Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков[1]

Коробейников С.М.*, Мелехов А.В.**, Бесов А.Г.***, 
*Новосибирский Государственный Технический Университет, **Институт Лазерной Физики СО РАН, ***Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН
г. Новосибирск

Проведены исследования зажигания разряда в воде с помощью искусственно-создаваемых долгоживущих микропузырьков размером 50-100 мкм, получаемых с помощью импульсно-нагреваемого проволочного электрода. Во всех случаях разряд зажигался в пузырьке, предпробивное время в присутствии пузырька было значительно меньше предпробивного времени в его отсутствие. В случае анодного зажигания наблюдаются три серии ударных волн, связанных с зажиганием разряда, распространением сверхзвукового стримера, выделением энергии при замыкании стримером межэлектродного промежутка. В случае катодного зажигания на поверхности пузырька развиваются возмущения в виде «куста», распространяющегося с дозвуковой скоростью в сторону противоположного электрода.

Введение

Ранее, в работах [1,2], авторы экспериментально изучали деформацию и движение пузырьков в воде под действием импульсных предпробивных электрических полей напряженностью до 300 кВ/см. При этом было показано, что пузырьки удлинялись в направлении поля, сжимались в поперечном направлении, на их поверхности возникали неустойчивости, перетяжки, пузырьки отрывались от электрода и перемещались в промежутке со скоростями до 10 м/с. Зарегистрирован "эффект полярности" в поведении анодных и катодных пузырьков, причем большая часть этих особенностей объясняется возникновением частичных разрядов. В то же время, напряженность поля была недостаточной для зажигания разряда в жидкости.

Целью настоящей работы является исследование зажигания разряда в воде с помощью микропузырьков.

Экспериментальные результаты Установка и методика высоковольтных экспериментов.

Установка была идентичной используемой ранее [1,2], но вместо рубинового лазера ОГМ-40 использовался полупроводниковый CdS лазер с электронной накачкой ПЛЭН-1. Замена позволила иметь более короткий световой импульс ~ 3 нсек, кроме того, лазер позволял получать одиночные импульсы света с интервалом в несколько секунд. Эксперименты проводились при напряжении, соответствующем максимальной напряженности в ячейке 800 кВ/см. Регистрировались моменты пробоя и экспозиции света, а также изображение приэлектродной области с пузырьками, на которое накладывалось изображение светящегося канала разряда, поскольку фотографирование производилось в режиме открытой диафрагмы фотоаппарата. Для подавления избыточной яркости канала разряда в оптический тракт вводился специальный интерференционный фильтр, что давало возможность сопоставлять местоположение пузырьков и канала разряда.

Вольт-секундные зависимости. Время запаздывания разряда t_b измерялось от середины фронта импульса напряжения до момента его резкого спада, а момент экспозиции лазера - до момента начала сигнала с фотодиода. По полученным экспериментальным данным построены распределения времени запаздывания разряда в координатах Лауэ ln(N₀/N_t) - t, где N₀ - полное число пробоев, N_t - число пробоев со временем запаздывания, большим, чем t. Представим tb в виде суммы t_b= t_s + t_f, где t_s - статистическое время запаздывания разряда, t_f - время формирования разряда. Если статистическое время запаздывания распределено по экспоненциальному закону, то на графике данный факт отражается прямой линией, пересечение которой с осью абсцисс дает время формирования. На рис.1, 2 приведены результаты обработки полученных данных.

Рис.1. Время запаздывания разряда с анода в координатах Лауэ в случае наличия видимых пузырьков и в их отсутствие.

Рис. 2. Время запаздывания разряда с катода в координатах Лауэ в случае наличия видимых пузырьков.
Видно, что зависимости можно аппроксимировать прямыми линиями. При разряде с анода в случае наличия пузырьков время формирования составляет 1.1 мкс, статистическое время запаздывания составляет примерно 0.5 мкс. В отсутствие видимых микропузырьков обе составляющие предпробивного времени значительно увеличиваются: t_s »2.4 мкс, t_f  »1.8 мкс. Разряд с катода при наличии пузырьков требует значительно большего времени t_s »22 мкс, t_f »21 мкс, а без пузырьков вообще не возникает. Подчеркнем, что эти данные показывают эффект полярности.

