ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2009, том 47, № 1, с. 26-30
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 537.528
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДИАФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА
© 2009 г. Н. И. Фальковский
Институт электродинамики Национальной академии наук Украины, г. Киев Поступила в редакцию 05.07.2007 г.
Исследованы факельные образования сравнительно мало изученного диафрагменного разряда в воде при небольшой энергии разряда (до 10 Дж). Его особенности проявились в принципиальной разнице форм анодных и катодных факелов по обе стороны диафрагмы, в разном изменении их формы и размеров при изменении электропроводимости среды, в полярном развитии факелов от диафрагмы на свои электроды, в возможности существования "полупробоев" и их различии в зависимости от полярности, в особом виде катодного "полупробоя".
РДСБ 52.80.Wq
ВВЕДЕНИЕ
Диафрагменный разряд (ДфР) возникает в небольшом отверстии тонкой диэлектрической диафрагмы, разделяющей два объема воды, к которым прикладывается высокое импульсное напряжение. Инициируемый в отверстии разряд развивается дальше в объемы жидкости по обе стороны диафрагмы. С феноменологической точки зрения представляют интерес светящиеся факелы разряда, изменения их размеров и геометрии с изменением условий разряда, кажущаяся несвязанность этой видимой области разряда с электродами и др. Известно, что изучалась яркостная температура поверхности развитого факела мощного ДфР (~1500 Дж) и оценены параметры его плазмы [1]. В [2] ДфР использовался для изучения процесса нагрева воды в электрическом разряде. Предлагаемая работа направлена на изучение внешне-пространственных проявлений ДфР как электроразрядного явления.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследования проводились в прозрачном орг-стеклянном сосуде 1 с водой (рис. 1). Разряд возникал в отверстии диаметром 2г0 = 0.5 мм стекло-текстолитовой диафрагмы 4 толщиной Ь = 0.48 мм. Электродами служили медные стержни 3 диаметром 4 мм с изоляцией 2, установленные напротив отверстия с разных сторон диафрагмы 4 параллельно ее поверхности. Основное рабочее расстояние между поверхностями электродов составляло 20 мм. Поскольку целью исследований было выяснение влияния условий разрядов на развитие факелов, начальное напряжение и0 = 12 кВ и энергия источника (накопительная емкость С = = 0.1 мкФ) оставались неизменными. Кривые изменения напряжения и тока разряда записыва-
лись осциллографом с помощью делителя напряжения и токового шунта. Вид факелов фиксировался цифровым фотоаппаратом вдоль плоскости диафрагмы без развертки во времени за все время существования разряда. Это позволило получить предельные линейные размеры факельных образований. Исследования проведены в чистой (водопроводной) воде (электрическая проводимость а = 0.55 х 10-4 См/см) и растворах КаС1 в воде: в пятимиллинормальном (5 мн.) растворе (а ~ 0.6 х х 10-3 См/см) и в пятисантинормальном (5 сн.) растворе (а ~ 0.55 х 10-2 См/см).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В ДфР прежде всего представляет интерес своеобразие разрядной зоны. Область разряда хорошо визуализируется свечением, которое обычно и называется факелом. На рис. 2 приведены снимки факелов при разрядах в чистой воде (2а-2г), в
Рис. 1. Разрядная ячейка: 1 - сосуд с водой, 2 - изоляция, 3 - электрод, 4 - диафрагма.
Рис. 2. Снимки факелов ДфР в воде: перпендикулярно диафрагме й (й = 1.5 мм - (а); 1.0 мм - (б)); параллельно диафрагме (й = 0.5 мм): в воде - (в), (г); в 5 мн. растворе №С1 - (д), (е); в 5 сн растворе №С1 - (ж), (з).
5 мн. (2д, 2е) и в 5 сн. (2ж, 2з) растворах. Снимки 2а, 26 выполнены вдоль оси отверстия (перпендикулярно диафрагме) при диаметрах отверстия в сменных диафрагмах й = 2г0 = 1.5 (а) и 1 мм (б), 1 -границы отверстия, 2 - центры разрядов, 3 - зоны в отверстии, которые остались не занятыми продуктами разряда. Электроды при этом фотографировании были отодвинуты в сторону от оси отверстия. Остальные снимки (2в-2з) сделаны вдоль плоскости диафрагмы. При обработке снимков на компьютере оказалось возможным на обычной фотографии получать границы и конфигурацию зон с различной интегральной по спектру и толщине слоя плазмы энергетической яркостью излучения факелов ДфР. На рис. 2г-2з приведены такие обработанные снимки.
Разряды в чистой воде показали, что факелы по обе стороны диафрагмы различны по форме и размерам. В чистой воде анодный факел (направленный от отверстия в диафрагме на анод) представляет собой один или несколько стримеров различной мощности, длины и направленности (рис. 2в). Стримеры далеко не всегда ориентированы на анод (как средний стример), а могут быть направлены в произвольную сторону, например вдоль диафрагмы (как крайние стримеры на рис. 2в). Ка-
ких-то закономерностей в направлениях развития анодных стримеров (в отсутствие пробоев) не наблюдалось. В частности, развитие стримеров в направлении анода не было явно превалирующим. Их размеры, направление и количество значительно изменяются от разряда к разряду. Катодный факел (направленный от диафрагмы в сторону катода) имеет линейные размеры заметно меньшие, чем анодный, и бесстримерную форму (рис. 2в, 2г). Длина анодных факелов, измеряемая по величине стримеров, 1АФ более чем в 23 раза превышает длину катодных факелов 1КФ (разряды 1-12 на рис. 3). Поперечные же размеры факелов (вдоль диафрагмы) не имеют столь существенного различия (рис. 2в, 2г).
