ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2010, том 44, № 3, с. 272-276
- ПЛАЗМОХИМИЯ =
УДК 537.525
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОДВОДНОГО РАЗРЯДА
ТИПА "ДИАФРАГМЕННОГО" © 2010 г. А. И. Максимов, А. Ю. Никифоров
Институт химии растворов Российской академии наук 153045, Иваново, ул. Академическая, 1 E-mail: aim@isc-ras.ru Поступила в редакцию 27.04.2009 г.
Исследованы электрические и спектральные свойства диафрагменного разряда, возбуждаемого на частоте 50 Гц в растворе сульфата натрия. Найдено, что излучение атомов водорода, радикалов OH и атомов Na характеризуется узким начальным всплеском, совпадающим с импульсом тока и послесвечением длительностью несколько сотен микросекунд, которое может быть связано с хемилюми-несценцией в растворе, инициируемой газовым разрядом. Сделаны предварительные оценки характеристик разряда.
К "подводным" разрядам мы относим плаз-менно-растворные системы, в которых зона плазмы возникает в объеме раствора [1]. Как правило, основная причина электрического пробоя, возникающего в растворе газопарового пузыря, — нагрев раствора, хотя некоторую роль могут играть и электрохимические процессы. Во всех случаях разряд возникает в диэлектрическом объеме, размещенном внутри основной газоразрядной ячейки. В относительно широких трубках, погруженных вертикально в раствор, возникает "торцевой" разряд [1]. Уменьшение диаметра трубки приводит к тому, что свойства разряда приближаются к свойствам классического диафрагменного или капиллярного разряда. Исследованиям такого разряда посвящена настоящая работа.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Ячейка и схема капиллярного разряда представлены на рис. 1. В раствор электролита в сосуде 12 через отверстия в крышке 9 опускаются два графитовых электрода 8 диаметром 7 мм. При приложении между электродами высокого напряжения от повышающего трансформатора 6 течет ток электролиза и происходит нагрев раствора внутри сужающегося капилляра 10 с минимальным диаметром 0.8 мм. Разряд генерируется в конце узкого канала 11, где из-за перегрева раствора и электролиза образуется газопаровой пузырек. В качестве исследуемого раствора был выбран раствор №2804 с проводимостью 500 и 4500 мкСм/см.
Ток разряда регистрировался цифровым осциллографом по падению напряжения на сопротивлении величиной 300 Ом, подключенном со стороны потенциала земли. Напряжение на разрядном промежутке измеряли с помощью делите-
ля напряжений 1 : 1000. Боковое излучение разряда проходило через кварцевое окно 13, впаянное в стенку реактора. Далее необходимая полоса излучения выделялась монохроматором 1 и регистрировалась ФЭУ 3 с источником питания 2. Для усиления получаемого с ФЭУ сигнала использовали двухкаскадный усилитель 4 с общим коэффициентом усиления 500. Усиленный сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, регистрировали по второму каналу цифрового осциллографа 7 и записывали на компьютер (ПК). Анализ электрической цепи (емкость фильтров, характеристики ФЭУ и усилителя, пропускная полоса осциллографа) показал, что полоса пропускания схемы регистрации излучения при усилении сигнала в 500 раз не хуже 5 МГц. Для устранения наложения в спектрах полос второго и третьего порядков использовали систему фильтров 14. Аналогичная схема была использована для регистрации и осевого излучения разряда. Осевое излучение через линзу 15 и световод 17 с переходными устройствами 16 и 18 попадало на входную щель монохроматора 1. Из-за узкой полосы пропускания световода 17 (350—700 нм) были получены данные об осевом излучении только резонансных линий На.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Типичные осциллограммы тока и напряжения показаны на рис. 2. В течение каждого полупериода наблюдаются два всплеска тока. Длительность импульса тока составляет ~15 мкс с очень крутым передним фронтом. Два импульса разделены интервалом ~1 мс. При этом, как видно из рис. 2, падение напряжения на ячейке в течение ~1 мс растет, постепенно ускоряясь к моменту зажигания разряда (АС). После прохождения им-
~ 220 В, 50 Гц 5
Ом
14
Я 1 кОм
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — монохроматор, 2 — источник питания, 3 — ФЭУ, 4 — двухкаскадный усилитель, 5 — вольтметр, 6 — повышающий трансформатор, 7 — осциллограф, 8 — графитовые электроды, 9 — крышка, 10 — капилляр, 11 — канал, 12 — сосуд, 13 — кварцевое окно, 14 — система фильтров, 15 — линза, 16, 18 — переходные устройства, 17 — световод.
пульса тока (ВС) падение напряжения относительно медленно спадает также в течение ~1 мс (СD). На наш взгляд, на участке АВ происходит рост пузырька в устье узкого канала, причем, в соответствии с [4], рост начинается с периферии и перекрывает канал с последующим пробоем. Завершение импульса тока не приводит к мгновенному полному открытию канала. Он остается частично перекрытым, возможно, микропузырьками, оставшимися после предшествующего пробоя. В результате падение напряжения на канале меняется медленно, и создаются условия, благоприятные для следующего пробоя. Уже после второго пробоя происходит полное схлопывание пузырька и открытие канала ^Е). После этого осциллограммы тока и напряжения имеют вид исходных синусоид.