Оптическая регистрация предпробивных процессов. Картины процессов принципиально различаются при пробое с катода и анода.

Анод. Типичные процессы представлены последовательностью кадров на рис 3.

а	б	в	г	д	е

Рис. 3. Последовательность событий при пробое с анода:
а- исходный пузырек;
б- деформированный пузырек, момент съемки t_l =0.45 мкс после начала воздействия напряжения, момент разряда t_b = 1.2 мкс после начала воздействия напряжения;
в - веер (щетка) стримеров из кончика пузырька, t_l =1.0 мкс, t_b = 1.3 мкс;
г - веер стримеров перед его остановкой t_l =1.2 мкс, t_b = 1.4 мкс;
д - исчезновение первого веера стримеров , возникновение следующего веера, t_l = t_b = 1.5 мкс;
е - послепробойная гидродинамика t_l =1.7 мкс, t_b = 1.2 мкс.

Кадры а и б взяты из одной серии, остальные кадры подобраны из разных серий. Из этих и аналогичных кадров можно сделать следующие выводы:

1. Зажигание разряда связано с пузырьками
2. На начальной стадии, до 0.4÷0.5 мкс, пузырьки удлиняются вдоль поля, уменьшаясь в поперечном измерении. Деформация составляет до 2÷2.5 раз. Затем, к 1 мкс, пузырек увеличивается во всех направлениях.
3. Пробой развивается в несколько стадий.

Серия сверхзвуковых стримеров толщиной ~ 5÷10 мкм вылетает из кончика одного из пузырьков со скоростью более чем v~ 2 км/с на расстояние до 600 мкм. Стримеры заполняют собой полусферу, расстояние между их кончиками составляет 40÷60 мкм, а общее количество, по-видимому, превышает 100. Образование стримеров сопровождается ударными волнами, центром которых является то же место, что и место зарождения стримеров, т.е. кончик пузырька.

Примерно через 100÷150 нс, когда ударные волны доходят до конца стримерной зоны, первичные стримеры исчезают, кроме одного, а из места его остановки зарождается новый веер стримеров. Их длина ~ 1.5 мм, толщина ~ 20÷30 мкм, количество менее 30 шт. Скорость вторичных стримеров, оцененная из разницы времен появления ударных волн, продуцируемых ими и главным разрядом, составляет ~ 5 км/с. Главный разряд, развивается по одному из стримеров и сопровождающийся самой мощной ударной волной.

Из того факта, что в момент свечения разряда с анода, его можно зарегистрировать (светящаяся полоса на рис.3 б, в, г, рис.5 а), следует что, либо все анодные стримерные зоны оптически прозрачны, либо они исчезают к моменту замыкания каналом разрядного промежутка.

Катод.Физическая картина процессов представлена последовательностью кадров на рис 4.

а	б	в	г	д	е

Рис. 4. Последовательность событий при пробое с катода:
а- исходные пузырьки;
б - деформированные пузырьки, меньший удлинен, на поверхности большего начинает вырастать кустообразное формирование, t_l =0.25 мкс;
в - пузырек приобретает "грибовидную форму с удлиненной тонкой ножкой и шляпкой, t_l =0.65 мкс;
г - пузырек имеет законченную грибовидную форму, кустообразное формирование развивается на поверхности пузырька; t_l =0.65 мкс;
д - несколько пузырьков на поверхности, из меньшего вырастает больший "куст", t_l =1.0 мкс;
е - "куст" максимальных размеров, t_l =1.5 мкс. Кадры а и б взяты из одной серии, остальные кадры подобраны из разных серий. Из этих и аналогичных кадров можно сделать следующие выводы:

1. Зажигание разряда связано с пузырьками
2. На начальной стадии, до 0.4÷0.5 мкс, пузырьки удлиняются вдоль поля, уменьшаясь в поперечном направлении. К 0.7÷1 мкс пузырек приобретает характерную грибообразную форму. В больших пузырьках D³100 мкм, подобная форма не возникает.
3. С вершины пузырька начинает расти стример в виде "куста" с характерным масштабом неоднородности - менее 10 мкм. Момент начала роста случаен, минимальное время зарождения стримера менее 0.2 мкс. Стример растет с дозвуковой скоростью, оценки скорости роста для разных стримеров дают значения 400 м/с>V>100 м/с.
4. Область "куста" непрозрачна, его зона расширяется не только в направлении поля, но и в поперечных направлениях, так даже область, занятая "ножкой гриба" становится непрозрачной.
5. При наличии нескольких пузырьков стримеры растут практически из всех пузырьков. В некоторых случаях, когда пузырек отрывается от поверхности электрода, он не участвует в формировании стримера.
6. Структура "куста" является оптически плотной, т.к. свечение при пробое промежутка не зарегистрировано.

