Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ II
ГЛАВА Л. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТАТИСТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИИ .. 20
2.1. Построение распределений 20
2.2. Последовательные процессы 23
2.3. Параллельные процессы 31
2.4. Зависимость от площади электродов 33
ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЧАЛЬНЫХ
СТАДИЙ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА В ВОДЕ 37
3.1. Схема установки и регистрирующая аппаратура .. 37
3.2. Оптические исследования начальных стадий
развития разряда в воде 42
3.3. Статистические распределения 48
3.4. Анализ статистических распределений 52
ГЛАВА ІУ. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБОЯ ВОДЫ В СИСТЕМЕ
С "ДИФФУЗИОННЫМИ" ЭЛЕКТРОДАМИ 59
4.1. Схема установки и измерительные системы 61
4.2. Результаты экспериментов 69
ГЛАВА У. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 76
5.1. Промежуток с проводящими слоями 76
5.2. Пробой воды в промежутке с неэкранированными
электродами 80
5.3. Оценки параметров канала лидера 89
ГЛАВА УІ. ВОДЯНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ В СИЛЬНОТОЧНЫХ УСКОРИТЕЛЯХ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 92
6.1. Использование водяного диэлектрика
в ускорителях ИЯФ СО АН СССР 92
6.2. Возможности применения экранирования
поверхностей электродов 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
Приложение. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В ПРОМЕЖУТКЕ
С ДИФФУЗИОННЫМИ СЛОЯМИ 109
ЛИТЕРАТУРА 116
Введение к работе
В начале 70-х годов возникла необходимость в создании нано-секундных сильноточных ускорителей заряженных частиц мегавольтно-го диапазона. Такие ускорители требовались для исследований по нагреву плазмы релятивистским электронным пучком (РЭП), проводимых в ИЯФ СО АН СССР /I/ и в ИАЭ им.И.В.Курчатова /2/, для получения мощных потоков рентгеновского излучения /3/, для создания мощных лазеров с накачкой электронным пучком и т.п. Преимущество использования РЭП с мегавольтной энергией для нагрева плазмы заключается в возможности получения необходимых значений мощностей ( Р—щ-* Вт) при умеренных значениях тока пучка, что облегчает решение проблемы транспортировки пучков в продольном магнитном поле от источника до плазмы. Сильноточный ускоритель наносекунд-ыого диапазона включает в себя следующие основные элементы: первичный источник энергии, в качестве которого могут использоваться либо генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, либо низковольтная ( [/— 50+100 кВ) батарея с импульсным повышающим трансформатором; формирующая линия; передающая линия; ускорительная трубка. Энергия от первичного источника передается в формирующую линию, напряжение на которой определяется требуемой величиной энергии ускоряемых частиц. Импульсная зарядка формирующей линии имеет преимущество по сравнению с зарядкой от источника постоянного напряжения, так как при этом существенно сокращаются габариты устройства из-за увеличения электрической прочности изоляции. Энергия из формирующей линии по линии передачи подводится к ускорительной трубке, где и осуществляется генерация заряженных частиц.
Электрические характеристики и размеры формирующих и передающих линий определяются требуемыми параметрами генерируемых пучков и электрическими свойствами диэлектриков, используемых в этих ли-
ниях. Для того, чтобы первичный источник энергии не оказывал заметного влияния на процесс генерации основного импульса напряжения при разряде формирующей линии на линию передачи, необходимо выполнение условия существенного превышения времени зарядки формирующей линии над длительностью рабочего импульса. Т.е. при требуемой длительности пучка заряженных частиц Т^ = 100 не время зарядки формирующей линии должно быть t% ?s I мкс. Для уменьшения габаритов формирующего устройства выгодно применять в нем диэлектрики с большой электрической прочностью и с большой диэлектрической проницаемостью, обеспечивая высокую удельную плотность энергии ё/ о31 . Кроме того, при использовании изоляции с большим значением <5 сокращается длина формирующей и передающей линий вследствие уменьшения скорости электромагнитной волны в диэлектрике с ростом (V=C//).