Как и в случае тлеющего разряда в воздухе с раствором соли в качестве катода наиболее интенсивными компонентами оптического излучения разряда являются излучение продуктов распада молекул воды — атомов водорода и радикалов ОН, а также резонансные линии атомов, катионы которых находятся в растворе [2]. В настоящей работе регистрировались интенсивности излучения радикалов ОН (309 нм), № (589, 589.6 нм) и На (656.3 нм).
Осциллограммы основных компонентов излучения разряда показаны на рис. 3—5 вместе с ос-
циллограммами тока. Видна общность в поведении всех исследованных интенсивностей излучения. Во всех случаях наблюдается острый пик соответствующий импульсу тока, хотя и отличаю-
и, В 5000 г
4000
3000
2000
1000 0
23 мс
I, мА 50
40 30 20 10 0 -10 -20
Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения: АВ — предпробойный медленный рост напряжения, связанный с ростом парового пузыря, и пробой; ВС — завершение импульса тока; СD — медленный послепро-бойный спад напряжения, связанный с восстановлением проводимости канала; DЕ — спад напряжения после разрушения микропузырьков.
0
1
4
1 2 3 4 I, мс
Рис. 3. Осциллограмма интенсивности излучения линии водорода На: 1 — ток в ячейке, 2 — интенсивность излучения линии На.
щийся от последнего полушириной. Далее наблюдается длительное послесвечение. Оно составляет ~ 150 мкс в случае натрия и 650—800 мкс в случае радикалов OH и атомов H.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В соответствии с данными [4], образование парового пузыря в процессе формирования импульсного диафрагменного разряда происходит в виде кольца, расположенного по периметру отверстия диафрагмы. Мы предполагаем, что в нашем случае рост парового пузыря происходит таким же образом. Это значит, что в месте расположения пузыря проводящий канал раствора сужается и возрастает падение напряжения. Если оно достигнет напряжения пробоя, зажжется разряд. Таким образом, для возникновения диафрагменного разряда не обязательно полное перекрывание отверстия диафрагмы (или капилляра) пузырем. Несложно убедиться, что распределение приложенного к ячейке напряжения между основным раствором и зоной роста пузыря зависит лишь от размера пузыря, диаметра отверстия (капилляра) и геометрии ячейки, занятой основным раствором. Оценки показывают, что для нашего случая (диаметр капилляра 0.8 мм) при падении напряжения на ячейке 4000 В пробивное напряжение, составляющее ~1000 В (правая ветвь кривой Пашена), будет достигнуто при толщине пузыря не более 0.1 мм. При этих условиях и атмосферном давлении напряженность поля в кольцевом зазоре при пробое составит ~ 5 х 10-19 В м2. При этом скорость дрейфа электронов составит ~7 х 107 см/с, и время развития разряда, оцениваемое как время пробега через разрядный промежуток десяти электронных лавин, не превысит 10-9 с.
Ко времени формирования разряда зона плазмы расширяется от узкого пристеночного кольца до приблизительно сферического образования с
_1 I/Vv 2 -
L 1-
1 1 1
« <D
К н О
0.5
1.0
1.5
t, мс
Рис. 4. Осциллограмма интенсивности излучения радикала ОН (309 нм): 1 — ток в ячейке, 2 — интенсивность излучения радикала ОН.
диаметром близким к внутреннему диаметру капилляра. При этом падение напряжения на разрядной зоне достигает ~3000 В. Знание приведенной напряженности поля позволяет оценить скорость дрейфа электронов и их подвижность, которая составляет ~0.2 м2 В-1 с-1. Этой подвижности отвечает частота соударений электронов ~1012 с-1. При значении средней доли энергии, теряемой электроном при одном соударении ~10-2, для времени релаксации средней энергии электронов найдем ~10-10 с. Как и следовало ожидать (ввиду атмосферного давления в системе), изменения средней энергии электронов соответствуют изменениям поля.
1 L
- ч| / NK^V tr Лд^-
1
2
3
4 t, мс
Рис. 5. Осциллограмма интенсивности излучения
атома На (589 нм): 1 — ток в ячейке, 2 — интенсив-
ность излучения атома На.
1
Релаксация электронной плотности определяется характерным временем гибели электронов. Несмотря на очень малые размеры плазменной зоны из-за высокого давления время жизни электронов в процессе амбиполярной диффузии оказывается около ~10—3 с. Более быстрым оказывается прилипание электронов к молекулам воды. Согласно [5], приведенный таунсендовский коэффициент прилипания электронов к молекулам воды при E/N > 10-19 В м2 асимптотически стремится к величине 5 х 10-18 см2. С учетом приведенной выше оценки скорости дрейфа электронов это дает частоту прилипания ~5 х 109 с-1 и соответственно характерное время процесса ~2 х х 10-10 с. Следовательно, в области больших полей характерные времена изменений электронной плотности и напряженности электрического поля будут близки. Гораздо медленнее процесс де-ионизации. После прекращения импульса тока, когда поле в паровом пузыре падает до нуля, прекращается не только процесс ударной ионизации, но и прилипание электронов, поскольку, согласно [5], при E/N < 39 Таунсенд образование отрицательных ионов в парах воды не наблюд
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.