Дослідження імпульсного наносекундного розряду з алюмінієвими електродами у воді

Можливо, що картина трохи ускладнюється генерацією ударних хвиль у результаті інтенсивного поглинання енергії в розрядних каналах. Наступні кадри на рис. 1.1 показують виникнення й поширення більш швидкої стадії електричного розряду. Її зародження відбувається на фронті початкового збурювання, відповідного до границі первинних каналів ( 3-й кадр). Швидкість розвитку розрядних каналів значно збільшується. Спостерігаються численні їхні розгалуження, електричний розряд має форму куща і сильно розсіює зовнішнє світло (темна область на фотографіях). Швидкість поширення інтенсивного розряду за даними кадрів 3 – 6 становить ~ (4 – 3)•106 см/с і трохи зменшується в міру просування в глиб проміжку. На границі темної області в рідині розвиваються нові іонізаційні канали, яким відповідає слабка зміна показника заломлення. Поблизу електрода голки відбувається руйнування розрядних каналів. Подібна картина електричного розряду спостерігалася раніше в одноріднім полі при напругах ≤ 1 МВ/см. 

 

Рис. 1.1. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 2 мм; час запізнювання пробою 750 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між першим і другим кадрами 25 нс, між іншими – 10 нс [3].

 

Передбачається, що стадія інтенсивного розряду протікає за рахунок розвитку іонізаційних процесів у самій рідині в результаті локального посилення електричного поля. Оскільки вона виникає тільки після фазових перетворень у первинних каналах, то в цілому процес розвитку електричного розряду є складним і містить у собі елементи й “бульбашкового”, і “іонізаційного” механізмів пробою.

При збільшенні напруги на проміжку картина розвитку електричного розряду зберігається. Зменшується в кілька раз (~ 1,4 – 2) розмір початкового збурювання, і більш щільною стає структура інтенсивного розряду. У якості ілюстрації на рис. 1.2 наведені типові шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода при напрузі на проміжку 32 кВ (поле поблизу електрода голки ~ 1,9 МВ/см). Видно, що за характерний час ≤ 100 нс вдається простежити за зародженням і розвитком електричного розряду в проміжку. Висока швидкість реєстрації шлірен-системи ( до 100 млн кадр/с) дозволила спостерігати й перехід до більш швидкої стадії електричного розряду, і її розвиток.

Однак виявилося, що при тривалості впливу напруги ~ 50 – 200 нс одночасно з описаним механізмом пробою існує й конкурує інший механізм. Легко побачити  різницю в їхньому характері, порівнюючи рис. 1.2 і 1.3. Останній відповідає напрузі на проміжку 30 кВ (поле поблизу електрода голки ~ 1,8 МВ/см). Видно, що стадії інтенсивного розряду (рис. 1.3, кадр 2) не передує виникнення яких-небудь збурювань поблизу поверхні голки (рис. 1.3, кадр 1). Електричний розряд розвивається відразу з великою швидкістю, яка спочатку становить ≥ 5•106 см/с, а потім зменьшується до ~ 3•106 см/с. На початку сильного збурювання (темна область) на кадрі № 3 видно безліч тонких каналів, що слабко розсіюють світло, деякі з яких досягли катода. Саме відмінність у швидкості дозволяє визначити часове запізнювання між двома процесами: розвитком розрядних каналів і утворенням темної області, що складається з мікропухирців через які не проникає зовнішнє світло. Третій кадр рис. 1.3 отриманий приблизно за 2 – 4 нс до пробою проміжка. Поширення іонізації з великою швидкістю ~ (0,8 – 2)•107 см/с завершує початкову стадію формування електричного розряду. Аналіз результатів указує на те, що цей механізм пробою пов'язаний з розвитком іонізаційних процесів у самій рідині. Протягом поширення електричного розряду в проміжку іонізаційні процеси розвиваються також і в мікропухирцях, що утворюються, але вони не є первинними й основними. 

 

Рис. 1.2. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 1 мм; час запізнювання пробою 90 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між першим і другим кадрами 25 нс, між іншими – 10 нс [3].

 

Рис. 1.3. Надшвидкісні лазерні шлірен-фотографії електричного розряду в дистильованій воді з анода. Відстань між електродами 1 мм; час запізнювання пробою 110 нс; тривалість експозиції кадра ~ 5 нс. Часовий інтервал між кадрами 10 нс [3].

 

При подальшім збільшенні напруги на проміжку, коли характерні тривалості його впливу становлять ≤ 50 нс, другий механізм пробою з анода (рис. 1.3) стає переважаючим.

Отримані результати показують різноманіття й складність явищ, що протікають при формуванні електричного розряду у воді з анода в наносекундном діапазоні. Вони дозволяють якісно зрозуміти встановлені раніше закономірності й виявити причину виникнувших протиріч. Незначні зміни щільності рідини, пов'язані з розвитком тонких розрядних каналів, що навряд можуть бути виявлені за допомогою електронно-оптичних перетворювачів через викривлення зображення при наносекундних експозиціях. 

 

Результати досліджень останніх десятиліть в області медицини вказують на те, що різкий ріст