ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 7, с. 683-688
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.528
ПРЕДПРОБОЙНАЯ СТАДИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО РАЗРЯДА В ВОДЕ
© 2004 г. А. М. Анпилов, Э. М. Бархударов, В. А. Копьёв, И. А. Коссыый, В. П. Силаков, М. И. Тактакишвили, С. М. Темчин
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 29.08.2003 г.
Окончательный вариант получен 26.11.2003 г.
Экспериментально исследована предпробойная стадия электрического разряда между острийным (анод) и плоским (катод) электродами, введенными в водную среду при различных начальных про-водимостях. При подаче высоковольтного импульса в межэлектродном промежутке обнаружено появление наведенной проводимости, почти на порядок величины превышающей исходную. Показано, что наведенная проводимость растет с ростом исходной почти линейно. Зарегистрирована корреляция с наведенной проводимостью ультрафиолетового излучения, источник которого находится на поверхности анода. Проводится качественный анализ результатов эксперимента.
Физика межэлектродного пробоя в водной среде, несмотря на весьма обширный экспериментальный и теоретический материал [1-3], а также на интерес в связи с различными приложениями [4-7], остается не выясненной до конца. Отсутствует физическая модель, непротиворечиво объясняющая процесс развития межэлектродного разрядного канала - особенно на ранней его стадии. Проблема предпробойной стадии разряда в воде является основной в настоящей работе, представляющей результаты цикла экспериментов и их качественный анализ.
Экспериментальная установка изображена на рис. 1. Цилиндрическая камера (1), выполненная из оргстекла и имеющая кварцевые окна, заполняется водой с различной удельной проводимостью: 40 < n0 < 2000 мкСи/см (дистиллированная вода с различной примесью NaCl). Величина По определялась с помощью прибора TDSTestr. Разряд возбуждается между двумя электродами: острийным (игла) (6) и плоским (2). Расстояние между электродами L менялось в пределах L ~ 0.2-2.0 см. Поджиг разряда осуществлялся подачей на электроды высоковольтного импульса напряжения (U > 20 кВ; т < 10 мкс).
Проводились измерения напряжения на электродах U и тока I, протекающего в цепи электродов (поясом Роговского (7)).
Коллимированным "слепым" (не чувствительным к видимому свету) ФЭУ-142 (4) регистрировалось коротковолновое (к < 350 нм) свечение из различных областей разрядного промежутка. Спектрографом S2000 (фирмы Ocean Optics) (8) снимался обзорный спектр излучения как на разрядной, так и на предпробойной стадиях (200 нм < < к < 850 нм).
На рис. 2 и 3 представлены характерные осциллограммы сигнала с делителя, определяющего напряжение между электродами, и сигнала с пояса Роговского, регистрирующего ток в электроразрядной цепи (острие является анодом). На рис. 2 разряд достигает стадии пробоя межэлектродного промежутка, на рис. 3 разряд не завершен.
На рис. 4 представлены осциллограммы тока в разрядной цепи и сигнала с коллимированного ФЭУ на различных расстояниях I от острийного анода.
Y w 2
Рис. 1. Схема эксперимента.
1 - камера из оргстекла; 2 - плоский катод; 3 - вода; 4 - ФЭУ; 5 - околоанодные стримеры; 6 - острийный анод; 7 - пояс Роговского; 8 - спектрограф 82000.
и, кВ 0
10 -
20 -
30 -
I, А 0
40
80
120
160
и, кВ 0
4
i, А
12
Рис. 2. Осциллограммы электрического напряжения на электродах (7) и тока в электродной цепи (2). П0 = 400 мкСи/см.
Достигается завершенная разрядная стадия.
Рис. 3. Осциллограммы электрического напряжения на электродах (7) и тока в электродной цепи (2). П0 = 550 мкСи/см. Разряд не завершен.
8
На рис. 5 показан характерный интегральный по импульсу обзорный спектр излучения из стримеров, развивающихся у анода и не перекрывающих за время импульса разрядный промежуток.
Анализ приведенных на рис. 2-5 осциллограмм позволяет выделить следующие особенности предпробойной стадии межэлектродного разряда в воде:
- Процесс пробоя характеризуется несколькими временными стадиями, отличающимися, в частности, величиной и динамикой проводимости а межэлектродного промежутка. На первой - начальной - стадии Дг1 - 100-200 нс (0 < г < t1) проводимость постоянна и равна исходной а = а0. Вторая стадия Дг2 - 200-250 нс (г1 < г < г2) отличается существенным (более чем на порядок) возрастанием проводимости межэлектродного промежутка с тенденцией выхода на квазистационар к концу временного интервала. На третьей стадии Дг3 - 100 нс (г2 < г < г3) регистрируется более резкое, чем на стадии Дг2, возрастание проводимости с достижением максимума, почти на два порядка превышающего исходную проводимость а0, и последующим спадом (пик проводимости) с минимумом в момент г = г3. На третьей стадии происходит переход от предпробойного состояния к пробою с замыканием межэлектродного промежутка разрядным каналом. И, наконец, четвертая стадия: г > г3, на которой наблюдается относительно медленное возрастание а в сформированном разрядном канале. Характерное поведение во времени величины а, рассчитанной из вольт-амперных осциллограмм, приведено на рис. 6.
