Розділ 1. Огляд робіт присвячених дослідженню імпульсного наносекундного розряду у воді

1.1. Імпульсний розряд у воді

Висока напруженість електричного поля у воді (Е ~ 10⁵ В/см і вище) можливо створювати тільки в імпульсному режимі при тривалості імпульсів напруги, порядку мікросекунд , що подається на електроди які занурені у воду. При цьому нагрівання води може бути незначним навіть при високій електропровідності води.

Напруженість електричного поля може впливати на кластерну структуру води. Змінюючи напруженість, тривалість імпульсів і частоту їхнього проходження, можна домогтися бажаної кластерної структури, і, тим самим, змінити рух через структуру води іонів розчинених солей у воді. Під дією гравітаційних або штучно створених відцентрових сил можна домогтися розшарування води з різними концентраціями іонів, тобто реалізацію процесу знесолення.

Висока напруженість електричного поля у воді може погано впливати на мікроорганізми, що є у воді. Живі клітини мають мембрану, що не проводить електричний струм. У мембрані є прозорі канали для іонів натрію, кальцію й інших елементів. У цих каналах при високій і середній напруженості електричного поля будуть відбуватися електричні розряди, що викликають мікровибухи в мембрані, тобто загибель живих клітинних організмів. Це значить, що буде відбуватися знезараження води.

Якщо у воді різко створити сильно неоднорідне імпульсне електричне поле, то в області, що безпосередньо пов'язана з електродом і з малим радіусом кривизни (вістря або провід), виникне розряд, що нагадує коронний розряд у повітрі. Цей розряд складається з розгалуженої мережі так званих лідерних каналів, у яких важливу роль відіграє термічна іонізація через високу електропровідність каналів і навколишнього середовища. У лідерних каналах зростає температура й тиск, що впливає на навколишнє середовище. Підвищення температури приводить до інтенсивного свічення, у тому числі й до випромінювання в УФ-області спектру.

При коронному розряді у воді яскраво виражений ефект полярності. Долідерний час до утворення лідерів для негативної голки й позитивної площини трохи менше, ніж у випадку позитивної голки, якщо Е ≤ 85 кВ/см. При більших Е~350 кВ/см ситуація зворотна. У цьому випадку час утворення лідера становить для позитивного вістря не більше 0,5 мкс, а для негативного - 1-2 мкс. Залежно від полярності вістря по-різному відбувається розвиток лідерів у системі голка-площина [1].

При негативній полярності напруги спостерігається більш густа мережа лідерних каналів, які поширюються у воді зі швидкістю не вище звукової (1,5 мм/мкс). При позитивній полярності ця швидкість істотно вища (при напрузі ~ 100 кВ ця швидкість становить ~ 20 мм/мкс).

Таким чином, найбільш сприятливі умови для виникнення лідерів існують при позитивно зарядженій голці. Чим вища напруженість поля у голки, тим більше число лідерів, що зароджуються. У лідерних каналах можлива поява так званих електронів, що втікають, які і приводять до гальмівного рентгенівського випромінювання.

Таким чином, імпульсний коронний розряд у воді приводить до підвищення температури в лідерних каналах, утворенню слабкої ударної хвилі, утворенняю ультрафіолетового й рентгенівського випромінювання. При оптимально підібраних параметрах імпульсів високої напруги й електродної системи коронний розряд у воді може бути використаний для кондиціонування питної води та знезараження стічних вод.

Іскровий розряд у воді виникає при перетині проміжку між електродами лідерами та розряді конденсатора-накопичувача енергії на канал розряду. Температура в каналі розряду довжиною від сантиметра до десятків сантиметрів може досягати (3- 4)х10⁴ К, тиск - (2-3)х 10⁴ атм. У середовищі виникає ударна хвиля й потоки рідини. Порожнина каналу розширюється, тому тиск у ній стає меншим гідростатичного й починається її схлопування. При схлопуванні підвищуються тиск і температура, знову виникає випромінювання із порожнини, яка схлопується, розширення й т.д.

Таким чином, виникають кавітаційні згасаючі коливання газової порожнини, створеної каналом імпульсного розряду у воді. Період пульсацій і величина максимального радіусу газової порожнини визначаються енергією, що виділилася в каналі [1].

Максимальні розміри порожнини можуть досягати десятків сантиметрів при енергії накопичувача порядку 10⁴ Дж, період коливань порожнини - мілісекунди. Іскровий розряд у технічній воді досить добре вивчений у зв'язку з його технологічними застосуваннями для дроблення тендітних матеріалів, штампування, очищення лиття, эхолокації водойм тощо і описаний у багатьох літературних джерелах [2]. При іскровому розряді можна розрахунковим шляхом визначити як втрати енергії за годину пробою, так і параметри розрядного проміжку, при якому буде мати місце максимальна потужність, що розвиває в каналі розряду.

Відстань між електродами, при якому в каналі розряду розвивається найбільша потужність:

(1)

де L ­- індуктивність розрядного контуру.

Іскровий розряд у воді може бути реалізований і як безелектродний. Для цього розрядна камера розділяється діелектричною перегородкою з одним або декількома отворами, у яких і виникає розряд. При цьому ерозія металевих електродів не проявляється і тим самим усувається забруднення води, що обробляються продуктами електричної ерозії електродів.

Проведені експерименти із знезараження води, забрудненої бактеріями E-coli, показують гарні результати при іскрових розрядах як між електродами, так і при діафрагмових розрядах.

Сполучення іскрового розряду з імпульсним розрядом короткої тривалості в момент досягнення порожнини максимальних розмірів може викликати появу потужного імпульсу рентгенівського випромінювання, викликаного електронами, що втікають. Однак цей феномен вимагає додаткового вивчення.