Предпробойные явления в жидкостях в квазиоднородном электрическом поле

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................4
Глава I. Методы сверхскоростной лазерной шлирен-регистрации для
НАБЛЮДЕНИЯ ПРЕДПРОБОЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ЖИДКОСТЯХ В НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ.......................................................15
!Л. Формирование лазерных импульсов наносекундной длительности.....17
1.2. Шлирен-метод Теплера..........................................22
1.3. Однокадровая система фоторегистрации с помощью электроннооптического преобразователя с временным разрешением ~ 10 9 с...29
1.4. Трехкадровая сверхскоростная лазерная шлирен-система с временным разрешением < 5 • 10-9 с...........................................31
1.5. Шестикадровая сверхскоростная лазерная шлирен-система с регулируемым временным интервалом между кадрами....................33
Глава И. Сверхскоростная лазерная оптическая интерферометрия для
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДПРОБОЙНЫХ МИКРОПРОЦЕССОВ..........................44
2.1. Элементы теории двухлучевых интерферометров. Интерферометр Маха-Цендера.......................................................44
2.2. Методы обработки интерферограмм осесимметричных неоднородностей....................................................51
2.3. Численное моделирование возможностей интерферометрии при исследовании нестационарных процессов..............................60
2.4. Восстановление показателя преломления фазового микрообъекта, обладающего сферической симметрией.................................68
2.5. Экспериментальный анализ пространственного разрешения и точности интерференционных измерений........................................73
Г лава III. Статистические исследования импульсного элек трического пробоя жидкостей в квазиодиородном поле............................81
3.1. Методы анализа статистических распределений времени запаздывания пробоя.............................................................81
3.1.1. Время статистического запаздывания......................82
3.1.2. Полное время запаздывания пробоя........................83
3.1.3. Параллельные процессы...................................86
3.2. Схема экспериментальной установки. Предварительные результаты.. 88
3.3. Экспериментальная техника для исследования импульсного электрического пробоя жидкостей в субмиллиметровых промежутках при повышенных давлениях...........................................97
-з -
3.3.1. Принципиальная схема экспериментальной установки...........97
3.3.2. Разрядная камера высокого давления........................100
3.3.3. Измерение длины субмиллиметровых промежутков..............101
3.4. Автоматизированная система для статистического анализа времени запаздывания пробоя...................................................104
3.5. Результаты статистических исследований механизмов электрического пробоя жидкостей......................................................108
Глава IV. Сверхскоростные оптические исследования предпробойных явлений в жидкостях в квазиоднородном моле...........................117
4.1. Развитие электрического разряда с анода. Сверхбыстрые предпробойные явления в дистиллированной воде.........................117
4.2. Структура и динамика электрического разряда в жидкостях с анода... 123
4.3. Исследование микровзрывных процессов на аноде...................131
4.4. Развитие электрического разряда с катода. Предпробойные явления в дистиллированной воде в субмиллиметровых промежутках..................139
4.5. Границы механизмов электрического пробоя и-гсксана..............142
4.6. Влияние давления на механизмы электрического пробоя жидкостей.. 147
4.7. Механизмы электрического пробоя воды с острийного анода в наносекундном диапазоне. Влияние структуры жидкости на предпробойные явления.................................................151
Глава V. Теоретический анализ экспериментальных результатов 159
5.1. Развитие сложного электрического разряда с анода................159
5.1.1. Инициирование.............................................159
5.1.2. Распространение электрического разряда....................175
5.2. Однородный электрический разряд с анода.........................187
5.3. Развитие электрического разряда с катода........................193
5.3.1. Инициирование.............................................193
5.3.2. Распространение электрического разряда.................. 198
5.4. О механизме увеличения электрической прочности н-гексана в микронных промежутках.................................................203
Заключение..............................................................209
Список использованной литературы.........................................219
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость детального исследования импульсного электрического пробоя в жидких диэлектриках обусловлена несколькими причинами. Прежде всего это связано с практическим использованием жидкостей в различных электрофизических установках, например, для генерирования мощных наносекундных импульсов [1]. Среди жидких диэлектриков особое место занимает дистиллированная вода, которая из-за большой диэлектрической проницаемости (в = 80) и сравнительно высокой электрической прочности позволяет создавать накопители электрической энергии с уникальными параметрами. Так, например, импульсная мощность, которая может быть выведена из такого накопителя, составляет ~1012-10|4Вт [2]. Это особенно важно для решения таких задач, как создание мощных импульсных лазеров, сверхбыстрого нагрева плазмы, получения сильноточных релятивистских электронных пучков. Впервые возможность использования дистиллированной воды в качестве диэлектрика была продемонстрирована в опытах по взрыву проволочек [3]. В институте ядерной физики СО РАН были разработаны первые малоиндуктивные конденсаторные контуры с водяной изоляцией для получения больших импульсных токов и сильных электромагнитных полей [4]. Примеры использования дистиллированной воды и других жидких диэлектриков в мощных импульсных источниках энергии можно найти в обзорной работе [2].
