РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Глава первая
ПРЕДРАЗРЯДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
1-1. Влияние частоты на разрядные напряжения воздушных промежутков
Измерения разрядных напряжений воздушных промежутков с однородным и неоднородным электрическими полями при частотах, отличающихся от промышленной, показывают, что имеется ряд диапазонов частот, в которых зависимость разрядного напряжения от частоты имеет различный характер и определяется различными физическими процессами (рис. 1-1). Дадим ее краткую характеристику. Подробно она рассмотрена в гл. 2.
Рис. 1-1. Характер зависимости разрядного напряжения от частоты
При изменении частоты от нуля до первой критической разрядные напряжения практически не зависят от частоты. Начиная с частоты fкр1, разрядные напряжения с ростом частоты снижаются за счет процессов, связанных с усилением электрического поля в части зоны ионизации объемным положительным зарядом. Этот заряд создается положительными ионами, которые образуются на стадии перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный.
Первоначально разрядное напряжение монотонно уменьшается с ростом частоты, но начиная с некоторого значения частоты дальнейшее ее увеличение не приводит к снижению разрядного напряжения. Эго связано с тем, что объемный заряд в зоне ионизации промежутка перестает возрастать вследствие наступающего равновесия между скоростью образования и убыли положительных ионов.
При второй критической частоте fкр2 разрядное напряжение вновь начинает снижаться. При частотах выше часть электронов, возникающих в промежутке в результате ионизации газа в данный полупериод изменения напряжения на успевает его покинуть к моменту прекращения ионизации. Они прилипают к молекулам электроотрицательных газов, входящих в состав воздуха, образуя отрицательные ионы. В следующий полупериод изменения напряжения возможен развал этих ионов. Образующиеся при этом свободные электроны могут стать инициаторами новых электронных лавин. В результате разряд становится самостоятельным при меньших напряжениях, чем в диапазоне частот f<fкр3. Стабилизация разрядного напряжения наступает при такой частоте f>fкр2, при которой возникает баланс между образованием и развалом отрицательных ионов в промежутке.
Наконец, при очень больших частотах, превышающих третью критическую, f>fкр3 возможно возрастание разрядного напряжения, которое может даже превысить разрядное напряжение при промышленной частоте. При таких частотах длительность полупериода настолько мала, что некоторые электроны за это время не успевают осуществить ни одного акта ионизации. Чтобы ионизация все же началась, необходимо увеличить приложенное напряжение для того, чтобы увеличить скорость и энергию электронов.
В данной работе диапазон частот выше fкр3 не рассматривается.
Как следует из сказанного, существенное влияние на возникновение разряда в воздушном промежутке при высоких частотах оказывают положительные и отрицательные объемные заряды, образующиеся на стадии перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный. Результаты исследований этих зарядов представлены в настоящей главе.
1-2. Исследования объемных зарядов
Фейтчандом [10] предложен метод индикации положительного объемного заряда, накапливающегося в разрядном промежутке перед пробоем, когда к электродам промежутка приложено напряжение высокой частоты. Схема опыта, поясняющая идею метода Фейтчанда, показана на рис. 1-2.
Рис. 1-2. Метод продувания воздуха через разрядный промежуток для измерения ионного тока: РП — радиоактивный препарат; Э — электрометр
К электродам разрядного промежутка с плоско-параллельными электродами прикладывается напряжение высокой частоты, значение которого близко к напряжению пробоя. Стрелкой показано направление воздушного потока, ионизированного радиоактивным препаратом (РП). Струя воздуха направляется поперек разрядного промежутка и захватывает с собой ионы, образованные при развитии лавин электронов, если амплитуда их колебаний в электрическом поле высокой частоты меньше половины расстояния между электродами. Далее поток воздуха попадает на коллектор ионов, присоединенный к чувствительному электрометру (Э), который измеряет ток положительных ионов. На рис. 1-3 показаны результаты экспериментов для частот f1<f2<f3. По оси ординат отложен ток положительных ионов на коллектор, по оси абсцисс — значение приложенного высокочастотного напряжения.
Ряс. 1-3. Предпробойные ионные токи для промежутка 0,05 см в воздухе. Воздушное дутье 10 литров в минуту. Вертикальная стрелка указывает амплитудное значение пробивного напряжения на частоте 50 Гц
Качественное объяснение результатов эксперимента состоит в следующем. При небольшом напряжении высокой частоты ток на коллектор определяется ионами, созданными в воздухе вокруг РП. Внутри разрядного промежутка ионы не образуются, так как при малых напряжениях электронные лавины не возникают. Когда напряжение становится близким к пробивному, происходит интенсивная ионизация воздуха лавинами и количество выдуваемых из промежутка положительных ионов резко возрастает. Необходимо отметить, что по кривым рис. 1-3 трудно количественно оценить заряд, образующийся внутри разрядного промежутка. Это объясняется тем, что в качестве источника начальной ионизации был применен РП с относительно большой интенсивностью в 2 мкКюри. Этот источник создавал в большом количестве положительные ионы, которые регистрировались одновременно с ионами, образованными внутри промежутка лавинами. Таким образом, даже при отсутствии напряжения на электродах ток положительных ионов на коллектор был около 10-10 А. Ток ионов, образуемый внутри промежутка, должен быть такого же порядка, чтобы его можно было зарегистрировать. Между тем современные способы измерения позволяют регистрировать токи в 10 тысяч раз меньше.
В работах Жукова А.Л. (11) был усовершенствован метод, предложенный Фейтчандом. В качестве источника начальной ионизации использовалось ультрафиолетовое освещение поверхности электрода от ртутно-кварцевой лампы. Эго исключило фоновый ток положительных ионов, который неизбежно появляется, если применен РП, и позволило применить для регистрации ионов более чувствительный электрометр, позволяющий измерять токи до 10-14+10-15 А. Кроме того, подавая на цилиндр коллектора напряжения разного знака, можно измерять отдельно ток положительных и отрицательных ионов на коллектор.
