Оптические иссследования предпробивных явлений в воде в наносекундном диапазоне

Вопрос о механизме импульсного электрического пробоя чистой года приобретает особое значение в связи с интенсивным развитием техники генерирования мощных электрических импульсов с помощью емкостных накопителей энергии. Эти устройства широко используются в таких актуальных областях современной физики как термоядерные исследования, генерация мощных электронных пучков и вспывек рентгеновского излучения, накачка лазеров и т. д. /I, 2, 3/.

Поскольку импульсная электрическая прочность воды не уступает техническим диэлектрикам, а диэлектрическая проницаемость значительно ваше, то замена традиционных изолирующих сред водой позволило существенно улучшить параметры импульсных емкостных накопителей энергии. Для дальнейвего прогресса в этой области требуется увеличить рабочую напряженность поля в воде. Поэтому изучение и выяснение процессов, ответственных за нарушение электрической прочности воды, представляет большой практический интерес.

В настоящее время не существует единой точки зрения даже относительно самых общих черт механизма импульсного пробоя чистых жидкостей. По мнению различных авторов определяющую роль в нарушении электрической прочности яидкого диэлектрика играют: лавинное размножение электронов по механизму ударной ионизации, автоионизация и диссоциация полем молекул жидкости, образование пузырьков за счет термических и кавитацион-ных явлений и т. д. При этом считается, что поле в промежутке может значительно отличаться о? электростатического в результате эмиссии электронов с катода и образования объемного заряда.

Теоретическое описание каждого из перечисленных процессов встречает значительные трудности. Тем более невозможно учесть взаимное влияние этих процессов и путем теоретического анализа выделить то, которые играют определяющую роль при импульсном пробое жидкости.

Поэтому ва данном этапе исследования главной задачей является постановка таких экспериментов, которые позволят сократить число возможных гипотез и построить качественную картину явления, бри ремеиии этой задачи выбор воды в качестве объекта исследования наиболее целесообразен.

Вода является общепринятой моделью полярной жидкости, её молекулы имеют простое строение, а физико-химические свойства яироко изучены, что должно облегчить интерпретацию получаемых результатов.

Существенным обстоятельством является также то, что воде свойственен эффект Керра. Это дает возможность изучать оптическим методом распределение предпробивных полей в разрядном промежутке, т. е. получать информацию, имеющую основополагающее значение для выяснения механизма пробоя.

Основные закономерности импульсного пробоя воды аналогичны наблюдаемым для других жидких диэлектриков. Поэтому выяснение механизма импульсного пробоя воды поможет в ремешки этой задачи для мирокого класса жидкостей.

ВЫВОДЫ.

I. При воздействии импульсов наносекундного диапазона, электрическое поле в плоском промежутке не искажается и остаётся однородным при напряжённости поля в промежутке до 1,3 МВ/см. Разряд с анода начинается при меньшей напряжённости поля по сравнению с напряжённостью зажигания разряда с катода.

Б. Нарушение электрической прочности воды вблизи анода обусловлено возрастанием проводимости воды за счёт инжекции с анода положительных носителей заряда и их движения по квазидырочному механизмуЭто приводит к появлению в воде микропузырьков, в которых развиваются ионизационные явления.

4. Электроны катодного происхождения находятся в воде в гидратированном состоянии и сохраняют свою низкую подвижность при напряжённости внешнего электрического поля в воде до 10 МВ/см.

5″ Первичные ионизационные явления вблизи острийного катода связаны с возникновением ударной волны и развиваются в кавитационных микрополостях за её фронтом*.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ состояния вопроса показал, что существующие представления о механизме импульсного пробоя воды содержат значительные противоречия. С другой стороны, известные экспериментальные данные допускеют различные толкования и не могут служить критерием справедливости той или иной гипотезы. Поэтому задачей настоящей работы явилось получение данных, которые позволили бы сократить число возможных гипотез и построить физическую квртину явления.

Исходя из известного экспериментального материала и существующих гипотез о механизме импульсного пробоя воды, основI ное внимание было уделено:

1. природе оптической неоднородности, ответственной за нарушение электрической прочности воды вблизи анода;

2. распределению предпробивных полей в плоском промежутке вблизи острия, в системе электродов «остриё — плоскость» и связанного с этим вопроса об эмиссии и подвижности электронов в предельных электрических полях ~ I07 В/см;

3. выяснению и объяснению характерных отличий в феноменологии зажигания и развития разряда с анода и катода.

С этой целью была собрана экспериментальная установка со следующими параметрами:

Амплитуда рабочего импульса. 50 т 300 кВ.

Длительность импульса. 10 г 200 не.

Длительность переднего фронта импульса. 2 не Минимальная длительность экспозиции кадра 10 не Максимальное число кадров. 4.

Пространственное разрешение прн масштабе увеличения М = 10 .

33 п. лн/мм.

Временное разрешение в хронографическом режиме .

В экспериментах по изучению изменения спектра пропускания воды:

Временное разрешение .

3 т 5 не.

Спектральное разрешение (при одновременной о о регистрации спектра в диапазоне 3500 <�А<6500А). 100А.

При исследовании предпробивных полей в плоском промежутке:

Экспериментально установлено, что: I. Поле в плоском промежутке остаётся однородным вплоть до начала разряда, что противоречит существующим представлениям, в которых для объяснения преимущественного разряда с анода предполагалось значительное перераспределение поля в промежутке за счет эмиссии электронов с катода.

П. В системе электродов «остриё — плоскость» напряженность зажигания разряда с «острия — анод» меньше, чем в случае катода. Эмиссии электронов с катода и образования вблизи острия объемного заряда не обнаружено при напряженности макрополя Ек = 10 МВ/см. Последнее означает, что подвижность электронов в воде в достигнутых полях не превышала.

