（高电压与绝缘技术专业论文）水下等离子体声源电特性的基础性研究.pdf

摘要 摘要 水下等离子体声源是水中脉冲放电技术在水下声学和地震勘探技术方面的 个重要应用，又称为电火花震源。对于水下等离子体声源，无论从应用层面上， 还是在理论机理层面上，都需要研究者们更进步地深入研究。一方瑚，我们需 要解决现有水下等离子体声源的不足和工作缺陷。另一方面，我们需要对水中脉 冲放电起始过程的机理有一个更为清晰的认识，用以指导声源的开发。 本文首先设计了水下等离子体声源的实验系统，并通过t e k t r o n i x 数字示波 器和桌面计算机搭建了实验数据采集处理平台。该平台的软件部分界面发好、扩 展灵活，和硬件的协调性好。随后，进行了水卜_ 等离子体声源的电学特性研究。 j 研究中给如了电弧放电方式下的声源工作回路的数值仿真模型，并得到了放电时 等离子体通道电阻在时域上的变化趋势。实验中考察了在不同参数条件下的水中 脉冲放电的两种放电方式电弧放电和电晕放电方式。通过对比和总结，作者 认为咆晕放f 包方式很可能将是新型水下等离子体声源的工作原理。接下来本文 对水中脉冲放电的预击穿过程机理进行了初步的理论研究。基于水介质的特殊的 物理化学性质和微观动态，本文探索和分析了预击穿过程的阳极流注理论和阴极 流滓理论。 关键词水一f 等离f 体声源，实验数据采集处理平台，网路数 l i 仿真，水中脉 冲放电预击穿过程，阳极流注，阴极流注 水下等离了休声源电特性的批础性研究 a b s t r a c t u n d e r w a t e rp l a s m as o u n ds o u r c e ，n a m e l yu n d e r w a t e rs p a r k e r ，i sa s i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o no fp u l s e dd i s c h a r g ei nw a t e r , w h i c hh a sb e e ne m p l o y e d f o ru n d e r w a t e ra c o u s t i c sa n ds e ao i l p r o s p e c t i n g a sf o r t h eu n d e r w a t e r p l a s m as o u n ds o u r c e ，i ti sn e c e s s a r y t od e e p e nt h er e s e a r c hw o r k n o to n l yi n t h el e v e lo fa p p l i c a u o n b u ta l s oi nt h el e v e lo fm e c h a n i s m f o ro n e t h i n g ，w e n e e dt o g e tr i d o ft h ed e f i c i e n c yo fu n d e r w a t e rp l a s m as o u n ds o u r c e f o r a n o t h e r t h i n g ，w es h o u l dm a k e t h em e c h a n i s mo fi n i t i a t i o no fp u l s e dd i s c h a r g e c l e a r e rt og u i d et h ed e v e l o p m e n to fp l a s m as o u n ds o u r c e i nt h i st h e s i s as e to fe x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，f i r s to fa 1 1 t h e nad i g i t a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gp l a t f o r mo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a w h i c hc o n s i s t so ft h et e k 仃o n i xo s c i l l o s c o p ea