Содержание к диссертации
Введение
ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 12
1.1. Объект измерений 12
1.2. Специфика задачи измерений 15
1.3. Электрические методы 19
1.4. Оптические методы 26
1.5. Заключение 33
2. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ МОСТОВЫХ СХЕМАХ 37
2.1. Электрооптическая мостовая схема со скрещенными ячейками Керра 37
2.2. Электрооптическая мостовая схема с двухлучевым интерферометром 40
2.3. Уравнения электрооптического моста ^1
2.4. Оптическая компенсация тока смещения .4-5
2.5. Дифференциальные измерения *?
2.6. Заключение 51
3. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ И ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО МОСТА 53
3.1. Схема с сосредоточенными параметрами 53
3.2. Схема с распределенными параметрами. 60
3.3. Краевой эффект в ячейках Керра 66
3.4. Краевой эффект в измерительной емкости 69
3.5. Времяпролетная раскомпенсация 74
3.6. Электропроводность ячеек Керра 77
3.7. Заключение .79
4. ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОСТ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 32
4.1. Измерительный узел 32
4.2. Высоковольтный генератор нанооекундных импульсов.. 90
4.3. Система фоторегистрации и синхронизации .94
4.4. Заключение .100
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДПРОБИВНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВОДЫ
5.1. Собственная электропроводность 101
5.2. Инжекционная электропроводность 113
5.3. Примесная электропроводность 121
5.4. Эффект релаксации протонной проводимости воды 129
5.5. Эффект релаксации примесной электропроводности воды в присутствии диполярных ионов аминокислот. 140
5.6. Заключение 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 158
- Объект измерений
- Электрооптическая мостовая схема со скрещенными ячейками Керра
- Схема с сосредоточенными параметрами
- Измерительный узел
- Собственная электропроводность
Объект измерений
Согласно современным представлениям, при воздействии сильных электрических полей электропроводность жидкости может значительно возрастать за счет
- увеличения степени диссоциации молекул самой жидкости и находящихся в ней примесей /30, 32, 36/;
- инжекции электронов /33, 34/;
- электрохимической инжекции, т.е. накопления ионизованных продуктов электродных химических реакций/ 35 38/;
- увеличения скорости переноса ионов вследствие возникновения электроконвекции в жидкости /37-Й-2/;
- увеличение скорости переноса ионов вследствие их высвобождения из дебаевских атмосфер (эффект Вина).
В результате этого в межэлектродном промежутке происходит перераспределеие полей и зарядов, перенос разнообразных продуктов электрохимических реакций от электродов в объем жидкости и из обьема на электроды, вступают в действие электроконвекционный и термоконвекционный механизмы переноса. Электропроводность жидкости становится неоднородной по объему и изменяется во времени.
Относительный вклад в увеличение проводимости перечисленных выше факторов зависит от длительности воздействия сильного ПОЛЯ на жидкость.
Стационарный режим электропроводности устанавливается, если время воздействия сильного поля u tM , tn , t , где м = tte,/ - максвелловское время релаксации, Tn =L/ME -время дрейфового переноса заряда между электродами, ПГ = LVS."]) -время диффузионного переноса заряда и вещества в межэлектродном промежутке величиной L , (5 - электропроводность жидкости, М -дрейфовая подвижность носителей заряда, D - коэффициент диффузии.
В этом случае ток проводимости в основном контролируется скоростью электродных электрохимических реакций и диффузионным тепломассообменом, поэтому стационарная вольтамперная характеристика исследуемого образца больше характеризует процессы в тонких приэлектрод-ных слоях, чем проводящие свойства объема жидкости /31,35/.
Для того, чтобы исключить электрохимические процессы, необходимо ограничить время воздействия сильного поля величинами tu tM , f , Тд При этом также исключаются тепловые эффекты (в доступном для эксперимента диапазоне полей) и эффекты образования объемного заряда, а электропроводность жидкости в однородном поле должна оставаться однородной по ее объему. Регистрируя кинетику электропроводности в течение времени - tw» или Tn, можно выделить различные компоненты электропроводности, измерить под-выкность носителей заряда и по ее величине определить их природу.