Помимо проблемы накопления энергии большой интерес представляет создание управляемых коммутаторов, работающих при высоких скоростях нарастания тока и напряжениях -1-10МВ. Впервые перспективность применения жидкостных разрядников для коммутации больших токов была показана в работе [5]. В качестве примера можно привести многоканальный водяной коммутатор на напряжение 2 МВ [6].
Используются сильноточные разряды в жидкостях и в качестве источника мощных возмущений в разрядно-импульсных технологиях [7]. Следует отметить также применение сжиженных газов (аргон, метан, ксенон) в ионизационных камерах ядерной физики [8]. Перспективным является использование жидких диэлектриков (например, тетраметилсилана) для регистрации рентгеновского излучения больших энергий (промышленная томография для неразрушающего контроля) [9]. Импульс-
-5-
ный электрический разряд в жидкости начинает приобретать в последнее время все большее распространение в процессе очистки воды (например, [10J).
Несомненно, что физически обоснованное развитие ирофамм, связанных с практическим использованием жидких диэлектриков, требует получения не только ряда количественных характеристик пробоя, таких как напряженность поля, время запаздывания, скорость стримера и их зависимости от различных факторов, но и выяснения некоторых принципиальных вопросов физики пробоя.
Исследования электрического разряда в жидких средах были начаты в конце позапрошлого столетия. В настоящее время существует болсс двух десятков различных теорий пробоя жидкостей, ни одна из которых не объясняет всех известных экспериментальных фактов. Это связано с решением, как правило, частных вопросов и в существенно различающихся экспериментальных условиях. Ии одна из существующих моделей пробоя не описывает электрический разряд как сложный процесс, что отражает отсутствие достаточно полных экспериментальных данных о закономерностях его развития. Молекулярно-кинетическая структура жидкостей изучена недостаточно, что является, по-видимому, основным препятствием для создания надежной теории электрического пробоя. Результаты исследований механизма ионизации, проводимости и пробоя жидких диэлектриков и основные теоретические положения изложены в монографиях [11-20] и ряде обзорных работ последних лет [21-28]. Несмотря на множество полученных экспериментальных данных отсутствует единство во взглядах на механизм электрического пробоя жидкостей. Например, до настоящего времени дискутируется существование ионизационного механизма пробоя в наносе-кундном диапазоне даже в наилучших жидких диэлектриках. Остается не вполне ясным механизм проводимости в сильных электрических полях.
Таким образом, исследование физических процессов в жидкостях при воздействии на них сильных электрических полей является актуальным и представляет большой практический и теоретический интерес.
Первые сведения о развитии электрического разряда в жидкостях с помощью скоростной фотографической регистрации и одновременного осциллофафирования напряжения и тока были получены в 1945 г. Комельковым B.C. [291. Исследовался импульсный пробой в трансформаторном масле и дистиллированной воде в резко неоднородном поле в промежутках длиной ~ 10 -20см. Амплитуда импульсов напря-
-6-
жсния достигала 500 кВ. Собственное свечение разряда фотографировалось на пленку с линейной скоростью движения ~104см/с (режим развертки). В разрядную цепь включалось ограничивающее сопротивление ~1(Г-106Ом для торможения разряда. Стадия, предшествующая пробою, но аналогии с разрядом в газах названа лидерной стадией.
Лидер начинается с острийного электрода, а при электродах острие-острие разряд в масле начинается почти одновременно с обоих электродов и лидеры встречаются в межэлектродном промежутке. Лидер в масле обладает слабым свечением, что затрудняет регистрацию его на пленке. Развитие лидерной стадии протекает с переменной скоростью и сочетает в себе непрерывное движение с толчкообразным. Каждому толчку — ступени лидера соответствует импульс тока. Заметное свечение наблюдается только у головки лидера, а интенсивность свечения предыдущих ступеней значительно слабее. Средние скорости положительного и отрицательного лидеров в трансформаторном масле составляют 1,7-Ю5 см/с и 6 104см/с соответственно. В начальной
фазе скорость лидера максимальна и равна £106 см/с. Отмечается преимуществен-ность развития положительного лидера в воде (эффект полярности). Скорость положительного лидера в воде составляет -1,6-106 см/с и значительно больше, чем отрицательного. Поразительное сходство отдельных фаз разряда в жидкостях и газах позволило предположить, что в жидкостях возникают явления, способствующие образованию лавин (фотоионизация или фотовозбуждение излучением самого разряда, уменьшение работы ионизации за счег воздействия на молекулы жидкости электрического поля, распространяющегося вместе с лидером). В [30] приведены дополнительные данные о развитии импульсного разряда в жидкости. Указывается на сложную структуру электрического разряда. Разветвления положительного лидера оканчиваются серией тонких стримеров, а отрицательного — короткими, сравнительно толстыми и менее многочисленными стримерами. В целом структура разряда в дистиллированной воде и трансформаторном масле примерно одинаковая. Экспериментальные данные позволили оценить некоторые параметры лидерного канала: его диаметр (<1мм), плотность тока >102 Л/см2) и др. Наиболее важные результаты, полученные Комельковым B.C., заключаются в следующем:
-7-
1. Лидерный (стримерный) характер пробоя. Причем сам лидерный канал является вторичным явлением и образуется в результате протекания через диэлектрик ионизационных токов, замыкающихся на канал.