n dd e s k t o pc o m p u t e r , h a sb e e n d e v e l o p e d t h e s o f t w a r eo ft h e p l a t f i ：i r m h a saf r i e n d l yi n t e r f a c e ，ag o o d e x p a n d a b i l i t y a n dan i c ec o o r d i n a t i o nw i t ht h eh a r d w a r e t h e n ，t h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e rp l a s m as o u n ds o u r c eh a sb e e nr e s e a r c h e d i n t h i ss e c t i o n an u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep l a s m as o u n ds o u r c e sd i s c h a r g e l o o ph a sb e e ng i v e n ，c o n s e q u e n t l y ，t h et r e n do ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e c h a n n e lr e s i s t a n c ea n dt i m eh a sb e e ng i v e n i nt h ee x p e r i m e n t ，t w ot y p e so f u n d e r w a t e rp u l s e dd i s c h a r g e - a r cd i s c h a r g ea n dc o r o n ad i s c h a r g e ，h a v eb e e n p e r f o r m e d u n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n tp a r a m e t e r s t h ev o l t a g ea n dc u r r e n t d a t ai nt h ee x p e n m e n th a v eb e e nc o l l e c t e da n da n a t y z e db yc o m p a r i s o na n d s u m m a r y w et h i n k t h ep u l s e dc o r o n ad i s c h a r g ec a np r o v i d ea n e wd e s i g n t h o u g h t f o rt h eu n d e r w a t e rp l a s m as o u n ds o u r c e ，n e x t t h em e c h a n i s m o ft h e u n d e r w a t e rp u l s e de l e c t r i c a lp r e b r e a k d o w nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d b a s e do n t h es p e c i a l p h y s i c a l a n dc h e m i s t 列 p r o p e r t i e so fw a t e ra n d m i c r o c o s m i c d y n a m i c s ，aa n o d e s t r e a m e rt h e o r ya n dac a t h o d es t r e a m e rt h e o r yh a v eb e e n e x p l o r e da n da n a l y z e d 1 i a b s t r a c t k e yw o r d s ： u n d e r w a t e r p l a s m a s o u n d s o u r c e ，d i g i t a la