Development of discharge in water-salt solution at voltages above the threshold value.pdf Введение В последнее время возник повышенный интерес к исследованию импульсных разрядов в водно-солевых растворах. Работы стимулировались применением разрядов в медицине [1-5], а также в устройствах для стерилизации воды и жидких аэрозолей [6-9]. Значительное внимание уделялось приложениям, связанным с формированием ударных волн в сильноточных разрядах [10, 11], в частности применительно к задачам гидроакустики в морской воде [6, 12]. Как правило, концентрация соли в таких растворах была велика и составляла единицы процентов. Хотя понятие разряда либо пробоя в жидкости имеет широкое употребление, в большинстве случаев, разрядные явления происходят в газовых полостях, которые по тем или иным причинам формируются в жидкости или вносятся туда искусственно [6, 13]. Вследствие этого, представляло интерес провести исследование влияния процесса рождения и гибели полостей и возникновения плазмы в них на протекание разрядного тока. Традиционно, при описании стадий развития разряда в жидкостях выделяют финальную стадию завершенного пробоя, ток в которой необратимо нарастает и соизмерим с током короткого замыкания, а разряд протекает в газовых полостях, перемкнувших промежуток. Также выделяют предпробойные стадии незавершенного пробоя, являющиеся более слаботочными [6, 14]. В отличие от дистиллированной воды, особенность разрядов в электролитах состоит в том, что уже в предпробойных стадиях на характер процесса токопереноса и величину тока существенное влияние оказывают возникающие в жидкости газовые полости и протекающие в них процессы. Действительно, вследствие высокой проводимости раствора уже при малых значениях приложенных к промежутку напряжений вследствие разогрева и испарения электролита вблизи активного электрода возникают газовые полости [5, 15-19]. При определенных условиях полости экранируют электрод, что ведет к росту сопротивления промежутка и ограничению тока разряда. Когда напряжение на разрядном промежутке достигает порогового критического значения Vcr, внутри газовых полостей возникает плазма разряда [5, 18, 19]. В данной ситуации можно говорить о частичном пробое промежутка или о незавершенном пробое. Появление плазмы приводит к изменениям электропроводности среды в полостях и их размеру, что в зависимости от экспериментальных условий (проводимость раствора, длительность импульса тока и его величина) может вести к росту эффекта экранировки или ее нивелированию. Процессы формирования и развития газовых полостей, а также разрядов в них носят нестационарный характер, что накладывает свой отпечаток на форму протекания тока. Как правило, данные процессы протекают в разном масштабе времен, что обусловлено различными физическими механизмами их инициирования [5, 6, 15-17]. К настоящему моменту наиболее полное исследование динамики развития разрядов в водно-солевых растворах было проведено в диапазоне приложенных напряжений меньше или в окрестности пороговых [5, 15-19] значений. Данная работа посвящена сильноточному импульсному разряду (с максимальными токами до единиц килоампер) в водно-солевом растворе с довольно высокой проводимостью. Исследуются стадии развития разряда при начальных напряжениях, приложенных к промежутку, превышающих пороговую критическую величину. Особое внимание уделяется процессам формирования и развития газовых полостей, возникновению в них газоразрядной плазмы, а также влиянию данных процессов на протекающий в электролите ток. Аппаратура и экспериментальная методика На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Электродная система и элементы регистрации тока разряда монтировались на диэлектрической плате 1, установленной на контейнер 2. Система электродов состояла из активного электрода 3, выполненного из отрезка внутренней жилы кабеля и обратного электрода 5 в виде диска. Длина активного электрода равнялась 10 мм при диаметре 0.8 мм. Диаметр и радиус кривизны поверхности обратного электрода составляли 35 мм. Межэлектродный зазор d = 1 см. Потенциал на активный электрод подавался с помощью отрезка кабеля 4. Обратный токопровод состоял из металлической пластины 6 и