Электрооптическая мостовая схема со скрещенными ячейками Керра
В основу электрооптической мостовой схемы, показанной на рис.2.1, положен принцип оптического сравнения параметров измеряемого пассивного электрического элемента 2гх с известными параметрами эталонного пассивного электрического элемента z0 . Измеряемый элемент z может представлять собой произвольную комбинацию емкостей, сопротивлений и индуктивностей, а эталонный элемент Zo должен быть электрически эквивалентным измеряемому.
Схема содержит последовательно расположенные источник света ЙС, поляризатор Пр первую ячейку Керра ЯКр вторую ячейку Керра ЯК2, поляризационный анализатор П2 генератор напряжения Ur -Ъ , эталон z0 и измеряемый элемент zx (того же типа, что и эталонный элемент). Плоскости электродов ячеек Керра взаимно ортогональны, как показано на рисунке. Сравниваемые элементы 2Х и 20 электрически связаны с ячейками Керра по мостовой схеме и подключены к генератору напряжения.
Свет от источника ИС последовательно проходит через поляризатор, обе ячейки Керра, анализатор и регистрируется каким-либо фотопроиемником ФП. Поляризатор и анализатор ориентированы под углом 45 к направлению электрического поля в каждой ячейке. При прохождении света через первую ячейку Керра вследствие двупре-ломления появляется оптическая разность фаз между его компонентами, поляризованными вдоль и поперек направления поля в этой ячейке; Эта разность фаз частично или полностью (в зависимости от параметров ячеек Керра и от разности напряжений на эталонном и измеряемом элементах) компенсируется во второй ячейке Керра.
Параметры ячеек Керра удобно выбрать одинаковыми. Тогда полная компенсация оптических фаз будет означать равенство параметров измеряемого и эталонного элементов: zw = 2Э . При этом интенсивность света за анализатором будет равна нулю, если его оптическую ось ориентировать перпендикулярно оси поляризатора. Это позволяет уравновесить электрооптическую мостовую схему, регулируя параметры эталона и регистрируя интенсивность света за анализатором.
Схема с сосредоточенными параметрами
Фазовая чувствительность электрооптического моста зависит от юстировки его оптической схемы, интенсивности излучения источника света и чувствительности фоторегистратора: где 8Д - амплитудная чувствительность фоторегистратора, Дтахи Л (м .п - интенсивность регистрируемого света в интерференционном максимуме и минимуме. Для достижения максимальной чувствительности начальная фаза должна быть $= /2 + пЪ ( w = о, I, 2,...). В схеме с интерферометром это достигается регулировкой положения зеркал, а в схеме со скрещенными ячейками Керра - при циркулярної поляризации света на входе в первую ячейку.
При фотоэлектрическом способе регистрации Ad) с помощью осциллографа величина $А равна ширине линии осциллограммы. Если интенсивность регистрируемого света в интерференционном минимуме и максимуме соответствует отклонениям луча осциллографа на границы рабочей части экрана, то величина Sd/c W»- W«) - относительная ошибка измерения амплитуды - обычно близка к I0"2, а фазовая чувствительность, согласно (3.1), может достигать величины
Фазовую чувствительность схемы можно увеличить за счет увеличения мощности источника света или чувствительности фоторегис-тратора. При этом, однако, возрастают требования к качеству оптических элементов и к стабилизации оптической системы к температурным и механическим возмущениям. Более высокие требования предъявляет электрооптическая мостовая схема с интерферометром.
class4 ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОСТ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ class4
Измерительный узел
Измерительный узел со скрещенными ячейками Керра показан на рис.4.3, где дано сечение конструкции плоскостью, проходящей через середину электродов первой по ходу световых лучей ячейки Керра перпендикулярно оптической оси системы фоторегистрации.