c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gp l a t f o r m o f e x p e r i m e n t a ld a t a n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f l o o p u n d e r w a t e r p u l s e d e l e c t r i c a l p r e b r e a k d o w n ，a n o d es t r e a m e r , c a t h o d e s t r e a m e r i 绪论 11 水下等离子体声源概论 第一章绪论 水卜i 等离子体声源( u n d e r w a t e rp l a s m as o u n ds o u r c e ) 是水中等离子体放 电( p l a s m a l ) i s c h a r g ei n w a t e r ) 或水中脉冲放电( p u l s e dd i s c h a r g e si n w a t e r ) 技术在水下声学和地震勘探技术方面的个重要应用，又称为电火花震源 ( s p a r k e r ) 。 在水下等离子体声源投入海洋资源的勘探之前，炸药震源( e x p l o d e r ) 被广 泛采用( c o l e ，1 9 4 8 ；r i c h a r da n dp i e u c h o t 。1 9 5 6 ：g o a f r e ye ta 1 ，1 9 6 8 ) ”i ，但炸药震源的缺点是显而易见的：首先，其存在定的破坏性，总是对海洋 牛态系统存在负面影响，如化学污染和对海洋牛物的直接杀伤；其次，炸药的运 输存放安全要求苛刻。维护成本高，容易发生事故；另外，炸药的安放在实施上 并不总是简单易行。由于上述明显的缺陷，海洋地震勘探迫切需要新的水下声源 来代替炸药震源。在6 0 末至7 0 年代( e d e l m a n n ，1 9 6 8 ；c a s s a n da n dl a v e r g n e ， 1 9 7 0 ；b i d g o o d ，1 9 7 4 ) 【1 】，水下等离子体声源开始被用于海洋的高分辨率地震 勘探中【1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 。其后，在海洋高分辨率地震勘探中，又产生了许多其他形式的声 源，包括压电式声源( p i e z o e l e c t r i cs o u n ds o u r c e ) 1 1 ( 如声纳) 。加速水体 式声源( a c c e l e r a t i n gw a t e rm a s ss o u n ds o u r c e ) 1 1 1 ( 如b o o m e r 、袖枪) ，内 爆式声源( i m p l o s i v es o u n ds o u r c e ) 1 1 1 ( 如水枪) 1 1 等。 上述这些各式各样的声源所利用的原理各不相同，其各自也有不同的优缺 点，在表卜1 归纳总结了各类型声源的优点和不足。海底地震剖面成像实际上对 声源提出了一个“两难”的要求，高分辨率要求声源信号具有高频、宽带的特点， 但同时深层穿透性又要求声源信号有强增益的低频波段川f 2 j 。这使得很难有某个 单一的声源可以覆盖针对所有情况的应用。 所以在现实中，除了炸药震源外，直到现在以上各声源都在不同的程度上被 使用着。声纳类的压电式声源主要用于海底表层地形的勘探扫描和物体探测。加 速水体式声源和内爆式声源在现在的海底油层勘探巾使用较多，其中内爆式声源 水下等离了体声源电特性的基础；性研究 的因高能量输出和较宽的低频区，拥有良好的深层品质，在海底深层地震勘探中 得到了更多的应用。对比于这些其他的水下声源来说，水中等离子体声源的优点 在于，其有宽广的频谱范围，强有力的能量输出。以相对低廉的成本可以获得较 高的成像清晰度，故而常用于海底浅层高分辨率勘探中。 表1 1 各类型声源的优点和不足 水下 小溯 优点不足 类型 骶 磊器罄寒警鑫蕊鑫筘禽f 乜 易】二位川秘维护，粕 时翅戳制了能黛分辨率 恭 承复额率和效率，高 水下拖深，可棒深湃 源 i ：你 加j ! i l商娠复频牢商峰值 水体频率和带宽树埘于 有限的拖洋。