изолированного провода 7. Для предотвращения замыкания тока на металлическую пластину ее поверхность была закрыта диэлектрической пластиной 8. Электродная система погружалась в контейнер 2, заполненный солевым раствором воды (концентрация NaCl = 3 %, удельная проводимость σ ≈ 30 мСм/см, сопротивление промежутка в отсутствие газовых полостей R0 ≈ 16 Ом). Контейнер был оборудован кварцевыми окнами, что позволяло снимать разрядный промежуток на CCD-камеру 9 и регистрировать поведение свечения во времени с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 10. Время экспозиции камеры изменялось в диапазоне Δt ≤ 1.5 мс, а излучение регистрировалось в спектральном интервале Δλ = 330- 850 нм. В ряде случаев для подсветки слабых объектов использовалась флэш-лампа, которая была изготовлена из мощных импульсных светодиодов. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - диэлектрическая плата; 2 - контейнер; 3 - активный электрод; 4 - отрезок кабеля с изоляцией; 5 - обратный электрод; 6 - металлическая пластина обратного токопровода; 7 - провод обратного токопровода; 8 - диэлектрическая пластина; 9 - CCD-камера; 10 - ФЭУ К промежутку прикладывались одиночные импульсы напряжения положительной полярности, которые формировались в результате коммутации конденсатора С0 = 40 мкФ, искровым разрядником S на коаксиальный кабель. Протяженность кабеля lc = 15 м, а волновое сопротивление контура ρ ≈ 0.7 Ом. Напряжение на конденсаторе С0 составляло величину V0 ≤ 4000 В. В этих условиях максимальный ток через электролит не превышал 3 кА. В экспериментах проводилось измерение разрядного тока i и напряжения на электродном промежутке V. Ток измерялся с помощью шунта Rs = 0.01 Ом, а регистрация напряжения осуществлялась при использовании высоковольтного пробника Tektronix Р615A. В зависимости от формы кончика активного электрода и соответственно от напряженности поля на кончике процессы зажигания разряда могут протекать по-разному. На начальном этапе экспериментов использовался электрод с плоским торцом, что соответствовало максимальному усилению поля на кромке электрода. В процессе протекания тока происходила эрозия кромки и торцевая часть электрода скруглялась. В данной ситуации напряженность поля на кончике электрода уменьшалась, а пороговое критическое напряжение возникновения разряда в газовых полостях несколько увеличивалось. Результаты и их обсуждение Как отмечалось во введении, при протекании тока в электролите возникновение газовых полостей происходит при довольно низких напряжениях на промежутке. Когда напряжение достигает порогового значения Vcr, внутри некоторых полостей может зажигаться газовый разряд. Для рассматриваемых условий газовые полости начинали возникать при значениях V0 ≈ 400 В, а для случая, когда активный электрод имел плоский кончик, пороговое напряжение составляло величину Vcr ≈ 750 В [17, 18]. В эксперименте динамику формирования газовых полостей и возникновения плазмы в них удобно исследовать, постепенно повышая приложенное к промежутку начальное напряжение V0. На первом этапе рассмотрим результаты для случая, когда V0 = Vcr. Пример осциллограмм напряжения на промежутке, токов разряда и ФЭУ, а также фотографий зазора приводится на рис. 2. Видно, что на осциллограммах можно выделить характерные стадии. Рис. 2. Осциллограммы напряжения (кр. 1), тока (кр. 2) и сигнала с ФЭУ (кр. 3) для начального напряжения V0 = Vcr = 750 B (а) совместно с фотографиями промежутка, снятыми с экспозицией Δt равной Δt1 (б), Δt2 (в) и Δt3 (г) соответственно На временном интервале t0-t1, наблюдается резкое падение разрядного тока и соответственно рост сопротивления промежутка. Эффект обусловлен возникновением облаков микрополостей с характерным размером 100 мкм (рис. 2, б), которые экранируют активный электрод и препятствуют протеканию тока. В интервале времени t1-t2 часть микрополостей сливается в макропузырь, который полностью окружает активный электрод (рис. 2, в). Здесь мы имеем ситуацию почти полной экранировки: ток практически равен нулю, а сопротивление промежутка намного превышает его начальное значение. В этих условиях напряжение на промежутке составляет величину около 400 В, что превышает напряжение