1.2. Кінетика наносекундного розряду в дистильованій воді
Експериментальна установка містила в собі розрядну камеру, генератор імпульсних напруг і надшвидкісну многокадрову лазерну шлірен-систему. Розрядний проміжок утворений з голки і напівсферичного електродами з нержавіючої сталі. Радіус заокруглення вершини голки ~ 50 – 100 мкм, а напівсферичного електрода ~ 5 мм. Відстань між електродами ~ 1 – 2 мм. На електроди подавався імпульс напруги з амплітудою до 40 кВ. Тривалість фронту ~ 10 нс, тривалість розрядних процесів становила ~ 100 – 800 нс ( залежно від амплітуди імпульсу). Шлірен-система дозволяла одержувати до шести кадрів з регульованим часовим інтервалом між ними в межах ~ 5 – 50 нс. У якості джерела підсвічування використовувався рубіновий лазер із тривалістю імпульсу ~ 5 нс. Дистильована вода мала питомий опір ρ ~ 105 Ом·см.
При тривалості впливу напруги, рівної або більшої за 500 нс, через якийсь час після збільшення напруги на розрядному проміжку (залежно від його величини) поблизу електрода голки (у контакті з ним або безпосередньо в рідині) виникають первинні канали зі слабким градієнтом щільності. Розвиток розрядних каналів супроводжується фазовим переходом, виникненням мікропухирців і їх гідродинамічним розширенням. Поперечний розмір каналів збільшується до ~ 10 – 20 мкм, градієнт щільності стає значним, і канали добре видно на шлірен-фотографіях. Інтенсивно ці процеси протікають поблизу поверхні електрода, що приводить до появи на границі електрода з рідиною конусоподібних оптичних неоднорідностей розміром ~ 20 –40 мкм. Розрядні канали поширюються по радіальних напрямках, тому початкове збурювання має приблизно сферичну форму. На рис. 1.1 представлені типові шлірен-фотографії електричного розряду у воді з анода при напрузі на проміжку 27 кВ (поле поблизу голки електрода ~ 1,3 МВ/см). Момент експозиції першого кадра ~ 60 нс до пробою проміжку. Характерний розмір початкового збурювання ~ 250 мкм, а швидкість його розвитку в напрямку до катода ~ 3·105 см/с.
Можливо, що картина трохи ускладнюється генерацією ударних хвиль у результаті інтенсивного поглинання енергії в розрядних каналах. Наступні кадри на рис. 1.1 показують виникнення й поширення більш швидкої стадії електричного розряду. Її зародження відбувається на фронті початкового збурювання, відповідного до границі первинних каналів ( 3-й кадр). Швидкість розвитку розрядних каналів значно збільшується. Спостерігаються численні їхні розгалуження, електричний розряд має форму куща і сильно розсіює зовнішнє світло (темна область на фотографіях). Швидкість поширення інтенсивного розряду за даними кадрів 3 – 6 становить ~ (4 – 3)·106 см/с і трохи зменшується в міру просування в глиб проміжку. На границі темної області в рідині розвиваються нові іонізаційні канали, яким відповідає слабка зміна показника заломлення. Поблизу електрода голки відбувається руйнування розрядних каналів. Подібна картина електричного розряду спостерігалася раніше в одноріднім полі при напругах ≤ 1 МВ/см.
Рис. 1.1. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 2 мм; час запізнювання пробою 750 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між першим і другим кадрами 25 нс, між іншими – 10 нс [3].
Передбачається, що стадія інтенсивного розряду протікає за рахунок розвитку іонізаційних процесів у самій рідині в результаті локального посилення електричного поля. Оскільки вона виникає тільки після фазових перетворень у первинних каналах, то в цілому процес розвитку електричного розряду є складним і містить у собі елементи й “бульбашкового”, і “іонізаційного” механізмів пробою.
При збільшенні напруги на проміжку картина розвитку електричного розряду зберігається. Зменшується в кілька раз (~ 1,4 – 2) розмір початкового збурювання, і більш щільною стає структура інтенсивного розряду. У якості ілюстрації на рис. 1.2 наведені типові шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода при напрузі на проміжку 32 кВ (поле поблизу електрода голки ~ 1,9 МВ/см). Видно, що за характерний час ≤ 100 нс вдається простежити за зародженням і розвитком електричного розряду в проміжку. Висока швидкість реєстрації шлірен-системи ( до 100 млн кадр/с) дозволила спостерігати й перехід до більш швидкої стадії електричного розряду, і її розвиток.
Однак виявилося, що при тривалості впливу напруги ~ 50 – 200 нс одночасно з описаним механізмом пробою існує й конкурує інший механізм. Легко побачити різницю в їхньому характері, порівнюючи рис. 1.2 і 1.3. Останній відповідає напрузі на проміжку 30 кВ (поле поблизу електрода голки ~ 1,8 МВ/см). Видно, що стадії інтенсивного розряду (рис. 1.3, кадр 2) не передує виникнення яких-небудь збурювань поблизу поверхні голки (рис. 1.3, кадр 1). Електричний розряд розвивається відразу з великою швидкістю, яка спочатку становить ≥ 5·106 см/с, а потім зменьшується до ~ 3·106 см/с. На початку сильного збурювання (темна область) на кадрі № 3 видно безліч тонких каналів, що слабко розсіюють світло, деякі з яких досягли катода. Саме відмінність у швидкості дозволяє визначити часове запізнювання між двома процесами: розвитком розрядних каналів і утворенням темної області, що складається з мікропухирців через які не проникає зовнішнє світло. Третій кадр рис. 1.3 отриманий приблизно за 2 – 4 нс до пробою проміжка. Поширення іонізації з великою швидкістю ~ (0,8 – 2)·107 см/с завершує початкову стадію формування електричного розряду. Аналіз результатів указує на те, що цей механізм пробою пов'язаний з розвитком іонізаційних процесів у самій рідині. Протягом поширення електричного розряду в проміжку іонізаційні процеси розвиваються також і в мікропухирцях, що утворюються, але вони не є первинними й основними.
Рис. 1.2. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 1 мм; час запізнювання пробою 90 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між першим і другим кадрами 25 нс, між іншими – 10 нс [3].
Рис. 1.3. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 1 мм; час запізнювання пробою 110 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між кадрами 10 нс [3].
При подальшім збільшенні напруги на проміжку, коли характерні тривалості його впливу становлять ≤ 50 нс, другий механізм пробою з анода (рис. 1.3) стає переважаючим.
Отримані результати показують різноманіття й складність явищ, що протікають при формуванні електричного розряду у воді з анода в наносекундном діапазоні. Вони дозволяють якісно зрозуміти встановлені раніше закономірності й виявити причину виникнувших протиріч. Незначні зміни щільності рідини, пов'язані з розвитком тонких розрядних каналів, що навряд можуть бути виявлені за допомогою електронно-оптичних перетворювачів через викривлення зображення при наносекундних експозиціях.