积i u 式j f声纳高输f “j f 镁级 压和火i u 流物理 溉i定的a 向性 k 寸限制。效率低 内爆商能缝输出较宽 拖深微小见办 式的低频区便1 ：仃 l 柚棒必须有 掘i放和制造技术成熟 常维扩，有。c 淝 脉冲的 二扰 水f 离能皴输出，宽广 等离 的_ 毵；i 辨范阳，遥l l 赛篙箍，警娄 r 体 的拖滦能力低成 脉冲的干扰 一源 奉，刀便h 玎稚 水下等离子体声源设计与研究是一个涵盖面很广的课题，基础内容包括电 学、水下声学、低温等离子体物理、物理化学、电力电子和数据采集和分析处理。 图卜l 所示的为一水下等离子体声源的设计原理框图，从图中可以看出，要实现 对水下等离子体声源的设计和研究，从硬件上看，需要充放电回路和电力电子控 制电路的配合，从软件上看，需要一个实验数据的采集和分析平台之后还要细 致的进行多学科方向的理论分析，以给实际应用提供更进一步的指导。水下等离 子体声源技术涵盖的领域之广，也反映出现代脉冲功率技术，乃至现代科学技术 的一个发展趋势，即多学科的交叉与融合，过去的单一的研究方法、观点和手段 已不能满足需要。 绪论 充电回路放电回路 图1 1 水下等离子体声源的设计原理框图 从理论研究到实际应用等各个层次上。完善和发展水下等离子体声源技术既 是现代海洋地震勘探技术的迫切需要，也是现代脉冲功率技术深入发展的必然要 求。 1 。2 水中脉冲放电技术 水中脉冲放电技术即水下等离子体声源电特性早在上世纪3 0 年代己被前苏 联的科学工作者们所关注，从3 0 年代至5 0 年代前苏联科学家y u t k i n 等人p j 对 其进行了系统地研究和讨论。水中脉冲放电可以在瞬间( u s 甚至n s 量级) 产生 高能的等离子体通道( 等离子体温度1 0 4 到1 0 5 k 量级，通道电流达l 矿至1 0 4 a 量级) ，通道由于内部高压( 可达l o 个大气压量级) 急速向外膨胀，再由于水 介质的弱压缩性，实现了电能到机械能的高速转化贮】1 5 l 。m a r t i n 嘲认为水中脉冲放 电技术是实验室条件下产生高能量等离子体的一种有效方式。 到目前为止，水中脉冲放电技术已经在工程和工业领域中产生了许多应用， 取得了很大的经济效益。水下等离子体声源就是水中脉冲放电技术的一个重要应 用，声源的基本工作原理就是通过水中脉冲放电形成强压力脉冲。水中脉冲放电 水下等离子体声源电特性的基础性研究 技术的其他应用还有如下的许多方面： 医学上的体外碎石( e x t r a c o r p o r e a l1 i t h o t r i p s y ) n 该项应用利用了在 水中发生强流脉冲放电时形成“液电效应”而产生冲击波，以及冲击波可以被聚 焦这一物理现象。当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体被聚焦，处于冲击 波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐破碎。 应用于环境工程的水中放电水处理( w a t e rt r e a t m e n t ) 嘲。水处理技术中应 用最早的是臭氧的制备。到现在臭氧已广泛应用于饮用水消毒和城市生活及工业 废水的处理，7 0 年代美国首先采用臭氧进行城市污染处理，成为废水预处理的 重要组成部分。臭氧的产生原理是突变的电场( 工频、高频或脉冲电场) 作用下气 体分子中原有的少数载流子( 电子和离子) 从外电场中获得能量，使其加速运动与 气体分子碰撞、电离而使氧分子分解并在极短的时间内重新结合为臭氧。研究表 明，高压脉冲电场与其他的两种突变电场相比，可队提高臭氧的生成效率两倍以 上；同时高压脉冲的低温等离子体技术也可大大提高臭氧的生成浓度和效率。高 压强流脉冲放电也可用于杀菌消毒水中脉冲放电水处理过程当巾可以使用了一 些不规则的电极，这些不规则的电极会发生电弧或火花放电同时产生各种各样的 活性基。这样除了物理效应( 电场或冲击击穿细胞膜) 之外，这些活性基所具有的 化学效应也会杀死微生物。 液电成形的机械加工( e l e c t r o h y d r a u l i cm o d e l l i n g ) z lo 从前苏联的科学 家y u t k i n 等人开始就已经开始研究用水中脉冲放电的“液电成形”效应来进行 机械加工了，他们发现通过水中脉冲放电，放电通道中会急速释放出巨大能量， 产生爆炸和强激波，利用这种瞬间冲击压力峰值可以达0 6 1 0 3 到1 5 1 0 p a 甚至可高达1 0 1 0 p a 数量级的强激波。