в минимуме кривой Пашена, и приложено к слою газовых полостей. Это указывает на возможности зажигания самостоятельных разрядов в части полостей, что мы и наблюдаем в эксперименте. В интервале t1-t2 происходит резкое падение вводимой в жидкость тепловой мощности, следовательно, скорость генерации газовых полостей падает [17, 18]. Газовые полости деградируют (рис. 2, г), эффект экранировки пропадает, и к моменту времени t3 сопротивление промежутка восстанавливается до начального значения. Описанная выше картина характерна для пороговых значений напряжений на промежутке. Если напряжение превышает пороговое, то в промежутке зажигается разряд с довольно большим током. Ток разряда протекает через газовые полости с плазмой и замыкается на обратный электрод через объем электролита. Данный режим характеризуется представленными на рис. 3, а и б осциллограммами и фотографиями свечения промежутка, соответствующими начальному напряжению V0 = 1100 В. Рис. 3. Осциллограммы напряжения (кр. 1), тока (кр. 2) и сигнала с ФЭУ (кр. 3), совместно с фотографиями свечения промежутка: а, б) V0 = 1100 B, экспозиция Δt = 250 мкс; в, г) V0 = 2500 В, снимок сделан в момент времени t с экспозицией около 1 мкс Полная экранировка поверхности активного электрода при таком напряжении происходит к моменту t1 ≈ 100 мкс (рис. 3, а), что говорит о высокой скорости образования газовых полостей. Отметим, что сигнал с ФЭУ, показывающий, что в отдельных микрополостях возникают микроразряды, появляется даже несколько раньше этого времени. Интенсивность сигнала значительно выше, чем для напряжения равного пороговому значению. На осциллограмме свечения видны хаотические пульсации. Это говорит о том, что в одних микрополостях разряды возникают, а в других - гаснут. Ясно, что при наличии плазмы в газовых полостях эффект экранировки активного электрода ослабляется, поскольку ток протекает с активного электрода на противоположный электрод через микрополости с плазмой и через объем электролита. После момента t1 в промежутке поддерживается некоторый усредненный ток разряда на уровне около 3 А. Далее в момент t = 380 мкс на осциллограмме тока наблюдается выброс амплитудой 20 А, который сопровождается некоторым спадом напряжения и импульсом сигнала ФЭУ. Фотография промежутка, сделанная с экспозицией примерно 250 мкс в этом момент времени, захватывает стадию резкого выброса тока разряда и выброса интенсивности свечения. Видно (рис. 3, б), что свечение, т.е. фактически плазма разряда, присутствует в большом количестве микрополостей. Можно говорить о том, что характерный размер плазмы составляет около 2 мм. Наиболее яркое свечение наблюдается в области кончика активного электрода и вблизи тройной точки изолятор - электрод - жидкость. Образование представленной картины свечения промежутка разряда можно на качественном уровне пояснить следующим образом. К моменту t1 активный электрод покрывается облаком микропузырьков и напряжение оказывается приложенным к слою газа. Когда в сформированных на поверхности активного электрода микрополостях зажигается разряд, потенциал активного электрода вытесняется на границу плазменных областей в направлении противоположного электрода. Ток с активного электрода начинает протекать через газоразрядную плазму и объем электролита. Впереди границы плазмы образуются новые газовые полости, и в них также возникает плазма. Иными словами, мы наблюдаем распространение фронта микропузырьков и фронта плазмы в глубь промежутка. Наиболее отчетливо данный процесс можно проиллюстрировать при более высоком приложенном к промежутку напряжении V0 = 2500 В (рис. 3, в и г). Видно, что к моменту времени 400 мкс фронт плазмы и газовых полостей распространился примерно на 5 мм по направлению к обратному электроду. Это позволяет оценить среднюю скорость распространения этого своеобразного фронта ионизации как 103 см/с. В общем случае, именно описанный процесс приводит к полному перекрытию промежутка высокопроводящим плазменным каналом. Тогда мы говорим о завершенном пробое промежутка. Однако для обсуждаемых условий начального напряжения V0 ≤ 2500 В и используемой емкости C0 полного перекрытия промежутка плазмой не происходит, т.