Предпробивные процессы в отсутствие пузырьков.

На рис. 5 приведены типичные картины предпробивных процессов.

а	б	в

Рис. 5. Характерные кадры предпробивных явлений в отсутствие видимых пузырьков:
а - анод, рост темной, неоднородной области на поверхности электрода, t_l =4 мкс, t_b = 6 мкс;
б - катод, появление и рост пузырьков, t_l =1.1 мкс;
в - катод, "куст" на поверхности, t_l =1.1 мкс.
На аноде (рис.5 а) появляются темные образования, неоднородно растущие по поверхности. Иногда они имеют достаточно регулярную структуру. Наиболее удлиненное образование продуцирует разряд. Образования на катоде (рис 5 б, в), на начальной стадии роста, имеют форму пузырьков, удлиненных в направлении электрического поля. В дальнейшем на их поверхности возникают возмущения, аналогичные, по внешнему виду, стримерам, возникающим в случае зажигания разряда с помощью искусственных пузырьков.

Обсуждение экспериментальных данных

Предпробивное время.

Сопоставление предпробивных времен в отсутствие пузырьков и в их присутствии показывает, что пузырьки уменьшают предпробивное время, т.е. способствуют зажиганию разряда. Из того факта, что в координатах Лауэ данные находятся на одной прямой, следует, что наряду с детерминированным временем формирования при пробое реализуется статистическое время запаздывания, распределенное по экспоненциальному закону.

Как соотносятся между собой кадры рис.3÷5 и соображения о временах формирования? В газовом пробое статистическое время запаздывания характеризует появление "инициирующего" электрона [3]. В экспериментах по зажиганию разряда с помощью прикатодных пузырьков практически на всех кадрах, начиная с 0.2 мкс, пузырьки деформированы, причем, как правило, их поверхность возмущена зарождающимся стримером. В серии экспериментов зарегистрирован только один кадр, снятый с задержкой 0.45 мкс от начала воздействия импульса напряжения, на котором отсутствует стример. Однако и в этом случае ионизационные процессы явно произошли в пузырьке, т.к. его размер в направлении электрического поля увеличен, тогда как поперечный размер практически остался неизменным. Поскольку измеренное статистическое время запаздывания ~ 20 мкс намного превышало значения времен 0.2÷0.5 мкс, при которых явно произошли ионизационные процессы, следовательно, статистическое время должно быть связано с другими процессами.

Анализ экспериментальных данных по поведению прианодных пузырьков, а именно того факта, что в начальный момент времени, до 0.4÷0.7 мкс, поперечный размер пузырьков уменьшается, а к 1 мкс наблюдается рост пузырька во всех направлениях, показывает следующее. Сжатие пузырька означает, что вблизи экватора пузырька действуют сжимающие диэлектрофоретические силы, т.е. пузырек ведет себя как диэлектрик, поле внутри него не искажено, или слабо искажено. Значительная последующая деформация во всех направлениях означает, что на поверхность пузырька действуют не только кулоновские силы, но и давление внутри пузырька увеличено, что может быть связано с ионизационными процессами. Статистическое время запаздывания в этом случае определяется созданием условий для возникновения первичного стримера, возможно, его физический смысл близок к физическому смыслу при чисто газовом пробое. Время формирования может включать в себя образование и продвижение стримеров.

Эффект полярности, наблюдающийся в экспериментах, обусловлен разной скоростью катодных и анодных стримеров. Действительно, если считать, что анодный стример имеет среднюю скорость v ³ 2 км/с при размере межэлектродного промежутка 1 см, анодному стримеру требуется менее 5 мкс для пересечения промежутка. Катодный стример имеет скорость не более 400 м/с, значит ему нужно порядка 25 мкс для достижения противоположного электрода. По возникновению стримеров эффект полярности обратный, т.к. уже через 0,25÷0,5 мкс после начала воздействия напряжения начинает расти "куст" на поверхности катодного пузырька.