В конце 60-х годов Г.И.Еудкер предложил развивать в 1/Ш работы по использованию в высоковольтных импульсных устройствах в качестве диэлектрика дистиллированную воду. Источники РЭП с водяной изоляцией создавались в Институте на базе накопленного опыта по разработке мощных высоковольтных генераторов импульсов с водяным диэлектриком /4,5/, используемых в экспериментах по нагреву плазмы с помощью бесстолкновительных ударных волн /6/. Высокая диэлектрическая постоянная ( — 80) и большая импульсная электрическая прочность воды ( ~0,5 МВ/см) /7,8/ позволяют создавать накопители энергии с высоким удельным энергозапасом. Кроме того, вода обладает еще одним, необходимым для подобных систем, свойством - способностью быстро восстанавливать электрическую прочность после пробоя. Недостаток водяной изоляции -относительно большая электропроводность. Постоянная времени саморазрядки очищенной воды, определяемая выражением Xp^tfi/Mst ( J) - удельное сопротивление воды), составляет Тр ~ 10*50 мкс.
Поэтому формирующая линия с водяным диэлектриком требует импульсной зарядки за время, заметно меньшее времени Тр , т.е. должно быть t*~ 1*5 мкс. Отсюда следует, что указанный недостаток не мешает использовать водяную изоляцию в наносекундных ускорителях при хорошей очистке воды.
Эффективное развитие импульсных сильноточных источников РЭП с водяной изоляцией тормозил низкий уровень представлений, существовавших к началу 70-х годов о пробое воды, также как и о пробое других жидкостей. Для объяснения пробоя жидкостей было предложено несколько различных теорий /9-13/: теория ударной ионизации и холодной эмиссии, тепловая теория, теория влияния на пробой жидкостей приэлектродных пузырьков и др. Существование различных теорий указывает на то, что процессы, определяющие пробой жидкостей, т.е. начальные стадии развития разряда, экспериментально изучены очень слабо. Особенно это относится к пробою в условиях однородного электрического поля в микросекундном и наносекундном диапазонах, т.е. в условиях необходимых для работы формирующих и передающих линий ускорителей пучков наносекундной длительности.
Исходя из актуальности и слабой изученности проблемы использования воды в качестве диэлектрика в элементах сильноточных ускорителей заряженных частиц, перед автором настоящей работы, имеющим опыт в исследованиях пробоя газов с использованием высокоскоростных электронно-оптических преобразователей /14/ была поставлена задача:
- провести исследования начальных стадий развития разряда в воде в однородном поле в микросекундном диапазоне с целью оценки перспектив развития сильноточных ускорителей с водяной изоляцией.
Используя первые результаты настоящих исследований /15/, Д.Д.Рютов предложил для исключения влияния приэлектродных эффектов на пробой жидкости создавать у поверхностей электродов пере-
ходные слои с плавно спадающей в глубь жидкости проводимостью 16 . В связи с появлением этой идеи в настоящей работе решалась и другая задача:
- исследовать пробой воды в промежутке с проводящими при-электродными слоями с целью оценки возможности использования диффузионных слоев в высоковольтных формирующих устройствах с водяной изоляцией.
Поставленные задачи решались комплексными исследованиями с применением высокоскоростной оптической регистрации цредпробивных процессов и статистических методов анализа результатов экспериментов.
Диссертация состоит из шести глав, заключения и одного приложения.
В главе I содержится краткий обзор основных предшествующих теоретических и экспериментальных работ по пробою жидкостей.
В главе П дается описание разработанного автором данной работы метода анализа статистических распределений длительности протекания процессов, характеризующих пробой диэлектриков.
В главе Ш приводятся результаты оптических и статистических
исследований механизма пробоя воды в однородном электрическом поле в микросекундном диапазоне в промежутке со сплошными металлическими электродами. Установлено несколько последовательных стадий в развитии разряда до момента пробоя.
В главе U приводятся результаты влияния экранировки металлических электродов проводящими слоями на пробой воды. Выявлено различное влияние проводящих слоев для случаев: I) экранировка только катода; 2) экранировка только анода; 3) экранировка и катода и анода.
В главе У приводится анализ полученных результатов экспериментов. По результатам анализа дается модель механизма развития
разряда в воде. Предлагается механизм инициации разряда в воде, основанный на эффекте увеличения степени диссоциации молекул воды в сильном электрическом поле.
В главе УІ приводится обзор импульсных сильноточных ускорителей РЭП, созданных в ШФ СО АН СССР, разработка которых в значительной степени опиралась на представления о механизме пробоя воды, полученные по результатам данной работы. Показана перспективность возможности использования диффузионных слоев в высоковольтных формирующих линиях полоскового типа.