2. Высокие скорости развития лидера (> 106 см/с).
3. Малые поперечные размеры канала лидера (~ 0,8 -1 мм).
4. Наблюдение лидера с положительного электрода. Его возникновение не может быть объяснено эмиссией электронов с катода и имеет в своей основе иной механизм.
5. Феноменологическое сходство лидера в жидкости и в длинных газовых промежутках.
Первые исследования распределения электрического поля в разрядном промежутке с помощью электрооптического эффекта Керра при импульсном воздействии напряжения были выполнены в 1956 г. [31]. Оптические методы, основанные на эффекте Керра, позволяют по интенсивности проходящего света определить величину напряженности поля. В [31] изучалось распределение электрического поля в очищенном хлорбензоле в промежутке, образованном плоскими электродами, в зависимости от расстояния между ними при нредпробивных напряженностях ~ 0,5 -1,3 МВ/см. В качссгве источника света использовалась импульсная лампа с длительностью вспышки ~ 50 мкс. Амплитуда импульса напряжения составляла - 20 кВ, а его длительность ~0,1 -Емс. Установлено увеличение напряженности ноля вблизи катода но сравнению с напряженностью ноля вблизи анода. Искажение однородного поля пространственным зарядом, знак которого противоположен знаку заряда электрода, связывается с холодной эмиссией электронов с катода, последующей ударной ионизацией и движением ионов между электродами.
В 1961 г. были выполнены первые исследования развития электрического разряда в жидкости с помощью шлиреп-метода, регистрирующего изменение показателя преломления (плотности) среды [32, 33]. Опыты проводились с н-гексаном высокой степени очистки в системе электродов острие-острие [32] и острие-плоскость [33]. В [32] использовалась пяти кадровая шлирен-система с импульсной лампой в качестве источника света и камерой с вращающимся зеркапом. Первый кадр делатся до включения напряжения, а последующие — через 7, 80, 150 и 220 мкс соответственно после
-8-
приложения напряжения. На втором кадре было замечено сильное изменение показателя преломления жидкости вблизи катода. Область оптической неоднородности могла развиваться и приводить к пробою, или исчезать без пробоя в зависимости от величины напряжения. В [33] использовалась более совершенная однокадровая шлирсн-система с искровым источником подсветки. Расстояние между электродами составляло 1-2мм, напряженность поля >300кВ/см. При отрицательной полярности острий-иого электрода также была зарегистрирована оптическая неоднородность вблизи острия. Удалось более детально изучить тонкую структуру возмущения. Отмечается, что оно состоит из большого числа ветвей и имеет примерно сферическую форму. Предполагается, что наблюдаемое возмущение есть область с более низким значением показателя преломления (по сравнению с окружающей средой) и ее формирование связано с электронной эмиссией с катода и возникновением многочисленных стримеров, развивающихся ступенчато. Средняя скорость распространения разряда составляет <105см/с. При достижении возмущением плоского электрода происходит пробой промежутка. При смене полярности острийного электрода (положительной) и сохранении условий эксперимента явление не наблюдается. Эти исследования были продолжены в [34], где более детально изучалась динамика развития возмущения с помощью высокоскоростной камеры, работающей в режиме щелевой развертки. Скорость перемещения изображения по фотопленке составляла ~10:'см/с. Установлено, что в н-гексане возмущение появляется вблизи острийного катода через время ~ 1 - 3 мке после подачи импульса напряжения и распространяется по направлению к плоскому аноду примерно с постоянной скоростью. При напряженностях поля, соответствующих минимальным пробойным, эта скорость составляет -2 10* см/с. При более высоких напряженностях она увеличивается до ~2 105см/с. При перенапряжениях появление области возмущения сопровождается формированием слабых ударных волн, что указывает, но мнению авторов, на внезапный характер выделения энергии в процессе ее зарождения. Пробой наступает быстро после того, как возмущение распространяется от катода на расстояние, примерно равное 0,8 длины промежутка. Предполагается, что область возмущения представляет собой слабоионизованную плазму. Ее формирование связано с холодной эмиссией электронов из катода. Сво-
-9-
бодные электроны получают от поля энергию, которая тратится на вибрацию молекулярных связей и ионизацию молекул жидкости.