Разряды в пузырьках. Стример или лавина?

Электрический пробой пузырьков размером 40÷100 мкм, исходя из значений p·d, должен описываться правой ветвью кривой Пашена. Падение напряжения на пузырьке составляет 4÷8 кВ, средняя внешняя напряженность поля 700 кВ/см, напряженность внутри пузырька - примерно 1 МВ/см. Ясно, что в пузырьках должны возникать разряды.

Рассмотрим более детально возможный механизм пробоя микропузырьков. Считаем, что пузырек заполнен воздухом, пары воды значительного влияния на пробивное напряжение не оказывают. Прилипанием электронов к молекулам воды можно пренебречь, т.к. коэффициент прилипания сравним с коэффициентом ударной ионизации только в слабых полях. Давление в пузырьке можно считать атмосферным, либо повышенным за счет давления, связанного с электрическим полем. Тогда из закона подобия можно оценить Е/p, причем приведем все в единицах, принятых в газовом пробое - В/см и Торр, Е/p »1300 В/(см · Торр). На самом деле электрическое поле успевает частично сжать пузырек, примерно в 1.5÷2 раза, как видно на рис 3 б и 4 б, отсюда, после учета сжатия, Е/p »600÷800 В/(см · Торр).

Известно [3], что при пробое воздуха в диапазоне Е/p »100÷800 В/(см · Торр) коэффициент ударной ионизации a хорошо аппроксимируется выражением

a/p=A · exp(-B/(E/p)),                                                                               (1)

где A = 15 (cм · Торр)-1, B = 365 B/(cм · Торр). Оценки по выражению (1) показывают, что коэффициент a. должен составлять от 8000 1/см до 12000 1/см. Столь высокие значения коэффициента ударной ионизации, как правило, не реализуются в экспериментах по пробою газов. Определяющим параметром механизма пробоя является значение a·d, которое характеризует количество образовавшихся электронов в лавине и возможность трансформации лавины в стример. По вышеприведенным оценкам, для зарегистрированных микропузырьков a·d »30÷100, что гораздо больше значения 18÷20, характерного для лавинно - стримерного перехода. В обычных условиях газового пробоя этого условия достаточно для возникновения стримера. Однако в столь сильных полях закон подобия может не выполняться и формула (1) может быть не вполне справедливой.

Можно пойти другим путем и рассмотреть, исходя из поведения пузырьков (рис. 3, 4), каким механизмам оно более всего соответствует. Если исходить из вида деформации, то грибообразная форма катодных пузырьков указывает на получение импульса всей верхушкой пузырька. Это может произойти в результате приобретения заряда поверхностью и действия кулоновской силы на заряд. В свою очередь, поверхностный заряд может появиться в результате объемного разряда [3] или пашеновского многолавинного разряда. В дальнейшем возможно возникает неустойчивость заряженного слоя [4], которая приводит к изменению профиля границы. Напряженность поля в более выпуклых точках усиливается, что способствует еще большему их вытягиванию. Оценки напряженности, необходимой для движения локальных заряженных областей, из соображений e₀ · e · E²~r · V², (r-плотность жидкости) дают при скорости 100÷400 м/с значения локальной напряженности E~1÷4 МВ/см. Это ненамного превышает значения внешней напряженности поля ~ 700 кВ/см. Действительно, коэффициент усиления поля у вытянутого заряженного образования может достигать нескольких единиц, или даже десятков [3], что делает предположение о их движении за счет кулоновских сил достаточно правдоподобным. При движении зарядов, в газовой фазе "куста" должны возникать разряды, подпитывающие это движение, как предполагалось ранее [6]. По-видимому, кустообразный стример является двухфазной структурой, в которой жидкая и газовая фазы частично перемешаны и находятся в нестационарном состоянии. Давление внутри такого образования мало отличается от первоначального давления. Это можно увидеть из рис.4, где тело пузырька, в практически неизменном виде, присутствует на всех кадрах. Отличия от первоначального пузырька заключаются в том, что он отодвинут от поверхности электрода и слегка деформирован. В принципе, его поведение аналогично поведению пузырька при более низких напряжениях, на поздних стадиях его эволюции [1].

