Исследование процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ГАЛОГЕНСЕРЕБРЯНОМ ФОТОМАТЕРИАЛЕ................................................14
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНОГО ПРОБОЯ ВОЗДУХА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В МИКРОННОМ РАЗРЯДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ С ГАЛОГЕНСЕРЕБРЯНЫМ ФОТОМАТЕРИАЛОМ НА ЭЛЕКТ-
РОДЕ РОГОВСКОГО.............,.................................... 27
2.1. Экспериментальная установки и методика проведения исследований............................................................27
2.2. Оценка временных, электрических и экспозиционных характеристик лавинного разряда, возбуждаемого одиночными видеоимпульсами микросекундной длительности....................................36
2.3. Исследование интегрального спектра излучения слаботочного лавинного разряда, возбуждаемого одиночными видеоимпульсами микросекундной длительности в микронном разрядном промежутке с галогенсеребряным фотоматериалам на электроде Роговского................................48
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЛАБО-
'"Тч
ТОЧНОГО ЛАВИННОГО РАЗРЯДА С ФОТОЭМУЛЬСИОННЫМИ МИКРО-
1
КРИСТАЛЛАМИ ГАЛОИДНОГО СЕРЕБРА...............................................57
■І
3.1. Формирование импульсного электрического поля в газоразрядном і промежутке между электродами Роговского, один из которых покрыт
’ Ч , *
галогенсеребряным фотоматериалом.....................................58 ]
!-$.’•
' г '
3.2. Оценка возможности формирования электрополевого изображения ;
а*
• ОЧІ
на галогенсеребряном фотоматериале при газоразрядном фотопроцессе ...............................................................67
1
3.3. Электронные и электронно-оптические свойства кристаллов
•Т
галоидного серебра...................................................73
,1
3.4. Феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными
і’
- 1I"
микрокристаллами галоидного серебра..................................85
»•Л*
3.4.1. Формирование скрытого газоразрядного изображения при им- т
*£
г
пульсах положительной полярности................................86
р
3.4.2. Формирование скрытот газоразрядного изображения при им-пульсах отрицательной полярности......................................93
И-
3.5. Газоразрядная чувствительность галогенсеребряных фотома- 5.
териалов.............................................................98 V
4 ! ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЛАБО- \
п
ТОЧНОГО ЛАВИННОГО РАЗРЯДА С ГАЛОГЕНСЕРЕБРЯНОЙ ФОТО-
ЭМУЛЬСИЕЙ.......................................................104 £
4.1. Выбор галогенсеребряных фотоматериалов для исследований.104 4
'Л, •
4.2. Определение газоразрядной чувствительности галогенсеребряных —
■ *4*?
фотоматериалов............................................106 *;А
4.3. Исследование влияния импульсного электрического поля на газоразрядный фотопроцесс.................................................... 115
4.4. Исследование механизма взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией...............................121
.*Зе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................12Т::Е
V
'•ні -
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................131
ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................144
.4.
•І
I
ВВЕДЕНИЕ
Создание высокоэффективных и информационно-емких регистрирующих сред для фиксации быстропротскающих процессов с низкими интенсивностями излучения различной природы, является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния вещества. Еще большую актуальность эта проблема приобретает в случаях, когда требуется регистрация процессов, сопровождающихся сразу несколькими видами излучения. Ярким примером таких процессов являются протекающие в холодной неравновесной плазме, образующейся, например, в виде электронных лавин при пробое газа в узком разрядном промежутке микронной толщины между электродами Роговского, один из которых или два покрыты диэлектриком [1, 2]. Знания протекающих процессов в описанных условиях представляют большой интерес, прежде всего в научной и прикладной фотографии для разработки теории газоразрядного фотографического процесса и при создании специальных фотоматериалов для дифференцированного анализа газоразрядной информации; технике высоких напряжений при оценке срока службы диэлектрической изоляции [3, 4]; газоразрядном фотографировании (ГРФ) различных объектов, включая и биологические с целью, например, медицинской диагностики [5,6] и терапии (например, д'арсонвализа-ция [7]); газовой электрохимии, где слаботочный ГР лавинной формы используется, в частности, для озонирования воздуха [8] и увеличения адгезионной способности поверхности материалов [91, наконец, в электронной технике при конструировании, например, газоразрядных визуализаторов [10].
