автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Оптические исследования предпробивных явлений в воде в наносекундном диапазоне.

1. Введение . Ъ

2. Состояние вопроса и постановка задачи

3. Экспериментальная установка

3.1. Генератор высоковольтных импульсов

3.2. Фоторегистратор "Канал"

3.3. Остальные элеыенты схемы

3.4. Возможности схемы фоторегистрации

3.5. Методика изучения динамики изменения спектра пропускания воды

3.6. Методика исследования распределения пред-пробивных полей в воде с помощью эффекта Керра . ЪЬ

3.7. Объект исследования

4. Экспериментальные результаты

4.1. Распределение предпробивных полей :в плоском промежутке

4.2. Оптические исследования начальных стадий разряда с анода в резконеоднородом поле. 4&

4.3. Оптические исследования разряда с остриё - катод"

4.4. Динамика релаксации оптической неоднородности

4.5. Исследование предпробивных полей вблизи "острия" в системе электродов "остриё

- плоскость" . ^

5. Обсуждение экспериментальных результатов

5.1. Природа оптической неоднородности

5.2. Механизм движения положительных носителей

5.3. Механизм разряда с анода .ЮО

5.4. Физическая картина разряда с катода

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 механизму; Это 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™ ( \ )» 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 гидратацией; это 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.

1. Абрамян Е.А., Корнилов В.А., Лагунов В.М., Пономаренно А.Г., Солоухин Р.И. "Мегавольтный уплотнитель энергии". -ДАН СССР, 1971, т.201, 1.

2. Валлис Г., Зауэр К., Зюндер Д., Росинский С.Е., Рухадзе А.А., Рухлин В.Г. "Ивжекция сильноточных релятивистских пучков в плазму и газ". УФН, 1974, т.ИЗ, вып.З, стр.435.

3. Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов". М., "Советское радио", 1974.

4. Сканави Г.И. "Физика диэлектриков. Область сильных полей". М., физнатгиз, 1958.

5. Адамчевский И. "Электрическая проводимость жидких диэлектриков". Л., "Энергия", 1972.

6. Ушаков В.Я. "Исследования импульсного пробоя жидкостей". Докторская диссертация. Томск, 1973 (Томск, политехи.ин-т).

7. Sbarbough ▲*, Watson Р* Conduction and Bre&ckdown in Liquid Dielectrics* Prodress in Dielectrics* Vol* 4* London» 1962*

8. Никурадзе А. "Жидкие диэлектрики". H., 1936, ОНТИ.

9. Lewie X» The Electric Strength, and Eight-field Conductivity of Dielectric Liquids* Progress in Dielectrics* vol*1. London, 1960*

10. Bragg J.K., Sharbouqh A.H. , Crowe fi.W. "Cathode effects in the Dielectric Breakdown of Liquids". I.Appl.Phys. 25, 1954, p.382.

11. Ward B., Lewis T. "A new statistical theory for the Breakdown of Liquid Hidrocarbons" • I* Electrochem.Soc.107, 1960, p. 191.

12. Лопатин В.В. "Исследование наносекундного разряда в жидкости*. Кандидатская диссертация, ТЛИ, Тоиок, 1972.

13. Ушаков В.Я., Семкина О.П., Рюмин В.В. , Лопатин В.В. О природе импульсного пробоя водных электролитов.- Электронная обработка материалов. 1972, № 2, стр.48,

14. Комельков B.C. Развитие импульсного разряда в жидкости.- ЖТФ, 1961, т.XXXI, вып. 8, стр.948.

15. Алхимов А.П., Воробьёв В.В., Климкин В.Ф., Понома-ренко А.Г., Солоухин Р.И. О развитии электрического разряда в воде. ДАН СССР, 1970, 194, стр. 1052.

16. Mirea I.S.,Snith, C.W., Calderwood I.H. "Bubles, pressure and prebreakdtown in insulating liquids" • Proс. 4-th Int.Conf on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids'*. Dublin 1972, p. 198.

17. Kao K.C., Highaa l.£. "fhe effect of Eidrostatic pressure, temperature and voltage duration on the Electric strengths of Hydrocarbon Liquids". I* Electrochea. Soc. 108, 1961, p.522-528.