В приложении приводится расчет распределения электрического поля в промежутке с экранированными электродами.
К защите представлены следующие тезисы:
Получены аналитические выражения, описывающие статистическое распределение длительности сложного явления, представляющего собой последовательность простых статистических процессов. На основании полученных выражений дается метод анализа совместных статистических распределений, позволяющий простыми средствами выявлять наличие последовательных статистических процессов в сложном явлении, каким является, в частности, пробой диэлектриков, и определять значения их характерных параметров (например, средняя длительность каждого процесса).
Получено аналитическое выражение, описывающее совместное статистическое распределение двух конкурирующих (параллельных) событий, на основании которого дается метод определения из совместного распределения параметров, характеризующих каждое событие.
Предлагается статистический метод определения зависимости среднего времени запаздывания пробоя от площади электродов при проведении экспериментов в условиях с постоянной площадью электродов.
Экспериментально установлены четыре следующих друг за другом стадии развития разряда в воде до момента пробоя: I) стадия вклада энергии в некоторый малый объем воды; 2) стадия появления вблизи электрода оптической неоднородности, которая связывается с возникновением микропузырьков в этом месте; 3) стадия возникновения на месте оптической неоднородности слабого свечения, которое связывается с ионизацией сформировавшихся микропузырь ков; 4) стадия формирования лидера.
Экспериментально установлено, что при высоких значениях напряженности поля пробой однородного промежутка осуществляется положительным лидером, а при низких значениях поля и больших временах запаздывания пробоя - либо положительным, либо отрицательным лидером. При этом средняя скорость положительного лидера существенно превосходит среднюю скорость отрицательного лидера.
Экспериментально установлено, что инициация разряда в воде в однородном поле осуществляется с того электрода, на котором наблюдается возникновение лидера, приводящего к пробою промежутка, т.е. катодные процессы не влияют на формирование пробоя с анода, соответственно анодные процессы не влияют на формирование пробоя с катода.
Экспериментально установлено, что инициация пробоя происходит с жестко зафиксированных микронеоднородностей, расположенных на поверхностях электродов.
Экспериментально выявленная зависимость длительности первоначального вклада энергии в воду вблизи положительного электрода от напряженности поля в промежутке хорошо объясняется эффектом увеличения степени диссоциации молекул воды на ионы ІҐ* и ОН" под действием сильного электрического ПОЛЯ.
Анализ результатов оптических и статистических измерений показал, что основное различие в характере пробоя водяного проме-
жутка с катода и с анода заключается в существенно меньшей средней скорости отрицательного лидера по сравнению со средней скоростью положительного лидера.
10. Экспериментально установлено, что истинная пробивная напряженность электрического поля в воде существенно больше наблюдаемой в экспериментах по пробою воды в обычных условиях.-
Основные результаты представленных исследований опубликованы в работах:
Алхимов А.П., Воробьев В.В., Климкин В.Ф., Пономарен-ко А.Г., Солоухин Р.И. 0 развитии электрического разряда в воде. ДАН СССР, 1970, т.194, & 5, СІ052-І054.
Алхимов А.П., Воробьев В.В., Климкин В.Ф., Пономарен-
ко А.Г., Солоухин Р.И. Исследование механизма электрического пробоя дистиллированной воды в наносекундном диапазоне. Тезисы докладов на заседании секции ІУ Научного Совета АН СССР по теоретическим и электрофизическим проблемам энергетики, Томск, изд-во ТІУ, 1971, с.20-21.
Воробьёв В.В., Капитонов В.А., Кругляков Э.П. Увеличение электрической прочности воды в системе с "диффузионными" электродами. Письма в ЖЭТФ, 1974, т.19, № 2, с.95-98.
Воробьев В.В., Капитонов В.А., Князев Б.А., Кругляков Э.П. Постоянная Керра воды. ІМТФ, 1976, № I, с.157-160.
Воробьев В.В., Капитонов В.А., Кругляков Э.П., Цидулко Ю.А. Исследование пробоя воды в системе с "диффузионными" электродами. ЯТ$, 1980, т.50, № 5, с.993-999.
Авроров А.П., Воробьев В.В. Статистические исследования механизма пробоя воды в микросекундном диапазоне. Препринт ШФ СО АН СССР, Новосибирск, 1983, & 83-69.
- II -
