 г.
Экспериментально исследован положительный лидер в воздухе на открытом экспериментальном стенде в промежутках длиной до 8 м. Источником напряжения служили ГИН 6 MB или искусственно создаваемое заряженное аэрозольное облако. Синхронная регистрация оптической картины разряда и его электрических параметров позволила проследить зависимость скорости лидера от тока, меняющегося в пределах 0.2-8 A. Особое внимание уделено сквозной фазе процесса, когда стримерная зона лидера полностью пересекает промежуток. Показано, что характер зависимости скорости от тока при этом не меняется, и потому сквозную фазу лидера можно использовать в экспериментах, где требуется регулировка тока в широких пределах. С этой целью удается использовать демпферное сопротивление, мало эффективное в начальной фазе. Установлены количественные показатели степенного закона, достоверно описывающего функциональную связь между током и скоростью в диапазоне единиц ампер. Обнаружено, что степенная зависимость с неизменными параметрами не пригодна для расчета скорости лидера на пределе его жизнеспособности, при токах порядка 0.1 A.
PACS: 52.80.Mg, 51.50.+V
1. ВВЕДЕНИЕ
Повышенное внимание к лидерному процессу
в последние годы связано с исследованием длин-
ных искровых разрядов в верхних слоях тропо-
сферы. Разряды такого типа возбуждаются летательными аппаратами или возникают естественным образом. Накоплен достаточно большой
объем регистраций высотных молний и так называемых блу-джетов, распространение которых также пытаются трактовать как лидерный процесс, рожденный в районе верхней кромки положительно заряженного участка грозового облака и направляющийся вверх, в сторону ионосферы. Экспериментальные исследования таких разрядов еще долгое время будут проводиться на феноменологическом уровне и вряд ли сумеют дать до-
статочный объем данных о тех электрических параметрах явления, что требуются для построения расчетной физической модели. Даже для модели "обычной" нисходящей молнии приходится привлекать опыт лабораторных исследований длинной искры. Для процессов в тропосфере ситуация заметно сложнее.
Нисходящая молния формируется в условиях,
близких к нормальным атмосферным, при которых собственно и проводятся лабораторные эксперименты. Сегодня измерения тока и скорости
лидера выполнены в промежутках длиной вплоть до 100 м [1]. Экстраполяция их на нисходящую молнию не представляется чрезмерно далекой. Иное дело молния в тропосфере, формирующаяся при давлении порядка 100 Тор и меньше. Здесь нужны эксперименты в барокамере, где не удается работать с разрядными промежутками длиннее 0.5-1 м [2]. Даже при нормальных условиях искровой разряд в таких промежутках начинается стримерной вспышкой, перекрывающей все межэлектродное пространство. То же характерно и для стримеров, стартующих от головки только что зародившегося лидерного канала. Стримеры переносят заряд на противоположный электрод, исключая его накопление в объеме промежутка. Транспортировка заряда стримерами оказывается чрезвычайно эффективной, поскольку их скорости могут превышать 109 см/с, что намного больше дрейфовой скорости электронов в сопоставимых полях. Тем самым обеспечиваются большие токи (до 100-1000 А), разогревающие искровой канал [3].
В отличие от начальной фазы лидера, где стримерная зона еще не достигла противоположного электрода, налицо качественно более сильный процесс, формирующийся с эффективно нарастающей скоростью и быстро завершающийся
Рис. 1. Фоторазвертка неторможенного лидерного процесса в промежутке длиной 8 м. Электронный затвор электронно-оптического преобразователя был закрыт непосредственно перед перекрытием промежутка каналом лидера, чтобы исключить переэкспонирование.
пробоем разрядного промежутка (рис. 1). В отечественной литературе эту фазу искрового разряда часто называют сквозной. В англоязычных публикациях используется термин final jump, вообще дистанцирующий явление от лидерного процесса. Основанием к этому считают на порядки большие ток и скорость формирования канала, а главное, приобретение промежутком падающей вольтамперной характеристики, уподобляющей разряд дуговому и быстро приводящей к завершению пробоя.
В [3, 4] подробно проанализированы причины принципиально различных токов в начальной и сквозной фазах искрового разряда, не имеющие непосредственного отношения к механизму формирования нового участка канала лидера, а в [5] развита гипотеза о физической природе этого механизма. Предположено, что новый участок канала начальным радиусом ~10-2 см рождается в объеме лидерной головки, радиус которой на 2 порядка больше, причем причиной контракции тока является ионизационно-перегревная неустойчивость. В этом механизме ток разряда, втекающий в головку, не зависит от процессов в ее объеме и фактически является внешним параметром модели. С другой стороны, время контрак-
ции, а следовательно, и скорость лидера, однозначно определяются величиной тока, но никак не особенностями его транспортировки. В совокупности все это является достаточно серьезным аргументом в пользу предположения о единстве функциональной связи между током и скоростью роста канала искрового разряда, не зависящей от фазы развития лидерного процесса.