Исследования прсдпробойных явлений в сильных электрических полях проводились также с помощью пузырьковой камеры [35]. Как извес тно, основой создания пузырьковых камер явились опыты, показывающие преимущественное образование пузырьков пара вдоль пути заряженной частицы в перегретой жидкости. Эксперименты в [35] выполнялись с диэтиловым эфиром, находящимся в разрядной камере (электроды острие-острие) под повышенным давлением при температуре около 135°С. Импульс напряжения длительностью -1 - 3 мс прикладывался к разрядному промежутку в момент понижения давления, когда жидкость оказывалась в перегретом состоянии. Расстояние между электродами составляло -0,8-1,2 мм. Камера освещалась импульсной лампой, а фотографирование процессов в межэлектродном промежутке осуществлялось скоростной кинокамерой с максимальной частотой съемки ~104 кадр/с. Было установлено, что при напряженностях поля вблизи острийного электрода <1,6МВ/см пузырьки возникают, главным образом, у катода и перемещаются к аноду. Время роста пузырьков пара до размера >100мкм составляло ~0,5-0,8мс и уменьшалось с увеличением напряжения. Если напряжение не прикладывалось к промежутку, закипание жидкости не происходило в течение 50 мс после момента понижения давления. Поскольку пузырьки не наблюдались также при приложении напряжения до перехода жидкости в метастабильное состояние, был сделан вывод, что локальное вскипание перегретой жидкости инициируется эмиссией электронов с катода.
В работе [36] при исследовании формирования электрического разряда в водных растворах хлористого натрия регистрировалось собственное свечение и одновременно теневое изображение разрядного промежутка при подсветке вспомогательной искрой с помощью камеры СФР-2М. Расстояние между электродами составляло около 5 мм, причем обычно острие положительно. В режиме лупы времени скорость съемки была 2,5 -106 кадр/с (временной интервал между кадрами 0,4 мке), в режиме фоторегистратора скорость развертки составляла 3,75 • 102 см/с. Наблюдалась кистевая форма разряда. В области малых концентраций (удельная электропроводность <Ю~3Ом“' см ') кистевое свечение слабо развито. Поэтому при фотографировании
-10-
без подсветки предпробойная кистевая стадия разряда была почти не видна, светилась иногда только точка на острие. Фотографирование с подсветкой позволило получить теневое изображение растущей кисти, состоящей из тонких ветвей. От головки каждой ветви распространяется слабая сферическая ударная волна. Скорость ударной волны равна ~ 1,6* 105см/с, а скорость развития кистей - 1,2-105см/с. В тот момент, когда одна из ветвей достигает противоположного электрода, происходит пробой. Он распространяется по проросшей ветви в обратном направлении и достигает острия гораздо быстрее, чем 0,4 мке — временной интервал между кадрами. На фоторазвертках разряда, соответствующих средним и малым концентрациям раствора, четко прослеживаются три явления: распространение ударной волны, расширение газовой оболочки канала и свечение пробоя внутри газовой оболочки. Скорости роста ветвей кисти при отрицательном острие примерно на порядок меньше, чем при положительном. В системе электродов острие-острие разряд начинается с положительного острия.
Высокие скорости движения лидера (£106см/с) и относительно небольшая интенсивность свечения не позволили выявить более тонкую структуру его развития системами регистрации с механической разверткой изображения во времени. Большие возможности в экспериментах подобного типа связаны с применением электронно-оптических преобразователей, сочетающих большую светосилу с высоким временным разрешением.
Первые исследования электрического пробоя жидкостей с использованием электронно-оптической аппаратуры были выполнены в 1965 г. Стекольниковым И.С. и Ушаковым В.Я. [37]. Изучалось развитие разряда в грансформагорном масле, дистиллированной воде и этиловом спирте в промежутках острие-плоскость и острие-острие. Расстояние между электродами составляло -5-16см. В экспериментах использовался ЭОП с усилителем света в режиме фоторазвертки. Улучшение временного разрешения позволило обнаружить различие в характере развития лидера в неполярных (трансформаторное масло) и полярных (дистиллированная вода, спирт) жидкостях. В полярных жидкостях лидер развивается толчкообразно, а в трансформаторном масле его движение происходит непрерывно и сопровождается периодическими вспышками всего канала. Периодические вспышки лидерного канала
-11 -
в масле означают, по мнению авторов, что основной заряд в промежуток внедряется также импульсно. Поскольку экспериментальные результаты были получены при отсутствии искусственного ограничения разрядного тока, то они показывают, что толчкообразное движение лидера в полярных жидкостях является характерной чертой развития процесса. Установлено, что головка положительного лидера в дистиллированной воде в течение малых интервалов времени - 50 не продвигается в глубь промежутка со скоростью -107 см/с. Отмечается значительно более высокое пробивное напряжение при отрицательной полярности острийного электрода в дистиллированной воде.
Работы [29-37] имеют чрезвычайно важное значение, которое определяется не только полученными в них результатами. Они показали высокую эффективность оптических методов, позволяющих проводить непосредственные наблюдения за процессами в разрядном промежутке до его пробоя. Следует отметить, что основные исследования выполнены в условиях резко неоднородного поля. Это позволяет проводить опыты в длинных промежутках - 5 - 20 см, где электрический разряд развивается дольше. Однако использование систем регистрации с вращающимся зеркалом не позволяет достигнуть необходимого временного разрешения для выявления особенностей развития электрического разряда. Применение методов незавершенного разряда или искусственного ограничения разрядного тока с помощью сопротивлений может искажать картину исследуемого процесса. Низкое временное разрешение регистрирующей аппаратуры не позволяет проводить исследования в промежутках с однородным полем. Поэтому в литературе практически отсутствуют данные о развитии электрического разряда в этих условиях. Чрезвычайно мало экспериментальных данных, относящихся к высоким напряженностям поля >1МВ/см и наносекундным длительностям воздействия напряжения. Использование электронно-оптических преобразователей значительно улучшает временное разрешение (до КГ13 с), однако они обладают- недостаточно высоким пространственным разрешением (<10 2 см) и не могут эффективно работать в условиях резкого изменения яркости изображения. Ухудшение пространственного разрешения ЭОП при экспозициях ~10“9с, обусловленное локальными искажениями изображения из-за конечной проводимости фотокатода, ог-
- 12-
раничиваст возможности их применения при исследовании микропроцессов, развивающихся с большими скоростями ~ 105 -I О7 см/с.