В то же время, поведение анодных пузырьков более соответствует возникновению стримера в них, причем стример должен иметь высокую проводимость, достаточную для вынесения потенциала на поверхность пузырька и образования локальных сильных полей.

Оценим возможные параметры стримера в достаточно крупном пузырьке 40÷100 мкм. Характерный размер, когда лавина преобразуется в стример a ·x_c~20, составляет примерно x_c ~ 20 мкм. Считается [5], что при этом дополнительное поле в головке лавины должно быть порядка внешнего поля. Диффузионный радиус лавины

                                                      (2)

где U_T - средняя энергия хаотического движения (~ 4 эВ), составит r_d~1.5 мкм, близок к нему и радиус, определяемый электростатическим расталкиванием электронов в головке лавины. При дальнейшем продвижении лавины ее радиус не увеличивается вследствие экранирующего действия облака положительных ионов. На самом деле, действие облака положительных ионов скажется на более ранней стадии расширения головки лавины. Таким образом, оценка радиуса стримера r ~1 ÷1.5 мкм в пузырьке, при напряженности 1 МВ/см, по-видимому, достаточно корректна.

В следе стримера должна остаться слабоионизованная плазма. Если считать стример цилиндром длиной l, а радиус стримера определить согласно выражению (2), соответственно объем стримера p·r_d²·l и количество носителей N ~exp(a·x_c), то средняя концентрация носителей должна быть исключительно высокой n ~ 10¹⁸ 1/см3. Если это так, то дебаевский радиус составит порядка 10^-6 см, а проводимость стримерной плазмы по порядку величины должна соответствовать проводимости лидерной плазмы. Это означает, что потенциал должен выноситься на головку стримера, по крайней мере к моменту остановки стримера при его касании границы пузырька. Тогда напряженность поля перед головкой стримера должна быть много больше внешней напряженности поля. Если считать стример проводящим цилиндром длиной l, то усиление поля перед ним составит примерно l/r_d, что приведет к значениям напряженности поля в жидкости, превышающим 10 МВ/см. Это много больше внешней напряженности поля, тем самым можно объяснить, почему первичные стримеры распределены достаточно однородно по углу, в том числе часть стримеров распространяется параллельно поверхности электрода (рис. 3 в, г).. Если считать, что они управляются полем, причем локальная напряженность поля вблизи головки каждого распространяющегося стримера намного превышает внешнюю напряженность поля, то независимость направлений стримера от направления внешнего поля представляется вероятной.

Природа анодных "быстрых" стримеров в жидкости неясна. Попробуем сделать некоторые оценки исходя из размеров и времени существования стримеров. На рис.6 приведен фрагмент рис. 3 г с большим увеличением.

Рис. 6. Увеличенный фрагмент рис.3 г. Расстояние между крайними стримерами составляет 170 мкм.
Определенный из него радиус канала первичных стримеров составляет 5 мкм. Исчезают они к моменту возникновения пробоя, т.е. существуют не более 0.2÷0.5 мкс. Одна из распространенных точек зрения заключается в том, что канал стримера представляет собой нагретую жидкость [7]. Такой вывод был сделан из сопоставления расчетных времен охлаждения цилиндра, радиус которого равен радиусу стримера и экспериментально зарегистрированных времен исчезновения стримера. Однако в нашем случае данный вывод не соответствует действительности, по крайней мере для первичных стримеров (рис.3. в, г, д). Расчетное время охлаждения тела размером ~ 10 мкм составляет порядка 10 мкс, т.е. более чем на порядок превышает экспериментально определенные значения.

Более подходящей представляется "газовая" модель положительного стримера, предложенная для объяснения поведения "нитевидных" положительных стримеров в н-пентане [8]. Было показано, что расширение и сжатие канала стримера хорошо соответствует рэлеевской модели эволюции сферической полости, с радиусом, равным максимальному радиусу канала. Рэлеевское время сжатия полости радиусом 5 мкм должно составлять 450 нс. В экспериментах время существования первых стримеров не превышает 200 ÷500 нс. Можно считать, что эта модель и эксперимент не противоречат друг другу.