Экспериментальной проверке высказанного предположения посвящена настоящая работа. В ней показывается, что равным токам лидера в начальной и сквозной фазах отвечают приблизительно равные скорости роста канала разряда. Более того, сопоставимые скорости удается наблюдать и в безэлектродном промежутке, организованном облаком заряженного аэрозоля над заземленной плоскостью [6].
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования в разрядном промежутке стержень-плоскость длиной до 8 м выполнены на открытом экспериментальном стенде при помощи импульсного генератора ГИН 6 МВ, формирующего положительные импульсы высокого напряжения с длительностью фронта около 100 мкс. За время формирования разряда напряжение на выходе ГИН снижалось менее чем на 5%. Для ограничения тока лидера в сквозной фазе выбрана традиционная схема с демпферным сопротивлением, величина которого в различных экспериментах варьировала в пределах 200-1000 кОм. Демпферный резистор был рассчитан на полное напряжение экспериментальной схемы, которое достигало 2000 кВ. Измерения тока производились безындуктивным шунтом, установленным под высоким потенциалом со стороны стержневого анода. Сигнал с шунта передавался к регистрирующему цифровому осциллографу по оптическому каналу с электрической прочностью не менее 3000 кВ. Временное разрешение цепи измерения тока, определяемое оптическим каналом связи, было не хуже 0.1 мкс; завал полки прямоугольного импульса длительностью 300 мкс, транспортируемого по этому каналу, не превышал 3%.
Оптическая картина разряда фиксировалась электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) с усилением света ФЭР 14. Как правило, ЭОП работал в режиме непрерывной развертки изображения. Изображение с его экрана снималось цифровой фотокамерой с чувствительностью 1600 ГОСТ, что гарантировало качественную проработку деталей как в начальной, так и в сквозной фазах процесса. Пространственная калибровка изображения производилась по статическим фотографиям.
Та же измерительная техника использовалась для регистрации параметров лидера в электрическом поле аэрозольного облака. Заряженное облако формировалось заряженной струей, выходящей из сопла под давлением 0.2-0.4 МПа. Во внешней среде поток уменьшал свою скорость, и заторможенные частицы конденсата образовывали аэрозольное облако, электрическое поле которого было достаточно для развития длинных искровых разрядов. Размеры частиц конденсированной воды на выходе сопла лежали в диапазоне 0.3-0.5 мкм и соответствовали минимальной подвижности частиц в электрическом поле порядка 1 кВ/см. Плотность аэрозоля достигала 105106 см-3. В струю генератора вводились пары поверхностно-активных веществ, снижающих скорость испарения капель и увеличивающих их устойчивость. Этим обеспечивалась возможность работы генератора в условиях пониженной влажности и при сравнительно высоких температурах окружающего воздуха.
Генератор обеспечивал электрический ток переноса заряженных частиц потоком пара на уровне 100-200 мкА при любой полярности заряженного аэрозоля. Аэрозольное облако объемом до 4 м3 формировалось на расстоянии около 5 м от сопла. По выполненным оценкам суммарный заряд в облаке достигал 200-300 мкКл, а его потенциал - 1-1.5 МВ. Этого достаточно для возбуждения положительного лидера с длиной канала более метра. Лидер стартовал от сферического электрода радиусом 5 см, заземленного через токовый шунт, продвигался вверх к аэрозольному облаку и завершал свое развитие в его объеме.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРОМЕЖУТКЕ СТЕРЖЕНЬ-ПЛОСКОСТЬ
Статическая фотография торможенного искрового разряда с экрана ЭОП в промежутке длиной 6 м показана на рис. 2. Электронный затвор был закрыт в момент контакта головки канала лидера с плоским катодом. Ток разряда был ограничен демпферным сопротивлением 250 кОм. Помимо самого канала отчетливо виден светящийся чехол, который оставила стримерная зона. Его радиус непринципиально меняется по мере движения лидера в разрядном промежутке.
Типичные непрерывные фоторазвертки ли-дерного процесса в промежутках стержень-плоскость длиной 4 и 6 м показаны на рис. 3 и 4 вместе с синхронными осциллограммами тока в основании лидерного канала. Амплитудные значения импульсного напряжения в этих экспериментах менялись незначительно, от 1520 кВ в промежутке 4 м до 1600 кВ в промежутке 6 м. Точечная струк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.