Значительный прогресс при исследовании механизмов электрического разряда в жидкостях был достигнут благодаря применению лазерной техники. Первые исследования предпробойных явлений в жидкостях с использованием рубинового лазера в качестве источника подсветки в схеме высокоскоростного шлирен-фотографирования были выполнены в 1970-1971 гг. при непосредственном участии автора [38, 39]. На-носскундное временное разрешение позволило впервые наблюдать пробой с анода в однородном поле и выявить некоторые важные детали его зарождения и развития. В частности установлено, что электрический разряд имеет сложный характер и включает в себя несколько последовательных стадий, различающихся механизмами и скоростями развития. Выявлена тонкая структура электрического разряда на начальной стадии. Результаты [38, 39] показали исключительно важное значение временного и пространственного разрешения регистрирующей аппаратуры при изучении развития электрического разряда в жидкостях. Они позволили сформулировать направление дальнейших исследований.
Разработка, создание лазерных методов сверхбыстрых оптических измерений и применение их для выяснения механизмов зарождения и распространения электрического разряда в жидкостях составило главную цель данной работы и явилось новым перспективным научным направлением. Использование лазерных источников подсветки в сочетании с известными оптическими методами (шлирен-методы, интерферометрия и др.) позволяет осуществить одновременное достижение высокого временного и пространственного разрешения, что особенно важно при изучении предпробойных процессов в жидкостях. Оптические методы, основанные на регистрации изменения показателя преломления (плотности) среды, позволяют выявить более ранние стадии, предшествующие возникновению интенсивных ионизационных процессов (светящейся стадии электрического разряда).
Исследования были начаты в 1970 г. в институте ядерной физики СО РАН и затем продолжены в институте теоретической и прикладной механики СО РАН под руководством А.Г. Пономаренко и Р.И. Солоухина. Стимулом для их постановки явилось практическое использование дистиллированной воды в высоковольтных накопителях и преобразователях энергии [38-40]. На начальном этапе работы автором
- 13-
использовался опыт, накопленный в ИЯФ СО РАН по созданию импульсных твердотельных лазеров под руководством Э.П. Круглякова. Предварительные результаты исследований изложены в кандидатской диссертации автора [41]. После 1975 г. исследования проводились под руководством и при непосредственном участии автора на кафедре общей физики физического факультета Новосибирского государственного университета.
Сформулируем основные задачи исследования:
1. Разработка и создание многокадровых сверхскоростных лазерных шлирен-систем для наблюдения предпробойных явлений в жидкостях в наносекунд-ном диапазоне.
2. Разработка и создание метода сверхскоростной лазерной оптической интерферометрии для исследования предпробойных микропроцессов.
3. Создание автоматизированной измерительно-вычислительной системы для статистического анализа времени запаздывания пробоя. Проведение статистических исследований импульсного электрического пробоя жидкостей в квазиоднородном поле.
4. Сверхскоростные оптические исследования предпробойных явлений в жидкостях в квазиоднородном электрическом поле.
5. Детальные исследования механизмов электрического пробоя жидкостей в наносекундном диапазоне.
6. Построение качественной физической картины развития электрического разряда в жидкостях.
Следует отметить трудности, связанные с исследованиями предпробойных процессов в жидкостях: малые размеры ионизационных каналов <10мкм; высокие скорости развития процессов > 10 см/с; многообразие и сложность явлений.
Решение поставленных задач потребовало создания высоковольтных генераторов импульсных напряжений, ианосекундной лазерной техники, жесткой синхронизации различных импульсных устройств, разработки и применения сложных оптических систем, требующих высокой точности юстировки, использования вычислительной техники для обработки результатов измерений.
Основной цикл исследований выполнен в условиях квазиоднородного электрического ноля, что правильнее отражает реальные конструкции электрофизических
- 14-
устройств, в различных жидкостях, в промежутках длиной от десятка микрон до нескольких миллиметров, в микронаносекундном диапазоне, при различных внешних давлениях.
На защиту выносятся следующие основные положения, являющиеся личным вкладом автора:
1. Разработана шестикадровая сверхскоростная лазерная шлирен-система с временным разрешением ~ 5 не и пространственным ~ 20 мкм. По временному и прос транственному разрешению, скорости регистрации (-108 кадр/с) она превосходит экспериментальную технику, обычно применяемую при изучении развития электрического разряда в жидкостях.