6
Практика показала, что удовлетворяющими вышеперечисленным требованиям средами являются фотослои на микрокристаллах (МК) галоидною серебра (AgHal) [11], позволяющие фиксировать распределение электронных лавин газового разряда (ГР) по площади разрядного промежутка, а затем по фотоизображению изучать их [12]. Как правило, при ГРФ процессов, протекающих в данных условиях, фотоматериал сам выступает диэлектриком, покрывающим электрод и непосредственно подвергается воздействию ионизованного газа. Несмотря на простоту способа фотографической регистрации газоразрядных процессов его использование для данных целей пока ограничено из-за невозможности расшифровки зафиксированной фотоносителем информации вследствие отсутствия знаний о процессах и механизмах се фиксации, то есть, процессах взаимодействия слаботочного лавинного ГР с МК А^а1.
Б настоящей диссертационной работе была поставлена цель: исследовать процессы взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией, установить закономерности их протекания и разработать феноменологическую физико-математическую модель этих процессов с последующей ее экспериментальной апробацией.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать физические закономерности развития лавинного Г'Р при одноимпульсном режиме его возбуждения в воздухе атмосферного давления и узком разрядном промежутке микронной толщины между электродами Рогов-ского (однородное электрическое поле), один из которых покрыт галогенсереб-
7
ряным фотоматериалом (являющимся многослойным диэлектриком). При этом для микросекундных видеоимпульсов высокого напряжения положительной и отрицательной полярности определить основные параметры разряда: время его запаздывания относительно переднего фронта импульса и время горения; напряжения зажигания и погасания, интегральный ток, а так же, по газоразрядным сенситограммам на фотоматериалах, охватываемую площадь. Используя измеренные параметры ГР вывести математическую формулу и оценить по ней экспозиционные дозы воздействия разряда на галогенсеребряный фотоматериал.
2. Разработать методику регистрации интегральных спектров для однородного электромагнитного излучения энергетической плотностью <10'* Дж/м2 и длительностью <10'6с в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах и с ее помощью при разно-полярных видеоимпульсах высокого напряжения исследовать спектр излучения лавинного ГР, возбуждаемого в выше описанных условиях.
3. На основании экспериментальных результатов по физике импульсного пробоя воздуха атмосферного давления в микронном разрядном промежутке и знаний об электронных и электронно-оптических свойствах кристаллов AgHal, разработать феноменологическую физико-математическую модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК А§Иа1 при импульсах положительной и отрицательной полярности.
4. При разно-полярных видеоимпульсах определить ответную реакцию налоге нсеребряных фотоматериалов на газоразрядное воздействие и вывести ма-
8
тематическую формулу для оценки их газоразрядной чувствительности (ГРЧ), а так же, исследовать влияние импульсного, однородного электрического поля высокой напряженности на газоразрядный фотопроцесс.
5. Путем топографического разделения скрытого газоразрядного изображения (СГРИ) на глубинную и поверхностную составляющие, исследовать при импульсах положительной и отрицательной полярности механизм взаимодействия слаботочного лавинного ГР с фотоэмульсионными МК А§На1 стандартных и специально синтезированных фотоэмульсий, содержащих в кристаллах различное количество поверхностиых и глубинных электронных ловушек с различной эффективностью.
В работе получены следующее новые научные результаты:
1. Впервые разработана феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК А§На1, из которой следует, что при импульсах положительной полярности Ag центры СГРИ должны формироваться как на поверхности кристаллов, так и в глубине за счет электронов и фотонов лавинного разряда; при импульсах отрицательной полярности - только на поверхности кристалликов фотонами и ионами ГР.
2. Па основе МК AgBr (С1, I), химически сенсибилизированных солями трехвалентного родия и золота, синтезированы новые галогенсеребряные фотоматериалы для регистрации и дифференциации газоразрядных процессов, протекающих в слаботочном ГР лавинной формы.
9
3. Выведены математические формулы для расчета газоразрядной экспозиции (ГРЭ) и ГРЧ галогенсеребряных фотоматериалов. При этом показана невозможность экспонирования одних и тех же фотоматериалов равными дозами ГРЭ при разно-полярных видеоимпульсах высоковольтного напряжения.
4. Впервые установлена определяющая роль импульсного однородного электрического поля большой напряженности (~105 В/см) в газоразрядном фотопроцессе. Показано, что оно увеличивает интегральную оптическую плотность газоразрядных изображений (ГРИ) по отношению к сформированным только световым излучением лавинного разряда, но само по себе А& центров скрытого электрополевого изображения в МК А§На1 не образует.