Две ячейки Керра образованы одинаковыми плоскими протяженными электродами 2 - 10 и 9 - II (см. Ш позиции по чертежу на рис.4.3), помещенными во фторопластовый корпус, заполяеный Нитробензолом. При длине электродов 60 мм (вдоль оптического пути) и межэлектродном зазоре б мм ячейки имели емкость Сяк = 85 пФ, полуволновое напряжение V= 10 кВ и позволяли проводить измерения на импульсах с амплитудой до 150 кВ. Использовались также ячейки с межэлектродным зазором 12 мм, емкостью Сяк = 50 пФ и полуволновым напряжением \ /2= 15 кВ (при двойном прохождении света), позволившие увеличить амплитуду импульсов до 250 кВ.
Ячейки Керра помещены в корпус 13, выполненный из нержавеющей стали и заполненный конденсаторным маслом. Измерительная и компенсирующая емкости образованы электродами 3-4 и 6-7, расположенными в корпусах I и 8 из нержавеющей стали, укрепленных снаружи корпуса 13. Величина измерительной и компенсирующей емкостей регулируется перемещением электродов 4 и б с помощью микровинтов 5 с точностью 2,5 мкм, а также может изменяться путем замены электродов. В корпусах I и 8 имеются окна для регистрации оптических явлений в межэлектродных промежутках измерительной и компенсирующей емкостей. Предусмотрена возможность разборки и сборки измерительной и компенсирующей емкостей без раз-юстировки оптической схемы установки.
Ввод высоковольтного импульса осуществляется через электрод 12 и проходной изолятор из оргстекла, для чего измерительный узел укрепляется непосредственно на выходном фланце генератора высоковольтных импульсов, как показано на сборочном чертеже рис, 4.4. Для контроля высоковольтного импульса имеется датчик, расположенный на стенке измерительного узла вблизи высоковольтного ввода.
Собственная электропроводность
Целью экспериментов, описанных в этом разделе, было выяснение вопроса о возрастании под действием сильного поля собственной электропроводности чистой воды, обусловленной, как известно /77/, ионами Н и 0Н .
Исследовалась предельно чистая вода, полученная с помощью ионообменных смол. Измерительная и компенсирующая емкости электрооптического моста были последовательно включены в замкнутый контур установки финишной очистки воды УФ-250 /78/, по которому непрерывно циркулировала деионизованная вода со скоростью —100 мл/мин, достаточной для того, чтобы в паузах ( 2 мин) между высоковольтными импульсами сменялось несколько объемов воды в обеих емкостях. Ее низковольтная проводимость контролировалась на входе измерительной и выходе компенсирующей емкостей по обычной методике /78/ и составляла О"0= (4,4 4,7)-10 Ом см"1 в температурном интервале Т = 294 -І- 297 К, в котором проводились все измерения. измерительной и компенсирующей ветвей моста одинаковы, кроме Си Ф Ск, причем разность СИ СК невелика. В случае резистивной разбаланоировки моста (рис.5.1, осциллограмма 6) или при большой разности Си-С импульсы света имеют более сложную форму. Равновесному значению Ск соответствует осциллограмма 3, для которой
В предварительных экспериментах было установлено, что путем промывки деионизованной водой без воздействия высоковольтных импульсов невозможно выровнять электропроводность измерительной и компенсирующей емкостей: даже после длительной циркуляции воды (в течение нескольких суток) высоковольтная электропроводность исследуемых промежутков остается на значительно более высоком уровне, чем низковольтная электропроводность воды во внешнем контуре очистки.
Поэтому перед измерениями оказалось необходимым проводить электроочистку исследуемых промежутков серией —10 Кг высоковольтных импульсов при непрерывной циркуляции воды под контролем ее высоковольтной и низковольтной электропроводности. Регистрировалось постепенное уменьшение разности высоковольтной электропроводности образцов воды в измерительной и компенсирующей емкостях до уровня ниже порога чувствительности электрооптического моста. Порог чувствительности в этих экспериментах был ограничен временем запаздывания пробоя измерительной емкости и составлял Ю"7 Ом см .