е. имеет место случай незавершенного пробоя. Обращает на себя внимание, что с ростом приложенного к промежутку напряжения длительность стадии t1-t2 возрастает. Напомним, что данную стадию мы идентифицировали как стадию практически полной экранировки активного электрода газовыми полостями, возникшими на временном интервале t0-t1. В стадии происходит деградация полостей, а к моменту t3 сопротивление промежутка становится равным начальному. Рост длительности стадии с ростом приложенного напряжения можно объяснить на качественном уровне. С ростом приложенного напряжения, к моменту времени t1 количество газовых полостей в окрестности активного электрода возрастает, что в дальнейшем потребует увеличения времени для их гибели. Вопрос о типе возникающих в промежутке разрядов является непростым и требует дополнительных исследований. В области невысоких напряжений (рис. 2, 3, а и б) можно говорить о тлеющих и незавершенных искровых разрядах. При высоких напряжениях возникает разряд, характеризуемый токами сотни ампер и диффузным видом свечением (рис. 3, в и г). По-видимому, здесь можно говорить о специфической форме разряда - сильноточном диффузном разряде [6, 20], переход которого к искровому затруднен вследствие наличия жидкого катода [20]. На рис. 4 представлены осциллограммы напряжения, токов разряда и фотоэлектронного умножителя, а также фотография промежутка для случая завершенного пробоя (V0 = 4000 В). В интервале времени от t0 до t1 сопротивление промежутка падает с 16 до 3.5 Ом. Фронт плазмы и газовых полостей не перекрывает межэлектродный зазор. На данном этапе можно говорить о незавершенном пробое. Анализ осциллограмм позволяет сделать вывод, что одна из особенностей предпробойной стадии в электролите состоит в способности промежутка пропускать высокие токи и рассеивать большую энергию. Действительно, сделанные для представленного на рис. 4 случая оценки показывают, что к моменту времени t1 в среде рассеялось более 70 % энергии, запасенной в конденсаторе, а ток достиг величины 800 А. В момент t1 плазма перемыкает промежуток (рис. 4, б) и происходит завершенный пробой. Ток начинает необратимо нарастать, а сопротивление уменьшается к моменту t2 до величины 0.35 Ом. Возникает сильноточный разряд по типу дугового (отчетливо видно катодное пятно на обратном электроде). Рис. 4. Осциллограммы напряжения (кр. 1), тока (кр. 2) и сигнала с ФЭУ (кр. 3), совместно с фотографией свечения промежутка; V0 = 4000 B. Снимок сделан в момент времени t1 с экспозицией около 1 мкс Заключение В настоящей работе представлены данные о развитии разряда в водно-солевом растворе при приложении к промежутку импульсных напряжений, равных или превышающих пороговое значение. Под пороговым напряжением при этом подразумевается минимальное напряжение, при котором в отдельных газовых микрополостях возникает газоразрядная плазма. При напряжении, равном пороговому, которое в условиях эксперимента было около 750 В, уже на начальном этапе электрод оказывается практически полностью покрыт газовыми микрополостями, что привело к его экранировке и ограничению тока. В этом случае приложенное к промежутку напряжение прикладывается к газовому слою, а в некоторых микрополостях становится возможным формирование газоразрядной плазмы. Разряд поддерживается в форме слаботочных импульсов тока короткой длительности и может быть идентифицирован как тлеющий или незавершенный искровой. При превышении напряжения над пороговым количество микрополостей с плазмой увеличивается. Ток в промежутке замыкается с активного электрода на противоположный электрод через плазму и объем электролита. На границе плазмы происходит образование новых газовых полостей, в которых также зажигается разряд. Таким образом происходит распространение фронта плазмы в направлении противоположного электрода. Типичная скорость распространения составляет 103 см/с. Тем не менее, если напряжение на промежутке незначительно превышает пороговое, то полного перекрытия промежутка плазмой не происходит (случай незавершенного пробоя). Перекрытие и переход к сильноточному разряду (завершенный пробой) наблюдается, начиная с напряжений на уровне 2.5 кВ.

Скачать электронную версию публикации