Временное разрешение Амплитудное разрешение.

3 не 0,3% см2/Вс и, соответственно, скорость U9~i, 5-I05 ом/с была близка к скорости звука в воде.

1. Оптическая неоднородность, ответственная за нарушение электрической прочности воды при разряде с анода, представляет собой множество микропузырьков. Исходя из измеренного коэффициента пропускания этой неоднородности (Кпр слоя толщиной Ю~2 см составлял ~ 5%) и отсутствия спектральной зависимости К&trade- ()" был0 найдено, что объемная плотот ность микропузырьков го 10°, а их средний размер см0 5 мкм.

IV. Картина разряда с «острия — анод» выглядела следующим образом. При воздействии на промежуток (R остр =30 мкм, 1 = 1,5 см) импульса с фронтом ^ ~ 10 не, 0мах = 265 кВ, в тот момент, когда напряжение на промежутке достигало величины 100 кВ вблизи острия возникало множество микропузырьков и вода утрачивала свою прозрачность. В этих пузырьках развивались ионизационные явления, сопровождающиеся эмиссией света. На начальном этапе зова ионизации имела диффузный характер и развивалась в радиальных направлениях от кончика острия, сохраняя шарообразную форму в течении 2*5 нсек. В этой зоне возникали яркие участки контрагированного свечения. При дальнейшем развитии контра-гированные участки также окружены областями диффузного свечения, а зона ионизации распространяется в промежутке в виде дендритов.

V. Наиболее характерными отличиями в возникновении и развитии разряда с «острия — катод» по сравнению с анодом являются:

1. Значительно больший потенциал зажигания свечения на остриё JIl->2,5. и;

2. Разряд развивается в виде пространственно локализованных каналов, обширные области диффузного свечения, наблюдавшиеся при разряде с анода, отсутствуют. Поперечные размеры одиночных каналов составляют 80 — 100 ики, в то время как в случае анода поперечный размер зоны ионизации достигает 800 мкм.

3. Скорость продвижения головки канала составляет.

1УК = (0,1 т 0,3)-Ю7 см/с, и значительно уступает.

Ua~I07 см/с.

Кроме того вблизи катода была зарегистрирована ударная волна, предшествующая началу ионизационных явлений у катода. Наблюдался большой разброс по времени зажигания разряда с катода не, в то время как эта величина для анода не превышала I не.

Анализ полученных данных приводит к следующим выводам. Традиционные представления об определяющей роли в нарушении электрической прочности воды при разряде с анода таких процессов, как: автоионизация и диссоциация полем молекул жидкости, ионизация полем микропримесей и включений, эмиссия ионов с анода и электронов с катода — неверны.

П. Для объяснения наблюдаемых закономерностей и устранения существующих противоречий оказывается необходимым предположить, что в воде в предпробивных полях реализуются условия для движения положительных носителей по дырочному механизму со скоростью близкой к скорости развития разряда с анода и, соответственно, подвижностью см2/Вс.

Существующие представления об электропроводности воды (эффект аномальной подвижности протона") делают это предположение вполне оправданным. Анализ этого эффекта применительно к предпробивиым полям показывает, что механизм движения положительных носителей в этих условиях приобретает черты дырочного и способен обеспечить высокую подвижность носителей. Это обусловлено: а) ориентацией молекул воды в сильном поле, в результате чего реализуется необходимое условие для перескокового движения носителей, б) нивелированием межмолекулярного потенциального барьера для переноса заряда.

Оценки степени дипольного насыщения молекул воды и искажения межмолекулярного барьера для переноса заряда показали, что эти эффекты должны играть значительную роль при.

Е МВ/см и подвижность носителей, двигающихся по этому? механизму, достигать величины Ji ~ I ом^/Вс.

III. Сущность механизма импульсного пробоя воды с анода представляется следующим образом. Протекание прианодного дырочного тока приводит к нагреванию воды и возникновением в ней отрицательных давлений, что сопровождается ударным вскипанием воды и образованием множества иикропузырьков. В этих микропузырьках развиваются ионизационные явления, что приводит к нарушению электрической прочности воды вблизи анода. Образовавшаяся зона ионизации выполняет роль анода, инжектируя носители в промежуток. Это, в свою очередь, сопровождается вскипанием прилегающих слоев воды и продвижению зоны ионизации. Перемыкание части микропузырьков приводит к образованию структур, в которых ионизационные процессы развиваются более интенсивно, что регистрируется как появление ярких контрагированных участков.

17. Рассмотрение полученных данных о прикатодных явлениях приводит к выгоду о неприменимости гипотезы об ударной ионизации для объяснения разряда с катода. Можно предположить, что при наносекундных экспозициях напряжения первичные ионизационные явления возникают в кавитационных полостях, появляющихся за фронтом ударной волны. Электроны, эммитированные из этих плазменных образований с начальной энергией > 1эВ преодолевают гидратационный барьер и в поле Е > 0,17 МВ/см двигаются с тепловыми скоростями, теряя энергию, получаемую от поля ари взаимодействие с молекулами жидкости. Это приводит к появлению в воде новых пузырьков с их последующей ионизацией, в результате чего происходит продвижение канала в промежутке.

Низкая скорость развития разряда с катода обусловлена, по-видимому, эффективным захватом молекулами воды эммитированных электронов с их последующей гидратациейэто приводит к появлению перед головкой канала малоподвижного объемного заряда, тормозящего его развитие.

Больоой разброс по времени зажигания разряда с катода объясняется вероятностным характером кавитационных явлений. При болыих длительностях воздействующих напряжений, когда ударная волна не возникает, первичные парогазовые включения могут быть инициированы такими эффектами как электролиз, нагрев жидкости при эмиссии электронов и резистивный нагрев поверхности катода.