Осталось прояснить одно противоречие. Почему стример возникает в анодном пузырьке, но не возникает в катодном пузырьке? На наш взгляд, это не является противоречием. Дело в том, что появление эффективного электрона, который приводит к пробою в условиях воздействия коротких импульсов напряжения, значительно легче осуществляется в катодном пузырьке. По-видимому, это происходит еще на стадии повышения напряжения, когда напряженность поля в пузырьке достаточна для образования лавин, но недостаточна для преобразования их в стример. Действительно, фронт импульса напряжения был достаточно длинным, он составлял 0.2 мксек, и если многолавинный разряд возникал на фронте импульса, при относительно невысокой напряженности, то поле осевших зарядов экранировало внутренность пузырька, тем самым не давая возможности достичь высоких напряженностей, даже при действии полной амплитуды импульса.

В анодном пузырьке, электрон, который может привести к ионизационным процессам, должен появиться в объеме пузырька, либо на его границе, при достаточном удалении от поверхности электрода. Наиболее очевидным механизмом появления электронов считается развал отрицательных ионов [3]. Однако и в объеме пузырька и на его поверхности ионы не могут существовать в достаточном количестве (чего нельзя сказать о поверхности электрода). Дело в том, что на ион в пузырьке действуют силы изображения, возникающие за счет поляризации жидкости собственным полем иона. Поэтому ионы должны прилипать к стенкам пузырька и выталкиваться в объем жидкости. Отсутствие достаточного источника приведет к более позднему появлению эффективного электрона, когда напряженность поля уже достаточна для преобразования электронной лавины в стример.

Послепробойная гидродинамика.

Анализ поведения пузырьков (рис.3 е) позволяет оценить амплитуду мощной ударной волны, которая генерируется в процессе развития электрического пробоя в воде. Темные линии характеризуют области с резким изменением показателя преломления, который связан с плотностью среды и, соответственно, давлением в ударной волне. Здесь это свойство используется лишь для оценки ширины фронта ударной волны, хотя калиброванные шлирен-системы позволяют измерять амплитуду и восстанавливать профиль ударной волны. Из данных рис. 3 е можно оценить, что толщина фронта ударной волны составляет L_sw ~15-20 мкм и длительность T_sw ~10÷13 нс (скорость звука в воде С=1,5 км/с.). Под действием ударной волны пузырек, расположенный на электроде вблизи точки B сжимается от первоначального диаметра пузырька D »100 мкм, до D »20 мкм за 200 нс. Его начальный диаметр много больше толщины ударной волны L_sw. Последнее означает, что отражение ударной волны от внутренней стенки пузырька будет соответствовать отражению от свободной поверхности воды с кривизной, равной радиусу пузырька. Пройдя расстояние АВ и огибая пузырек, ударная волна постепенно разгоняет его стенки, от которых вглубь жидкости идут волны разгрузки, формируя несимметричную квазисферическую поверхность с максимальным радиусом ВD. Радиус в направлении BD максимален потому, что скорость волны разгрузки постоянна и равна скорости звука в воде, а волна разгрузки, например в направлении BC сформировалась позже на время прохождения ударной волны до противоположной стороны пузырька. Очевидно, что при генерации ударной волны пузырьком в результате его симметричного схлопывания картина была бы симметричной. Теперь, сравнивая длины отрезков L_BC и L_BD можно определить во сколько раз скорость ударной волны превышала скорость звука в воде С_sw/С »L_BC/L_BD »1,48, так как оба отрезка пройдены волной разгрузки и ударной волной за одинаковый промежуток времени. Используя эмпирическое уравнение состояния воды в форме Тэта:

P = (P₀ + P₀₀)(r/r_¥)ⁿ - P₀₀                    (3)_,

                                                                           

где P₀ и r_¥ - давление и плотность жидкости на бесконечности, а P₀₀ = 3·10⁸ Па, n = 7 получаем, следуя [9], связь давления и местной скорости звука в ударной волне:

C_sw = C((P+P₀₀)/(P₀+P₀₀))^(n-1)/2n             (4)                                                               

Расчет давления по данной формуле дает величину P »4,4 кБар. Это приближенная оценка давления в ударной волне на расстоянии 0,8÷1 мм от канала пробоя.