2. Предложена интерференционная методика восстановления структуры фазового микрообъекта, обладающего сферической симметрией. Получено интегральное уравнение, которое в отличие от общепринятого уравнения Абеля позволяет по малому числу интерференционных полос (и даже по одной) восстановить радиальное распределение показателя преломления в исследуемом объекте.
3. Инициирование электрического разряда в н-гексане с анода в однородном поле объясняется спонтанным образованием микропузырьков в перегретой жидкости. Ответственным за это является быстрый локальный разогрев жидкости ионизационными токами (ионизация атомов вблизи анода за счет туннельного перехода).
4. Инициирование электрического разряда в дистиллированной воде с анода в однородном поле обусловлено микровзрывными процессами, приводящими к выделению энергии О0 > 4 -10~! Дж в области е характерным радиусом г0 ~ 10 мкм за время т0 £2-10 я с.
5. Зарождение и распространение однородного (по структуре) электрического разряда с анода связано с развитием ионизационных процессов в самой жидкости.
6. Ослабление влияния внешнего давления на импульсную электрическую прочность жидкостей в наносекундном диапазоне связано с сосуществованием и конкуренцией двух различных механизмов пробоя с анода и переходом к ионизационному механизму пробоя с анода при повышенных давлениях.
7. Основные ионизационные процессы, приводящие к распространению электрическое разряда с катода (скорости ~ 105 см/с), протекают в парогазовой фазе.
8. Существование некоторого критического времени (электрическая прочность жидкостей быстро увеличивается при временах, меньших критического) и критического расстояния между электродами (время запаздывания пробоя слабо зависит от длины разрядного промежутка при расстояниях, больших критического) связано с переходом от механизма пробоя с катода («пузырькового») к электрическому разряду с анода, имеющему более высокие скорости развития.
9. Увеличение пробивного поля при уменьшении расстояния между электродами, наиболее резко проявляющееся в зазорах <100 мкм, происходит в условиях «пузырькового» механизма пробоя с катода.
- 15-
ГЛАВА I. МЕТОДЫ сверхскоростной лазерной ШЛИРЕН-РЕГИСТРАЦИИ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ПРЕДПРОБОЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ в жидкостях в НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ
При изучении нестационарных быстропротекающих процессов методами, основанными на прохождении света через оптические неоднородности (например, шли-рен-методы, интерферометрия), одна из главных проблем заключается в выборе соответствующего источника подсветки. К источникам света предъявляется ряд требований, обусловленных спецификой решаемых задач, основными из которых являются следующие:
1. В кадровом режиме съемки временное разрешение определяется длительностью экспозиции кадра, а динамическое пространственное разрешение зависит также от скорости развития исследуемого процесса. Изучение процессов, развивающихся со скоростями - 105 -107 см/с, с динамическим пространственным разрешением -10 мкм требует длительности импульсов подсветки -10-0,1 нс.
2. Необходимо, чтобы подсветка осуществлялась либо источником с хорошей «точечностыо», либо источником параллельного пучка света с высокой однородностью распределения энергии излучения по сечению, обеспечивающее возможность формирования световых пучков необходимого диаметра.
3. Возможность синхронизации импульса подсветки с исследуемым процессом с точностью ~10*8-10‘9 с.
4. Высокая яркость, превосходящая интенсивное собственное излучение исследуемых объектов.
5. Высокая временная и пространственная когерентность.
Перечисленным выше требованиям идеально удовлетворяют лазеры. В связи с
развитием лазерной техники, особенно благодаря разработке способов генерации ко-
л I л
ротких и ультракоротких импульсов (10' -10' " с), лазеры широко применяются при изучении быстропротекающих процессов [42-51]. Параллельность и высокая степень пространственной когерентности лазерного излучения обеспечили формирование изображений малых размеров, значительно упростили интсрферомстрические изме-
-16-
рсния, увеличив при этом их точность и информативность. Высокая монохроматичность сделала возможным интерференцию световых пучков с большой разностью хода, т.е. работу с высокими порядками интерференционной картины, свела к минимуму дисперсионные эффекты. Высокие поляризационные качества излучения обеспечили устойчивое управление как интенсивностью, так и временными характеристиками лазерных источников.
Требования к параметрам источника света, оптической системы и фотографическою материала для получения изображения заданного качества с почернением порядка единицы за время экспозиции т определяется условием [44] (предполагается, что коэффициент пропускания системы ~ 1)
BRLN2 >
6
1 *1 (1.1)
9к т X2’
где Б — яркость источника;
R коэффициент, определяющий нарушение принципа взаимозаместимости фотоматериала;
Е — чувствительность, определяемая как величина, обратная необходимому потоку энергии, падающему на 1 см2 поверхности фотослоя и обеспечивающему фотографическую плотность ~1;
N — разрешающая способность фотоматериала;
К — число линий на поверхности фотослоя, передающих каждый элемент информации;
л, — длина волны света.