5. Впервые установлено, что импульсный пробой воздуха атмосферного давления и неизменного химического состава в 50-ти микронном разрядном промежутке с галогенсеребряным фотоматериалом на электроде Роговского (однородное электрическое поле) зависит от электро-геометрических характеристик фотоматериалов и полярности прикладываемого импульса высокого напряжения.
6. Впервые предложена методика регистрации интегральных спектров однородного электромагнитного излучения в диапазоне 260 - 750 нм энергетической плотностью <10’6Дж/м2 и длительностью <10'6 с на основе которой разработаны конструкции макетов приборов «импульсного спектрографа» и «газоразрядного фотоаппарата».
На защиту выносятся следующие положения:
10
1. Феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией из которой следует, что при импульсах положительной полярности в фото-эмульсионных МК Ag^гЫ должно формироваться как глубинное, так и поверхностное электронно-фотонное ГРИ; при импульсах отрицательной полярности-тол ько поверхностное ионно-фотонное изображение.
2. Утверждение о том, что импульсное, однородное электрическое поле в фотослое напряженностью ~105 В/см и длительностью ~7 мке само по себе не образует серебряных центров скрытого изображения в МК AgHal, но оказывает существенное влияние на газоразрядный фотопроцесс путем пространственного разделения заряженных частиц, как в ионизованном газе, гак и МК, в итоге увеличивая интегральную оптическую плотность ГРИ и, соответственно, ГРЧ, по сравнению с изображениями, сформированными только световым излучением лавинного разряда.
3. Доказательство того, что на формирование серебряных центров СГРИ при импульсах положительной полярности оказывает влияние как поверхностная, так и глубинная химическая сенсибилизация МК AgHal; при формирований СГРИ на импульсах отрицательной полярности - только поверхностная сенсибилизация, независимо от глубинной.
4. Разработанная методика и схема конструкции «импульсного спектрографа» для регистрации интефальных спектров однородного электромагнитного излучения в диапазоне 260 - 750 нм с энергетической плотностью <\0^Дж!м2 и длительностью <10'6с.
11
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, насчитывающего 106 наименований и приложения.
Во введении сформулирована цель и обозначены задачи исследований, новизна и актуальность работы, ее практическое значение и выносимые на защиту основные положения, кратко описаны основные результаты, полученные в работе.
В первой главе проведен литературный обзор по теоретическим и экспериментальным исследованиям физических процессов формирования ГРИ на га-логенсеребряном фотоматериале. По его результатам показано отсутствие данных по исследованию физических процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогеисеребряной фотоэмульсией, то есть, процессам фиксации газоразрядной информации.
Во второй главе описана экспериментальная установка, на которой исследовались физические закономерности импульсного пробоя воздуха атмосферного давления и постоянного химического состава в 50-ти микронном разрядном промежутке с галогенсеребряным фотоматериалом на одном из электродов Роговского. При этом измерялись временные, электрические и экспозиционные характеристики ГР. В результате была выявлена линейная зависимость напряжения зажигания разряда в воздухе от полярности прикладываемого импульса напряжения и электро-геометрических характеристик фотоматериала (при неизменных термодинамических и химических параметров воздушной атмосферы). Показана невозможность экспонирования одних и тех же фотоматериалов равными дозами газоразрядного воздействия при разно-полярных видеоим-
12
пульсах. Разработана методика для регистрации интегральных спектров однородного электромагнитного излучения в диапазоне 260 - 750 нм с энергетиче-
6 ж в 2 6
ской плотностью <10' Дж/м и длительностью <10' с, на основе которой предложена оригинальная схема конструкции «импульсного спектрографа». С его помощью исследован интегральный спектр излучения слаботочного лавинного разряда, возбуждаемого одиночными видеоимпульсами микросекундной длительности в 50-ти микронном разрядном промежутке с фотоматериалом (диэлектриком) на электроде Роговского. Разработанная конструкция «импульсного спектрографа» нашла отражение в работе прибора для ГРФ гранулированных и жидкофазных объектов и получившего название «газоразрядный фотоаппарат».
В третьей главе, на основе выявленных закономерностей импульсного пробоя воздуха атмосферного давления и литературных данных по электронным и электронно-оптическим свойствам кристаллов галоидного серебра, разработана феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК А°11а1 при импульсах положительной и отрицательной полярности. При этом показано, что в однородном электрическом поле при импульсах положительной полярности в галогенсеребряном фотослое должно формироваться как глубинное, так и поверхностное СГРИ за счет фотонов и электронов лавинного ГР; при импульсах отрицательной полярности - только на поверхности МК А^-1а1 за счет фотонов и ионов разряда.