Химия высоких энергий, 2019, T. 53, № 6, стр. 428-431

ВВЕДЕНИЕ

Искровой разряд представляет собой детально изученный и широко применяемый тип газового разряда [1]. Для его осуществления высоковольтный импульс малой длительности прикладывают к электродам, между которыми находится газ. Чаще всего электродами служат твердотельные металлические катод и анод [2–5]. Часто один или оба электрода в искровых разрядах представляют собой поверхности проводящих жидкостей [6–8].

Для некоторых исследований требуется генерировать искровые разряды на электродах, прозрачных для света видимого диапазона. Такая задача может возникать, например, для удобства визуализации процессов взаимодействия плазмы с электродом.

Металлические электроды непрозрачны, а их форма задается при изготовлении и постоянна при разрядах. Жидкие электроды, например, в виде водного раствора NaCl, наоборот, могут быть прозрачны, но они текучи вод действием силы тяжести и не сохраняют форму так, как металлические электроды.

Известны, например, твердотельные прозрачные электроды, сквозь которые наблюдают за движением плазмы по электроду [9–11]. Такие электроды изготавливаются из стекла с помощью напыления на него тонких проводящих слоев (например, indium-tin-oxide) или из полупроводниковых материалов (например, GaAs : Cr). Однако, для генерации энергоемких сильноточных искровых разрядов наносекундной длительности такие электроды неприменимы, поскольку тонкие проводящие слои быстро разрушаются.

В газоразрядной технике известны также пористые керамические электроды, пропитываемые электролитами [12, 13]. Они хорошо держат свою форму, но абсолютно непрозрачны.

Обозначим две возможные стратегии поиска прозрачных электродов нового типа. Известно, что металлы непрозрачны для света потому, что плазменная частота носителей тока в металлах на порядки превышает частоту электромагнитной волны видимого света. Для обеспечения прозрачности следует понизить плазменную частоту для носителей тока в материалах электродов. Это можно сделать двумя путями:

уменьшая концентрацию носителей и, следовательно, увеличивая удельное сопротивление (как это обеспечивается в полупроводниках с электронами и дырками в качестве носителей тока);

увеличивая массу носителей (как это обеспечивается в водных растворах солей с тяжелыми ионами в качестве носителей тока).

В данной работе представлены результаты экспериментов, в которых продемонстрированы импульсно-периодические искровые разряды между электродами, изготовленными из гидрогелей, насыщенных водными солевыми растворами Na-Cl и CuSO₄. Эти эксперименты являются обоснованием нового класса электродов – гидрогелевых электродов, которые надолго сохраняют свою форму, имеют ионную проводимость и остаются прозрачными в процессе длительной работы при генерации сильноточных разрядов.

Отметим, что ранее гели использовались в исследованиях разрядов в качестве плазмообразующих изоляторов [14, 15]. Однако исследований электрических разрядов с гелевым электродами прежде не проводились.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

Для материала электродов был выбран полиакриламид (polyacrylamide) в виде сферических гранул. В сухом состоянии гранулы имеют диаметр ~2.5 мм и массу ~20 мг. Для наполнения гранул готовились водные растворы NaCl и CuSO₄ в различных весовых пропорциях. Гранулы помещались в растворы на сутки при комнатной температуре. Установлено, что гранулы, насыщенные этими растворами, увеличивались в диаметре и по массе. Фотоизображения сухих гранул, гранул, насыщенных дистиллированной водой, а также насыщенных различными по концентрации солей растворами, представлены на рис. 1а, б. Оказалось, что полученные таким образом образцы достаточно прозрачны и имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления воды.

Рис. 1.

Фото насыщенных гранул: (а) – для растворов NaCl; (б) – для растоворов CuSO₄; везде 1 – сухая гранула, 2 – гранула, насыщенная дистиллированной водой, 3 – гранула, насыщенная раствором с весовой долей соли 2 : 100, 4 – с долей 4 : 100, 5 – с долей 6 : 100, 6 – с долей 8 : 100, 7 – с долей 10 : 100.

Было найдено, что чем больше концентрация соли в растворе, тем меньше размер насыщенной гранулы и тем меньше ее масса. Гранулы, насыщенные раствором NaCl, эластичны, после кратковременной механической деформации они возвращаются в исходную форму. Гранулы, насыщенные раствором CuSO₄, оказались твердыми и хрупкими. Выяснилось, что внутри них соль CuSO₄ закристаллизована. Гранулы, насыщенные раствором CuSO₄, остаются упругими и прозрачными при существенно меньшей концентрации раствора. Поэтому в дальнейшем были использованы гранулы, насыщенные раствором CuSO₄ с массовой долей соли 0.2 : 100.

В насыщенные гранулы вводились игольчатые стальные токовводы на глубину несколько мм. Расстояние между гранулами устанавливалось в диапазоне 2−5 мм.

К токовводам подключался генератор периодической последовательности наносекундных высоковольтных импульсов. На рис. 2 показана осциллограмма последовательности импульсов зарядки и разряда генератора, идущих с частотой ~250 Гц. На рис. 3а, б показаны синхронизированные осциллограммы тока и напряжения с амплитудами ~400 А и ~5 кВ соответственно, для одного импульса из этой последовательности.

Рис. 2.

Фрагмент осциллограммы последовательности зарядки и разряда генератора высоковольтных импульсов.

Рис. 3.

Синхронизированные осциллограммы тока и напряжения одного из импульсов последовательности.

Наблюдения искровых разрядов велось с помощью ручного цифрового микроскопа “Celestron” (Model 44302-A), позволяющего записывать видео с частотой 20 кадров/с. В итоге, мы получали отдельные кадры видеозаписи, на которые накладывались изображения 12 искровых разрядов.

Рис. 4.

Изображения сверху искровых разрядов между гидрогелевыми электродами: (а) – электроды, насыщенные NaCl; (б) – электроды, насыщенные Cu-SO₄ (везде катод – слева, анод – справа).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ИСКРОВЫХ РАЗРЯДОВ

В результате экспериментов получено, что между гидрогелевыми гранулами устойчиво возникают искровые разряды. Положение разрядов слегка изменяется от импульса к импульсу. Электроды остаются при этом прозрачными. Светящиеся токовые каналы внутри электродов не образуются. Изображения искровых разрядов, возникающих между гидрогелевыми электродами, представлены на рис. 4а, б и рис. 5.

Рис. 5.

Изображение сбоку искровых разрядов между гидрогелевыми электродами, насыщенными NaCl (катод – слева, анод – справа).

После 3 мин непрерывной работы генератора были исследованы участки поверхностей гидрогелевых электродов. Были обнаружены следы образования кратеров, типичные для металлических электродов. Фотографии микрократеров представлены на рис. 6а, б. Эти фотографии свидетельствуют о том, что работа гидрогелевых электродов во многом аналогична работе металлических электродов. И при этом гидрогелевые электроды остаются прозрачными для видимого света и сохраняют форму, как твердые тела.

Рис. 6.

Изображения кратеров на поверхности электродов с NaCl, образовавшихся после 3 мин непрерывной работы: (а) – катод, (б) – анод.

ВЫВОДЫ

Таким образом, впервые продемонстрировано применение прозрачных для видимого света гидрогелевых электродов для генерации искровых разрядов. Представленные результаты позволяют заключить о возможностях и перспективности нового класса материалов, применимых для электродов сильноточных разрядов.