Часть III. Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки

нии Εср . Очевидно, что в этом случае пробой может произойти только при условии, когда Еср = Екр.

В том случае, когда работа выхода электронов такова, что заметный рост эмиссионного тока будет наблюдаться уже при напряженности поля Еср= 2 / 3Екр (кривая 2), то величина пробивной напряженно-

1.3.Пробой жидкостей неударным механизмом

Вшестидесятых и начале семидесятых годов были получены экспериментальные данные, которые вызывают сомнение в том, что пробой даже жидкостей высокой степени очистки обусловлен механизмом ударной ионизации электронами. К числу таких экспериментальных факторов следует отнести, прежде всего, повышение пробивного напряжения при увеличении внешнего давления, наблюдаемое в ряде случаев, и установление наличия в межэлектродном пространстве при формировании разряда оптических неоднородностей, которые квалифицируются как газовые пузыри.

Эти результаты были истолкованы в том смысле, что не ударная ионизация электронами, а другие процессы ответственны за пробой жидкости. Указанные ранее явления электрического упрочнения и возрастания тока с увеличением межэлектродного расстояния d были объяснены недостатками методики эксперимента.

Уэлектродов со сферической поверхностью, которые использовались в экспериментах, с увеличением межэлектродного расстояния происходит выравнивание распределения поля по поверхности, т.е. большая часть поверхности электродов становится эффективной в от-

210

Часть III. Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки

ношении токопрохождения и пробоя. При этом все большая часть поверхности катода эмитирует, и этим объясняется увеличение тока в жидкости с увеличением d. С возрастанием эффективной поверхности катода увеличивается число слабых мест между электродами, по которым может происходить пробой, и этим объясняется уменьшение Εпр с

возрастанием d.

Ряд исследователей обратились к факту образования газовых пузырей на электродах. В том случае, когда газовый пузырь образуется на катоде, дается следующее объяснение развитию разряда. Начало процесса связывается с эмиссией электронов с микроострий, расположенных на катоде. Эмитированные электроны вызывают разогрев прилегающего к микроострию небольшого объема жидкости. За счет возникающего конвективного движения за некоторое время τ этот объем жидкости может отойти от микроострия и замениться новым. В таком случае газовый пузырь не возникнет. Однако, если за время τ объем жидкости перегреется настолько, что возникнет газовый пузырь, то в электрическом поле он ионизируется и начинает вытягиваться ко второму электроду. При достижении пузырем анода происходит пробой по газовому мостику. За условие пробоя принимается условие образования газового пузыря, которое записывается следующим образом:

ΑΕ nτ = Const , где Ι ~ E n – ток эмиссии с микроострия, ограниченный пространственным зарядом, A – некоторая константа, характеризующая материал катода, форму микроострия и природу жидкости. Если длительность импульса t >τ , то Εпр не должна зависеть от t. При t <τ

электрическая прочность должна возрастать с уменьшением t. Такая зависимость Епр = f (t) качественно согласуется с экспериментальны-

ми данными. В.Я. Ушакову [6], используя высоковольтные импульсы с наносекундным фронтом и электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с хорошим временным разрешением, удалось наблюдать возникновение газовых пузырей и развитие разряда в n-гексане и дистиллированной воде. Соответствующие эопограммы представлены на рис. 1.7.

В случае электродов острие–плоскость появляется пузырь и зажигается разряд около электрода-острия. Когда острие является катодом, разогрев жидкости и возникновение пузыря связываются с протеканием электронного тока эмиссии с острия. В случае острия-анода принимается, что за счет сильного электрического поля происходит вырывание электронов из молекул жидкости (автоионизация), и эти электроны, ускоряясь по направлению к острию, разогревают прилегающую жидкость и вызывают образование пузыря. Напряжение зажигания при отрицательной полярности острия выше, что объясняется прилипанием

211

Часть III. Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки

электронов к газовым молекулам и экранированием электрода-острия объемным зарядом отрицательных ионов.

В случае однородного поля возникновение газового пузыря и зажигание разряда всегда происходило на аноде. Опять-таки принимается, что жидкости в этих опытах специально не дегазировались.

Объемный заряд отрицательных ионов экранирует катод и снижает эмиссию с катода, и поэтому на катоде газовый пузырь не возникает. В возникновении газового пузыря на аноде существенная роль отводится микроостриям. На вершине микроострия в зависимости от его геометрии напряженность поля может в 10÷104 раз превосходить сред-

нюю Εср = Ud . Принимается усиление поля в 100 раз, хотя геометрия

микроострия не исследовалась. Средняя напряженность поля составляла 108 В/м, тогда поле на вершине микроострия составляет 1010 В/м и достаточно для автоионизации молекул жидкости. Возникшие электроны, двигаясь к микроострию, вызывают возникновение газового пузыря и зажигание разряда в нем.

Рис. 1.7. Последовательные стадии развития разряда в n-гексане в однородном (В) и неоднородном (А, Б) полях.

A – d = 0.15 см, U = 180 кВ, интервал между кадрами t =10 нс;

После прерывания разряда были замечены нарушения полированной поверхности электродов. Оказалось также, что электрическая прочность жидкости зависит от материала анода и не зависит от мате-

212

Часть III. Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки

риала катода. Соответствующие данные для n-гексана приведены в табл. 1.3.

На основании этих данных делается заключение, что микроострия на аноде разрушаются, и пары металла поступают в газовый пузырь. Потенциал ионизации паров металлов ниже, чем газовых молекул. Поэтому чем больше паров металла поступает в газовый пузырь, тем легче зажигается разряд. Так объясняется влияние материала анода на пробой жидкости.

Приведенные данные позволяют сделать предположительное заключение. В жидкостях, в которых содержится мало растворенных газов и вообще электронных ловушек, газовый пузырь и зажигание разряда должны возникать на катоде вследствие протекания эмиссионного тока. В жидкостях с большим содержанием электронных ловушек газовый пузырь и зажигание разряда должны возникать на аноде. Постановка соответствующих систематических опытов могла бы показать правильность этого предположения.

213