18. Smith C#l.t Calderwood I.H* Eroc. Int. Conf • on Liquid Isol* (C»IS| Baris) I 968 p* 161-189. "Itudiea of prebreakdown phenomena in liquid dielectrics using on image intensifer".

19. Singh B*9 Smith C.W., Coldervood I.H. "Light scattering from electrically stressed insulating liquids" • Proc» Int. Conf* on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids* Dublin* 1972* P* 202-205*

20. Griabeorg A., D*M*K* de Grinbarg. "On the mechanism of dielectric breakdown in liquids. P<?oc. lut. Conj.on Condi, atvdfeeakdown Цгшк. Detft, Nldte^atul, $75.

21. Харт Э., Анбар H. Гидрагированный электрон. М., Атом-издат, 1973.

22. Chong F«t Sugimoto Т., Inuishi I« n Conductivity induced by injected electrons in liquid dielectrics"* I*Phys* Soc* I&paxu 15, 1960, p*1137*

23. Caseidy B*G*f Cones H.S*, Wunsch D»C*t Booker S*£* "Calibration of a Kerr Cell Sistem for High-Voltage Pulse Ueasuraent* vol 1a-17 Я-4» 1968*

24. Cassidy B.C., Cones H*H*9 A Kerr Electro-Optical Technigue for Observation and Analysis of High-Intensity Electric Fields. I.Hes.Hat.Bur.Stand. (US) vol* 73 C* Я 1,2, 1969.

25. Стекольников И.О., Ушаков В.Я. Исследование разрядных влений в жидкостях. ЖТф, 1965, 35, в.9.

26. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М., "Наука", 1972.27* Франц В. Пробой диэлектриков. Изд. иностранной литературы. М., 1961.

27. Coelobo Debeau I« n£Eoperti68 of "the tip—plane eoa* figuration". !• Appl.Erye.D, т@1. 4t N 9, 1971» 1266,

28. Ламперт M., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М., "Мир", 1973.

29. Воробьёв Г.А., Руденко Н.С. Генератор наносекундных импульсов напряжения 500 кВ. Приборы и техника эксперимента, 1965, № I, 109 - III.

30. Барыоев Б.А., Гявгянен Д.В., Диамант Л.М., йскольд-ский A.M., Красноголовый И.И., Нестерихин Ю.Е. Наносекунд-ный электронно-оптический фоторегистратор "Канал" с усилением яркости изображения. - Автометрия, 1971, Ш 6, стр.53.

31. Искольдский A.M., Нестерихин Ю.Е., Яншин Э.В. Аппаратура для исследований процессов электрического пробоя.

32. В сб.: Электрофизические проблемы применения твердых и комбинированных диэлектриков в технике высоких напряжений. Новосибирск, "Наука", GO, 1974.

33. Диамант Л.М., Искольдский A.M., Нестерихин Ю.Е. Нано-секундный электронно-оптический фоторегистратор "Кадр-4-ЗИСи. Новосибирск, 1967 (Препринт ЙЯФ СО АН СССР).

34. Генератор задержанных импульсов. Техническое описание. Новосибирск, 197I. (Препринт ИЯФ СО АН СССР).

35. Волин МЛ. Паразитные наводки в радиоэлектронной аппаратуре. М., "Советское радио", 1972.

36. Нестерихин Ю.Е,, Солоухин Р.И. Методы скоростных измерений в газодинамике плазмы. М., "Наука", 1967.

37. Зайдель Й.Н., Куренков Г.И. Электронно-оптические преобразователи. М., "Советское радио", 1970.

38. Бондаренко Ю.В., Бударных В.И., Ильин В.П., Искольд-ский A.M., Нестерихин Ю.Е., Попова Г.С., Шестак А.Ф. -Электронно-оптические преобразователи в режиме форсированных световых загрузок. Автометрия, 1971, 1 6.

39. Диамант Л.М. Разработка и особенности применения сверхскоростных электронно-оптических фоторегистраторов. Канд. диссертация. ИАиЭ СО АН СССР. Новосибирск, 1970.

40. Студенгеимер Р. Разработка электроннооптических преобразователей изображения фирмой . Каскадные электроннооптические преобразователи и их применение. М., "Мир", 1965.

41. Ефимов В.Е., Искольдский A.M., Яншин Э.В. Выделение точечного сигнала в присутствии оума на изображениях дискретной структуры. - Автометрия, 1971, Ш 6.

42. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М., "Искусство", 1971.

43. Яншин Э.В., Овчинников И.Т., Вершинин Ю.Н. Экспериментальные исследования механизма импульсного пробоя воды в наносекундном диапазоне. В сб.: Электрофизические процессы в электротехнических материалах. М., "Энергия", 1975.

44. Саламандра Г.Д. фотографические методы исследования быстродействующих процессов. М., "Наука8, 1974.

45. Овчинников И.Т., Яншин К.В., Яншин Э.В. Исследование распределения предпробивных электрических полей в воде с помощью эффекта Керра. - ЖТФ, 1974, т. Х11У, в.2.

46. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. "Модуляция и сканирование света". М., "Наука", 1970.

47. Златив Н;1« . Физика быстропротекающих процессов. М., "Мир", т.1. 1971.

48. Яншин Э.В., Овчинников И.Т., Вершинин Ю.Н. Механизм импульсного электрического пробоя воды. ДАН, 1974,т. 214, № 6.

49. Наугольных,КЛ Рой НА. Электрические разряды в воде. М., "Наука", 1971.

50. Подгорный И.М. Лекция по диагностике плазмы. М., Атомиздат, 1968.

51. Королев Ф.А. Теоретическая оптика. М., "Высшая школа", 1966.

52. Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. М., "Химия", 1966.

53. Бокрис Дх. Конуэй Б. . Современные аспекты электрохимии. М., "Мир", 1967.

54. Von M.Bigen, L. de Maeyer* "Untersuehungen uber die Kinetik der Neutralisation" • Z« Electrochem., 59» 1955» 986.

55. Любимов Ю.А. Диэлектрическое насыщение в жидкостях иполимерах. В сб.; Физика и физико-хииия жидкостей. М., 1973, стр.46 (MIX).

56. Яншин Э.В. Квазидырочный механизм импульсного пробоя воды. 6 сб.: Электрофизические процессы в электротехнических материалах. М., "Энергия*, вып.13, 1975.

57. Пикаев А.К. Сольванированный электрон в радиационной химии. М., "Наука", 1973.

58. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. Справочник. М., изд.АН СССР, 1962.

59. Яншин Э.В., Овчинников И.Т., Вершинин Ю.Н. Оптические исследования предпробойных явлений в воде в наносекундном диапазоне. 1ТФ, 1973, т. XIJS , в.10.

60. Писарев А.Ф., Селиванов Г.И., Баландин У.П., Мышкин Л.К. Электрический пробой газовых пузырьков в жидкостях.

61. Дубна, 1970.(Препринт 0ЙЯЙ).

62. Ник Is., Крег Дж. Электрический пробой в газах. М., изд. иностр. литер., I960.

63. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. Государственное издательство технико-теоретической литературы. К.-Л., 1949.

64. Грановский Б.А. Электрический ток в газах. М., "Наука", 1971.

65. Бродский A.M., ГуревичЮ.Я., Плесков Ю.В., Ротеиберг З.А. Современная фотоэлектрохимия. Фотоэмиссионные явления. М., "Наука", 1974.

66. Sibillot P., Coelcbo fi. "Prebreakdown events 1л liquid nitrogen"♦ Le Iournal de Physique, t«35> 1974, p* 141»щ

67. Мяшзейв W.D. "Some results on tbe electrical breakdown of liguids using pulse Techniques". Canad. 1» Pfagre* 29» 1951»p. ЗЮ*

68. Sato T#9 Hagao 5», Torlyasa I« "Space-charge limited current la insulating oil*** Brit I.Appl.Phys. 7» 1956, p«297«

69. Le Biases Q.H. "Electron drift aobility la Liquid n-Hexane". I. Chea. Phye. 30, 1959» P*

70. Джортнер Дж., Райе C.A., Кесилнер H.P. "Электроны в жидкостях". - В сб.: Современная квантовая химия, т.2, М., 1968.

71. Онзагер Л. "Электроны в жидкостях". В сб.: "Современная квантовая химия. Т.2, И., 1968.

72. Карцев Г.К., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И., Ротштейн В.П., Фурсей Г.Н. Исследование временных характеристик перехода автоэлектровной эмиссии в вакуумную дугу. - ДАЙ, 1970, т. 192, й 4, стр. 309.