Дослідження імпульсного наносекундного розряду з алюмінієвими електродами у воді

При коронному розряді у воді яскраво виражений ефект полярності. Долідерний час до утворення лідерів для негативної голки й позитивної площини трохи менше, ніж у випадку позитивної голки, якщо Е ≤ 85 кВ/см. При більших Е~350 кВ/см ситуація зворотна. У цьому випадку час утворення лідера становить для позитивного вістря не більше 0,5 мкс, а для негативного - 1-2 мкс. Залежно від полярності вістря по-різному відбувається розвиток лідерів у системі голка-площина [1].

При негативній полярності напруги спостерігається більш густа мережа лідерних каналів, які поширюються у воді зі швидкістю не вище звукової (1,5 мм/мкс). При позитивній полярності ця швидкість істотно вища (при напрузі ~ 100 кВ ця швидкість становить ~ 20 мм/мкс). 

Таким чином, найбільш сприятливі умови для виникнення лідерів існують при позитивно зарядженій голці. Чим вища напруженість поля у голки, тим більше число лідерів, що зароджуються. У лідерних каналах можлива поява так званих електронів, що втікають, які і приводять до гальмівного рентгенівського випромінювання.

Таким чином, імпульсний коронний розряд у воді приводить до підвищення температури в лідерних каналах, утворенню слабкої ударної хвилі, утворенняю ультрафіолетового й рентгенівського випромінювання. При оптимально підібраних параметрах імпульсів високої напруги й електродної системи коронний розряд у воді може бути використаний для кондиціонування питної води та знезараження стічних вод.

Іскровий розряд у воді виникає при перетині проміжку між електродами лідерами та розряді конденсатора-накопичувача енергії на канал розряду. Температура в каналі розряду довжиною від сантиметра до десятків сантиметрів може досягати (3- 4)х104 К, тиск - (2-3)х 104 атм. У середовищі виникає ударна хвиля й потоки рідини. Порожнина каналу розширюється, тому тиск у ній стає меншим гідростатичного й починається її схлопування. При схлопуванні підвищуються тиск і температура, знову виникає випромінювання із порожнини, яка схлопується, розширення й т.д. 

Таким чином, виникають кавітаційні згасаючі коливання газової порожнини, створеної каналом імпульсного розряду у воді. Період пульсацій і величина максимального радіусу газової порожнини визначаються енергією, що виділилася в каналі [1].

Максимальні розміри порожнини можуть досягати десятків сантиметрів при енергії накопичувача порядку 104 Дж, період коливань порожнини - мілісекунди. Іскровий розряд у технічній воді досить добре вивчений у зв'язку з його технологічними застосуваннями для дроблення тендітних матеріалів, штампування, очищення лиття, эхолокації водойм тощо і описаний у багатьох літературних джерелах [2]. При іскровому розряді можна розрахунковим шляхом визначити як втрати енергії за годину пробою, так і параметри розрядного проміжку, при якому буде мати місце максимальна потужність, що розвиває в каналі розряду. 

Відстань між електродами, при якому в каналі розряду розвивається найбільша потужність:

  (1)

де L  - індуктивність розрядного контуру.

Іскровий розряд у воді може бути реалізований і як безелектродний. Для цього розрядна камера розділяється діелектричною перегородкою з одним або декількома отворами, у яких і виникає розряд. При цьому ерозія металевих електродів не проявляється і тим самим усувається забруднення води, що обробляються продуктами електричної ерозії електродів.

Проведені експерименти із знезараження води, забрудненої бактеріями E-coli, показують гарні результати при іскрових розрядах як між електродами, так і при діафрагмових розрядах.

Сполучення іскрового розряду з імпульсним розрядом короткої тривалості в момент досягнення порожнини максимальних розмірів може викликати появу потужного імпульсу рентгенівського випромінювання, викликаного електронами, що втікають. Однак цей феномен вимагає додаткового вивчення.

 

Експериментальна установка містила в собі розрядну камеру, генератор імпульсних напруг і надшвидкісну многокадрову лазерну шлірен-систему. Розрядний проміжок утворений з голки і напівсферичного електродами з нержавіючої сталі. Радіус заокруглення вершини голки ~ 50 – 100 мкм, а напівсферичного електрода ~ 5 мм. Відстань між електродами ~ 1 – 2 мм. На електроди подавався імпульс напруги з амплітудою до 40 кВ. Тривалість фронту ~ 10 нс, тривалість розрядних процесів становила ~ 100 – 800 нс ( залежно від амплітуди імпульсу). Шлірен-система дозволяла одержувати до шести кадрів з регульованим часовим інтервалом між ними в межах ~ 5 – 50 нс. У якості джерела підсвічування використовувався рубіновий лазер із тривалістю імпульсу ~ 5 нс. Дистильована вода мала питомий опір ρ ~ 105 Ом•см.

 При тривалості впливу напруги, рівної або більшої за 500 нс, через якийсь час після збільшення напруги на розрядному проміжку (залежно від його величини) поблизу електрода голки (у контакті з ним або безпосередньо в рідині) виникають первинні канали зі слабким градієнтом щільності. Розвиток розрядних каналів супроводжується фазовим переходом, виникненням мікропухирців і їх гідродинамічним розширенням. Поперечний розмір каналів збільшується до ~ 10 – 20 мкм, градієнт щільності стає значним, і канали добре видно на шлірен-фотографіях. Інтенсивно ці процеси протікають поблизу поверхні електрода, що приводить до появи на границі електрода з рідиною конусоподібних оптичних неоднорідностей розміром ~ 20 –40