这种利用水中脉冲放电所产生的强激波来 进行工件的加工与成形的技术，和传统的冲压技术相比，所要的工序少，生产周 期短，设备成本低，而且由于水介质的可塑性液电成形加工可以适应复杂的 i 件 几何类型。 液电清砂与清垢圈。当水中脉冲放电发生时，水中脉冲放电会产生一个高温、 高压的放电通道。放电通道的急剧膨胀和收缩会产生汽泡，汽泡的收缩、膨胀会 向外发射压力脉冲，直到汽泡内的能量全部散失，这就是液中放电的力效应。液 电清砂的机理是，在强冲击波的作用下，铸件和泥芯发生不同频率的振动，因而 绪论 在泥芯内部产生一个拉伸力，使得泥芯和型砂的裂纹不断扩大直至破坏；同时在 不同声阻分界面上的变形波的反射作用也促使泥芯与铸件剥离。液电清垢的原理 和液电清砂基本上相同，当放电产生的冲击力大于结垢的强度时，结垢将被击碎 并从管壁上脱落。 此外还有岩土工程中的岩石破碎删，以及纳秒高功率器件中的水介质开关【1 o 】 等许多应用。 可以毋庸置疑地说，水中脉冲放电技术将在工业界和人民生活中得到越来越 广泛的应用，产生越来越大的经济和社会效益。水中脉冲放电是水下等离子体声 源工作的基础，对其进行的研究也将会提供给水下等离子体声源一个更为清晰的 认识，将对水下等离子体声源技术的发展起直接地指导作用。正因为如此，在以 后的章节中我们谈到水下等离子体声源的理论基础研究时，也就是指水中脉冲放 j 电的基础研究。在本文中两者含义相同。 1 ，3 水下等离子体声源的应用研究进展 1 3 1 应用研究进展概述 从应用领域来讲，水下等离予体声源应用的最主要领域是用来作为海洋地震 勘探的卢源1 1 l 【2 l ，还有就是液电成形机械加工1 2 l ，医学体外碎石以及岩石破碎【7 l 最近在军事上已经开始实验将其用作水下扫雷和针对特殊目标的水下h 标探测。 从应用中使用的水下等离子体声源工作方式来看，现在主要的是应用水中电 弧脉冲放电方式来产生单一的强水下声学脉冲，用作地震声源。但这种放电的声 学效率较低，电极材料腐蚀速度快，装置比较笨重，电源供电电压相对较高，并 且有一个难以改进的缺陷就是该工作方式的声源在自由场水域激发时会产生多 个压力波，但对于地震勘探来说只有第一个压力波是有效的，后续的其他压力波 则会对记录结果造成干扰。对于上缺陷一般来说可以通过对记录的后处理加以一 定的消除，但是不可能完全避免，而且各项成本较高，晟终的解决办法只能从声 源本身入手。 水下等离了体声源电特性的拱础性研究 1 3 ，2 新的水下等离子体声源的应用研究 在进行水中脉冲放电实验时，我们【2 】1 和一些国外从事水下声学研究人员【1 2 】 都发现，存在一种无电弧通道导通的放电形式，这种形式在稍低的电压等级下、 在电导率较高的n a c l 溶液中同样能产生很强的声脉冲。在国外的该类的无电弧 通道导通的水中放电常类比气体放电的有关说法称为电晕放电( c o r 0 1 a d i s c h a r g e ) 或流柱放电( s t r e a m e rd i s c h a r g e ) 1 2 l 【1 1 ”。 我们也暂且依照上述类比的叫法，将这种没有电弧通道形成的放电过程称为 “电晕放电”，也但必须指出的是，和气相及气液两相中的电晕放电1 1 司相比，这 种在完全液相的水中进行电晕放电在实验参数、现象和结果上都是有明显区别 的即使是在水中不同实验参数( 电压等级，电导率，电极构形等) 下的现象结 果也有很大的不同。目前在国内外，关于水中脉冲放电自q 生要文献是关于有等离 子通道形成的水中电弧放电的f 1 4 15 】，水中电晕放电的讨论主要见于水处理应用领 域的报道 1 1 1 i 1 3 1 【1e 】【”，但由于要面对水处理的特殊要求其实验基本上是在污水中 【16 l f l 刀或是气液两相中【1 3 1 进行的，对于单一液相水介质、适于水下等离子体声源 参数条件下的脉冲电晕放电，以及两种放电形式( 电弧放电和电晕放电) 的异同， 其相关实验和理论结果都很少见于公开文献讨论中。 我们认为，水中电晕放电方式可以为我们进行新的水下声源设计提供了全新 的思路：显然当多个这样的放电过程在多个电极上同时进行时，声脉冲的叠加将 产生一个倍增效应，同样可以提供强有力的声源，而且这是一个在低电压等级下 的可控过程。