- На второй стадии величина наведенной проводимости межэлектродного промежутка а оказывается тем выше, чем выше исходная проводимость а0 (а/а0 = 10).
- На второй стадии разрядного процесса (Дг2) одновременно с возрастанием межэлектродной проводимости наблюдается появление ультрафиолетового (регистрируемого "слепым" в видимой области ФЭУ) свечения из области, непосредственно прилегающей к острийному аноду (см. рис. 4). При этом, как следует из фотографий разрядного промежутка, вклад в свечение на ранней стадии вносят как точечное излучение с поверхности анода, так и излучение незавершенных прианод-ных стримеров. Свечение в межэлектродном промежутке и вблизи плоского катода регистрируется в виде вспышки (характерного пика) лишь во времена перехода от стадии Дг3 к стадии замкнутого разрядным каналом промежутка. При этом с существующей точностью измерения временных задержек не удается зарегистрировать какой-либо сдвиг между вспышками свечения анода и катода, что означает, что на этой стадии скорость распространения свечения от анода к катоду превышает по крайней мере 108 см/с. Следует отметить также характерный сдвиг примерно на 40 нс между пиком межэлектродного тока и пиком, соответствующим вспышке ультрафиолетового свечения из разрядной области (пик тока опережает пик свечения).
- При исходной проводимости По > 300 мкСи/см энергия, выделяемая в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии, оказывается сравнимой и даже больше энергии, выделяемой
ПРЕДПРОБОИНАЯ СТАДИЯ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО РАЗРЯДА В ВОДЕ
685
и, кВ
i, А
Г'ч>]
i, А
100 -
200
300 -
100 -
200 -
300 -
_|_I_I_I_I_I_I_I_1_
i, А i, отн. ед.
0
0.2 0.4 0.6 0.8 мкс
Рис. 4. Осциллограммы тока в электродной цепи (7) и
сигнала с ФЭУ (2).
П0 = 550 мкСи/см; Ь = 1 см.
а) - Свечение из области вблизи анода (I = 0); б) - свечение из области, находящейся в средней части межэлектродного промежутка (I = 0.5 см); в) - свечение из области вблизи катода (I = Ь = 1 см).
i, отн. ед. 800
600
400
200
2000 3000 4000 5000
6000 7000 8000 X, А
Рис. 5. Характерные спектрограммы излучения из межэлектродного пространства на предпробойной стадии.
Свечение из области, отстоящей от анода на I =1 мм.
на разрядной стадии со сформированным каналом, перекрывающим промежуток (см. рис. 7).
В литературе по электрическому пробою жидких диэлектриков существуют две принципиально разные точки зрения на причины, вызывающие начало разряда. Предполагается, что пробой осуществляется либо по тепловому, либо по ионизационному механизму. До недавнего времени доминировали представления об ионизационном механизме пробоя при импульсном напряжении с длительностью импульса <10-6 с [2, 3, 8]. Эти представления основывались на внешнем сходстве картин электрического разряда в жидкостях и газах, а жидкость рассматривалась как очень плотный газ.
Однако результаты, полученные в последние годы, привели к пересмотру модели пробоя, принятой в [2, 3, 8] и основанной на предположении об определяющей роли электронной проводимости жидкостей. Предполагается [9], что даже в сильных электрических полях электроны находятся в "гидратированном" состоянии [10, 11] и имеют примерно ионную подвижность. Очевидно, что в таком случае электроны не могут ударно ионизовать молекулы жидкости.
В значительном числе работ последних лет в качестве основной версии электрического пробоя жидкого диэлектрика высоковольтными импульсами с длительностью, большей 10-6 с, рассматривается версия, основанная на предположении о нарушении фазовой однородности жидкости при импульсном напряжении и образовании пузырьков, в которых и происходит пробой, аналогичный пробою газовому [12-14].
Анализируя представленные выше результаты эксперимента, отметим прежде всего наблю-
0
686 о, Си
1010-
10"
Р, Вт
106
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
г, нс
Рис. 6. Динамика межэлектродной проводимости. По = 400 мкСи/см.
105
¿1
_|_1_|_
А
¿3
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
г, нс
Рис. 7. Изменение во времени мощности, выделяемой в межэлектродной водной среде. П0 = 400 мкСи/см.
даемый на предпробойной стадии рост межэлектродной проводимости о почти на порядок по сравнению с исходной (см. рис. 6). Такое поведение о при импульсной подаче высоковольтного напряжения на электроды в воде обнаружено ранее еще в [15]. Предпринятая в [15] попытка объяснить увеличение о ростом константы диссоциации молекул воды в сильных полях не увенчалась успехом. Элементарные оценки показывают, что полученный в настоящей работе эффект значительного предпробойного роста проводимости не может быть объяснен предположением, что основными переносчиками отрицательного заряда являются ионы или "гидратированные" электроны. Вместе с тем переход от ионной проводимости к электронной может вполне обеспечить уровень токов (50-100 А), регистрируемых в настоящем эксперименте на стадиях Дх2 и Дх3. Подвижность электронов в (ш, /ше)1/2 раз превышает подвижность ионов, а следовательно, во столько же раз могут возрастать и токи. В случае, если основн
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.