Яркость точечного источника, образуемого в фокальной плоскости линзы, облучаемой параллельным пучком света импульсного рубинового лазера, можно оценить из выражения (приближение плоского диска равномерной яркости)
в'ткр' "-2>
где / — фокусное расстояние линзы; £> — диаметр пучка лазера; 5 — характерный размер (диаметр) кружка размытия в фокальной плоскости линзы (определяется расходимостью луча рубинового лазера и аберрациями линзы); Р — мощность лазера.
- 17-
Для /> = 3*107Нт (энергия излучения 0,3 Дж, длительность импульса 10 8 с), .0 = 1 см, / = 5см и 6 = 210"2см яркость такого источника составляет
- 3-1012Вт/(см2-стер). Для сравнения отметим, что яркость обычных источников света (искра в воздухе, сильноточные газовые разряды, взрывающиеся проволочки) не пре-
4 2 б
вышает 10 Вт/(см -стер) при длительности импульса ~2-10 с вблизи длины волны 5500 А [44].
Для типичного случая £ = 3 - Ю' см2/Дж. N = ЗООлин/см, Я = 1, К - 10 линий и
лазерного источника света (Я. = 6943 А) с яркостью > 109 Вт/(см2-стер) условие (1.1) удовлетворяется при длительности световых импульсов £ 10 11 с.
Таким образом, использование импульсных лазерных источников подсветки в оптических методах сверхскоростной регистрации быстропротекающих процессов позволяет получить временное разрешение до КГ12 с.
1.1. Формирование лазерных импульсов наносекундной длительности
Генерация коротких лазерных импульсов осуществляется обычно путем использования резонаторов с управляемой добротностью [52]. Применение элекгроои-тической модуляции добротности (ячейки Керра, Ноккельса) характеризуется возможностью управления моментом возникновения гигантского импульса (с нестабильностью <1(Г8с), что в значительной степени упрощает временную синхронизацию момента съемки с исследуемой стадией развития быстронротекающе-го процесса. На рис. 1.1. приведена схема оптического кван тового генератора (ОКГ) с управлением добротностью с помощью четвертьволновой ячейки Керра (5). Под действием электрического поля вещество становится анизотропным. Разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами определяется соотношением Аф = 2ъВ1яЕ2, где В —постоянная Керра; 1Я —длина ячейки; Е —напряженность электрического поля. Параметры ячейки выбираются такими, чтобы разность фаз составляла п при двукратном прохождении. Поскольку направление приложенного электрического ноля составляет угол 45° с главной плоскостью поляризатора (4), плоскость поляризации света поворачивается на угол 90°. Тогда «Затвор» будет от-
-18-
крыт при отсутствии поля и закрыт при его наложении. При включении ламп-вспышек лазера (2) одновременно подается напряжение на ячейку Керра, в результате чего из-за введения потерь генерация не развивается. Формирование гигантского импульса при достижении максимальной инверсной населенности начинается в момент выключения поля. Длительность этой фазы состоит из времени линейного развития генерации (время задержки) и времени нелинейного развития генерации, когда и происходит формирование основного светового импульса [52]. Время задержки
/ N
0,1
— ТІП
1 +
(1 + f)W^
где т = /, /(а/ - у), зависит от мощности накачки, уровня потерь, длины резонатора
и может составлять (0,5-2)-КГ7 с. Здесь /, — время одного прохода света в резонаторе; а и у — коэффициенты усиления и потерь за один проход; / — длина активного элемента; / — относительная инверсная заселенность; И7 — вероятность поглощения излучения накачки.
2 3
Л
-н к
10-30 нс
1 4 5 6
Рис. 1.1. Принципиальная схема ОКГ с управлением добротностью электрооптическим затвором. 1,6 — зеркала; 2 — лампы накачки; 3 — активный элемент; 4 — поляризационная призма; 5 — четвертьволновая ячейка Керра
Следует отметить возможную нестабильность временной задержки из-за неоднородного распределения инверсной заселенности по сечению активного элемента. Длительность фронта лазерного импульса /,/; - /, /а/ определяется в основном мощностью накачки и составляет обычно несколько наносекунд. После формирования гигантского импульса напряжение на ячейке Керра восстанавливается через время, достаточное для развития и генерации только одного импульса, в широком интервале
- 19-
длитсльностсй накачки (до КГ6 с). Особый интерес представляет режим последовательного включения добротности. В этом случае может быть получен ряд импульсов, следующих один за другим. Следует отмстить, что в лазерах с обычным переключением добротности при длительности импульса — 10-8 с в выходное излучение преобразуется менее 1% энергии возбужденных атомов. (Граничения но длительности импульса и КПД лазера определяются величиной накопленной внутри резонатора плотности мощности, которая не должна превышать порог разрушения материала активного элемента.