Интересной особенностью диафрагменного разряда оказалась возможность пробоя и развития контрагированного разряда между отверстием диафрагмы и одним из электродов, называемым здесь "полупробоем". В чистой воде электрический пробой разрядного промежутка между отверстием диафрагмы и анодом происходит при значительно больших расстояниях 1А, чем при пробоях промежутка отверстие диафрагмы-катод длиной 1К. Так, в данных условиях при междуэлектродном расстоянии 1ВЕ = 20 мм и размещении диа-
28
ФАЛЬКОВСКИИ
5 сн раствор №С1
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40
Номера разрядов
Рис. 3. Длины анодных /Аф и катодных /кф факелов ДфР в различных средах и разрядах.
и/2, кВ; у4, А 6Г
5 -
4-
100
200
300
400
500
600 700 мкс
Рис. 4. Изменение во времени г напряжения и на электродах (1), токов разряда в чистой воде 1м; без "полупробоя" (2) и с "полупробоем" на анод (5) и тока разряда в 5 сн. растворе 18 (4); а - всплески на кривых, соответствующие началу ДфР, Ь - скачок тока в момент "полупробоя."
3
2
1
0
фрагмы посредине промежутка (1А = 1к = 10 мм) в случае указанного выше рабочего напряжения и0 = 12 кВ наблюдаются редкие пробои только на анод. Пробои на катод начинают происходить только при смещении диафрагмы к катоду на расстояние 1к < 4.5 мм. Отличительной особенностью ДфР здесь является также то, что перемыкание каналом пробоя даже "длинного" промежутка диафрагма-анод 1А = 0.51ВЕ не приводит к полному пробою всего разрядного промежутка 1ВЕ, как это было бы при междуэлектродных пробоях в газовых и твердых средах. Эта особенность отражается и на форме кривых тока (рис. 4). При обычном ДфР в чистой воде кривые напряжения и (кривая 1) и тока 1Ц, (кривая 2) являются плавными зависимостями длительностью 680 мкс. Пробой в
отверстии диафрагмы происходит на максимуме импульса напряжения и приводит к небольшому провалу а. С этого момента 1м; нарастает как ток разряда. При "полупробое" (кривая 3) происходит естественный скачок Ь тока 1м; в момент замыкания промежутка отверстие диафрагмы-анод контраги-рованным каналом пробоя с малым электрическим сопротивлением (рис. 2г).
С феноменологической точки зрения интересным является также то, что не только факелы, но и каналы пробоев от диафрагмы на анод и катод существенно разнятся между собой. Анодный канал подобен обычному линейному каналу пробоя в воде между металлическими электродами (рис. 2г). Катодный канал (рис. 2е) представляет собой полусферический факел, почти достигающий элек-
трода, и только из его вершины развивается на катод очень короткий (по сравнению с самим факелом) линейный контрагированный канал 1. Картины катодного пробоя в чистой воде и в 5 мн. растворе качественно идентичны, поэтому здесь делается ссылка на рис. 2е, относящийся к этому раствору.
Разряды в 5 мн. растворе ИаС1 при электропроводимости а, на порядок большей, чем в чистой воде, показали, что катодный факел стал существенно большим по линейным размерам, чем анодный. Стримеры анодного факела стали короче, более размытыми, и во многих случаях анодный факел является даже совсем бесстри-мерным, как и катодный (рис. 2д, 2е). В среднем длины катодных факелов в 5 мн. растворе КаС1 по сравнению с их длинами в чистой воде выросли примерно в 2.5 раза, а длины анодных уменьшились на 30-50% (рис. 3, разряды 14-27). Уменьшение длины анодного факела совпадает с уменьшением длины анодного расстояния, которое может быть пробитым при указанном рабочем напряжении и0 = 12 кВ. Увеличению же размеров катодного факела, наоборот, соответствует то, что стал возможным пробой катодных промежутков 1К ~ 6.7 мм, т.е. более длинных, чем в чистой воде. Иными словами, в 5 мн. растворе №С1 электрическая прочность Ей среды в катодной области упала, а в анодной - возросла, что, надо полагать, повлияло и на указанное изменение размеров факелов. Однако характер катодного пробоя не изменился: как и в чистой воде канал пробоя не пересекает весь промежуток 1К, а только замыкает вершину полусферического катодного факела (рис. 2е).
Разряды в 5 сн. растворе ИаС1 показали, что катодные факелы резко возросли, а анодные несколько уменьшились (рис. 3, разряды 29-41). Катодные факелы стали еще более симметричными, с полусферичной формой (рис. 2ж), анодные полностью потеряли стримерную структуру, и их форма также приблизилась к полусферичной (рис. 2ж, 2з). Существенно, что и в тех, и в других появилось развитое ядро с непрерывным по спектру излучением (белым на снимке), по размерам значительно большее, чем в каналах сквозного пробоя в чистой воде и в 5 мн. растворе (рис. 2г, 2е). Зоны факелов с белым излучением помечены на всех снимках цифрой 1. С переходом от 5 мн. к 5 сн. раствору объем катодных факелов вырос в 27-30 раз при неизменных исходных п
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.