Сопоставление с пузырьковой моделью зажигания разряда.

Из результатов экспериментов видно, что зажигание действительно связано с пузырьками, хотя реальная картина зажигания разряда заметно сложнее предсказанной ранее [10]. Предполагалось, что в результате многолавинного разряда поверхность пузырька заряжается, пузырек вытягивается и вблизи его полюса достигается напряженность, достаточная для зажигания разряда непосредственно в жидкости.

В случае анодных пузырьков возникновение условий для формирования стримера, по-видимому, затрудняет появление последующих лавин в объеме пузырька, возможно вследствие экранирования стримером поля внутри пузырька. Тем самым и сила, действующая на поверхность, и распределение поля становятся резконеоднородными, вызывая локальную деформацию пузырька и увеличенную напряженность вблизи точки касания стримера.

В катодных пузырьках размером 40÷100 мкм, мелкомасштабные неустойчивости приводят к быстрому возникновению локальных областей сильного поля, которые, собственно говоря, и образуют стример, движущийся с дозвуковыми скоростями и управляемый кулоновскими и гидродинамическими силами.

По-видимому, зажигание разряда в жидкости по механизму многолавинного пробоя пузырька и его удлинения может осуществиться при уменьшении размеров пузырька до значений менее 20÷30 мкм. Косвенные указания на возможность такого механизма, по крайней мере вблизи катода, можно обнаружить на рис. 5 б, где зарегистрированы удлиненные образования типа пузырьков на поверхности электрода.

Заключение

Исследовано зажигание пробоя в воде с помощью искусственно создаваемых микропузырьков размером 40÷100 мкм при воздействии поля напряженностью до 800 кВ/см. Показано, что наличие пузырьков на поверхности электрода значительно уменьшает предпробивное время. Зажигание разряда с катода связано с образованием и ростом стримеров в виде "кустов", начинающихся с поверхности пузырька Анодное зажигание сопровождается возникновением ударной волны, центром которой является точка на поверхности пузырька, и веера сверхзвуковых стримеров из этого места. Анализ экспериментальных данных и моделей ионизационных процессов в пузырьке позволяет сделать вывод о том, что в анодных микропузырьках мог реализоваться стримерный механизм пробоя, тогда как пробой катодных пузырьков происходил по многолавинному механизму.

Список литературы

1. Коробейников С.М., Мелехов А.В., Посух В.Г., Антонов В.М., Рояк М.Э. Экспериментальные исследования поведения пузырьков в воде. Тепл. Выс. Темп., т.39, N 2, 2001, , стр. 163-168.
2. Коробейников С.М., Мелехов А.В., Синих Ю.Н., Соловейчик Ю.Г. Влияние сильных электрических полей на поведение пузырьков в воде. Тепл. Выс. Темп. т.39, 2001, N 3, стр. 1-5.
3. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов.-М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит.,1991.-224 с.
4. I.Alexeff, M.O. Pace, T.V. Blalock and A.I. Winterberg. Possible Models for the Earliest Prebreakdown Events in DC Stressed Hexane. Conf. Record of 10 ICDL, Grenoble, France, pp.387-391.
5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда.-М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит.,1987.-592 с.
6. Watson P.K., Sufian T., Chadband W.G., Yamashita H. The growth and collapse of streamer channels in insulating liquids. Proc. Of the ICDL-93, IEEE No.93CH3204-6, Baden-Dattwill, Switzerland, pp. 234-237.
7. Watson P.K., Sufian T., Chadband W.G. A thermal model of positive pre-breakdown streamers in insulating liquids. Proc. Of the ICDL-93, IEEE No.93CH3204-6, Baden-Dattwill, Switzerland, pp. 229-233.
8. Gournay P., Lesaint O. On the Gaseous Nature of Positive Filamentary Streamers in Hydrocarbon Liquids. II: Propagation, Growth and Collapse of Caseous Filaments in Pentane. J. Phys. D: Appl. Phys., 27, (1994) pp. 2117-2127.
9. Рождественский В.В. Кавитация. Л. "Судостроение" 1977, с.36.
10. Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. 1. Предпробивные процессы. Теплофизика высоких температур N 3, 1998.