Наиболее простым способом сокращения длительности гигантского импульса является его «укорочение» после прохождения через им же самим создаваемую лазерную искру [53]. Такой прием позволил улучшить временное разрешение до величины ~108с при кадровом теневом фотографировании лазерной искры в воздухе [54]. Распространение света в среде с нелинейным усилением и поглощением также может быть использовано для сокращения длительности начального импульса в 2-5раз [55, 56]. При резонансном «просветлении» среды, когда длительность импульса значительно меньше времени релаксации возбужденного состояния, время нарастания выходного импульса определяется выражением 1ф - 2,5hvlGPax, где G —
сечение захвата фотона поглощающим центром, а Ра — плотность потока мощности входного импульса. Для металл-фталоцианинов в случае гигантских импульсов при Рех ~ 5 МВт/см2 время нарастания выходного импульса составляет около 5 10‘,0с. Если длительность импульса значительно больше времени жизни возбужденного состояния, наблюдается сокращение времени нарастания и спада импульса с одновременным уменьшением амплитуды. В работе [57] описано получение лазерного импульса длительностью -5 10 9 с с помощью двойного «обострения» (насыщающийся фильтр и искра в воздухе).
Формирование лазерных импульсов длительностью ~ 10 9-10 “с детально рассмотрено в [58]. Анализ различных схем показывает, что создание лазерных систем с короткой длительностью излучения, высокой стабильностью и возможностью достаточно жесткой синхронизации требует применения дополнительных электрооп-тических устройств с источниками быстронарастающих электрических импульсов. 11редставляет интерес развитие простых методов, не требующих электрического пи-
-20-
тания и свободных от генерации электромагнитных помех. Эффективным является сокращение длительности импульса в результате поглощения излучения в образовавшейся лазерной искре. Для оптического пробоя воздуха при фокусировке излучения гигантского импульса рубинового лазера линзой с фокусным расстоянием ~ 5 - 7 см требуется мощность ~ 30 МВт. Снижение порога оптического пробоя газа у поверхности конденсированных сред наблюдалось в [591. Мы независимо обнаружили это явление и оно лежит в основе низкопорогового обострителя лазерного излучения, предложенного в [60]. На рис. 1.2 показано устройство обострителя. Здесь же приведены осциллограммы начального лазерного импульса (а) и импульса излучения, прошедшего обостритель (б), зарегистрированные с помощью коаксиального фотоэлемента ФЭК-15 и скоростного осциллографа И2-7.
Рис. 1.2. Схема обострителя лазерного излучения с низким порогом срабатывания.
1 — рубиновый лазер; 2 — диафрагма; 3 — делительная пластина; 4 — фотоэлемент коаксиальный; 0| и 02 — линзы; а и б — осциллограммы начального и прошедшего обостритель лазерных импульсов соответственно
Импульс свела рубинового лазера (1) имеет длительность по основанию 50 не, энергия излучения составляет 0,4 Дж. Пучок света из лазера проходит через телескопическую систему (линзы Оі и 02). В фокальной плоскости линзы О] располагается диафрагма (2) из нержавеющей стали толщиной ~10_2см с диаметром отверстия <0,5 мм. Отверстие в диафрагме прожигается последовательными лазерными вспыш-
-21 -
ками в режиме свободной генерации при накачках, незначительно превышающих порог генерации. Диафрагма способствует образованию искры, «обрезающей» задний фронт лазерного импульса. С точки зрения тепловой модели се действие обусловлено испарением вещества с поверхности мишени, оптическим пробоем в парах и развитием в образовавшейся плазме газодинамических явлений с поглощением лазерного излучения [61]. Это приводит к сокращению импульса после его прохождения через создаваемую им же лазерную искру при мощностях, значительно меньших той, которая необходима для пробоя воздуха без диафрагмы. Длительность импульса на полу-высоте после обострителя составляет -10 не и уменьшается при уменьшении диаметра отверстия. Недостатком такого способа сокращения длительности импульса является некоторое увеличение отверстия и длительности импульса в последующих вспышках лазера. Для лучшей воспроизводимости формы и длительности импульса требуется смена диафрагмы после серии вспышек (несколько сотен). Предварительное обострение лазерного импульса при прохождении кюветы с красителем позволило сократить с помощью данного метода длительность лазерного импульса до 5-10'9с.
На рис. 1.3 представлена принципиальная схема установки для формирования лазерного импульса длительностью -(5-7)10“* с, которая применялась нами при исследовании предпробойных явлений в жидкостях [41, 58]. Управление добротностью рубинового лазера (ОКГ) осуществляется при помощи четвертьволновой ячейки Керра (ЯК). Характерное время линейного развития генерации составляет -10' с при разбросе (1,5 - 2) 10'8 с. Расходимость излучения лазера оценивалась но минимальному диаметру отверстия, прожигаемого с помощью линзы в тонкой металлической фольге. Она равна примерно 5-10~'>рад. Измерение спектра излучения производилось с помощью интерферометра Фабри-Псро. Ширина линии излучения (>, = 6943 А) не превышает 0,2 А. Энергия излучения измерялась калориметром ИКТ-1М. Гигантский импульс лазера длительностью около 3 • 10-8 с при прохождении кюветы с красителем (1) (раствор фталоцианина ванадия в нитробензоле) сокращается до (1,5- 2)* 10"3 с. Энергия излучения при этом уменьшается от 0,4 Дж до 0,02 Дж. С помощью оптического квантового усилителя (ОКУ) энергия увеличивается до 0,4 Дж. Далее пучок света проходит через обостритель (линзы Оь 02 и диафрагма (2) с диаметром отвер-