若该工作方式的水下声源可以实现，其安全性、便携性和适应性都 将明显优于现有的基于电弧放电方式的水下等离子体声源。 近年来，从国外一些从事水下等离子体声源研制的公司所推出的产品中，我 们发现，某些产品可能就应用了这种工作方式。图卜2 为g e o r e s o u r c e sb v 公司的g e o s p a r i f t m2 0 0 多电极水下等离子体声源系统。由于技术壁垒，我们没 有更多的相关资料。 绪论 图卜2g e o r e s o u r c e sb v 公司的 g e o - s p a r k t m2 0 0 多电极水下等离子体声源系统 1 4 水下等离子体声源电特性的研究进展 1 4 1 水中脉冲电弧放电理论研究现状 水下等离子体声源的理论基础是水中脉冲放电技术。在水中脉冲放电技术的 有关文献中，研究内容主要可分为脉冲电弧放电及其应用研究，脉冲电晕放电及 其应用研究。其中针对应用的内容占据，；蹦分文献，而且这之中针对电弧放电的 研究又占据了相对多的部分，故而其研究也相对充分许多。 前苏联的学者在早期已做了许多实验和数值模拟的工作刚1 7 l 【18 】f 1 9 1 1 2 0 l 【2 1 】阻】， 提供了一些至今仍为后来者所引用的方法、结论。后来欧美伫3 】【2 4 l ，中国【1 4 1 【1 5 l 【2 1 学者的工作中更加注重了定量的建模，所得的模型在某些程度上和某些条件下， 针对特定的对象而言，可以较好的工作。 德州奥斯丁( u n i v o fr e x a s a t a u s t i n ) 应用研究实验室( a p p l i e dr e s e a r c h l a b ) 的r l r o g e r s 、j a c o o k 、r m r o b e r t s 等人对水下等离子体声源的机 理进行了研究口3 l 【2 4 】，这些工作中包括气泡的水动力学过程，气泡成长过程中的 能量流，质量流的输运过程，以及声学效率分析。 中科院电工所脉冲功率技术实验室的王永荣、孙林、左公宁老师等的工作 【2 1 1 1 1 】口5 】也形成了许多特有的成果，他们也是在国内少数的从事水中等离子体放电 的机理性研究的研究者。他们的机理模型的定量化有许多好的成果但大部分是 基于实验性数据的拟合公式，或是基于经验性假设的推导，工程应用中很好用， 水下等离子体声源电特性的基础性研究 但对于微观物质运动过程仍缺乏本质性的量化描述。近来卢新培等在提出了一个 “更为实用的放电模型，【”】，其模型就前人的某些结论基础上提出了一些修正。 意大利0 m c o r b i n o 声学研究所( i s t i t u t od ia c u s t i c a ”o m c o r b i n o ”) 的 d r s i l v a n ob u o g o 、d r p a o l ac a l i c c h i a 等人在水下等离子体声源的研究提出了 自己的模型 3 4 1 1 2 8 1 ，他们的研究着眼于为工程提供指导，其模型不及 r l r o g e r s l ux i n p e i 等人的复杂和全面，在一些机理解释方面更多是定性的。 1 _ 4 2 水中脉冲电晕放电理论研究现状 面对水中脉冲电弧放电的丰富多样的文献，水中脉冲电晕放电的理论研究则 是相当的少，已存在的小部分水中脉冲电晕放电的研究文献主要集中在水处理领 域( 如气液两相中的水中脉冲电晕放电) ，研究对象并非单一水介质，而是多相 物质的混合态，显然这些研究成果并不能适用于液相水介质中脉冲放电的情况， 而且对于水中脉冲电晕放电过程的机理基本没有描述，或是只依据电弧放电的相 关理论作类比性描述。所以，对水中脉冲电晕放电的机理研究还相当不充分。 1 4 3 水中脉冲放电预击穿过程的机理研究概述 通过研究我们发现，水中脉冲电晕放电和水中脉冲电弧放电虽然在现象的表 现形式上是不同的，但在机理上却存在着密不可分的联系，这个联系就是水中脉 冲放电的预击穿过程。事实上，两种放电现象可以在同一套实验装置和实验条件 下获得，只是电弧放电时电极距离较短，电晕放电时电极距离较长。我们认为水 中脉冲电晕放电和水中脉冲电弧放电在预击穿过程上是一样的，不同的在于，在 电弧形式下的放电中，运动的电荷载流子在水介质中走完了从一个电极到另一个 电极的全程，形成了导通的等离子体通道，而电晕放电中这一过程没有完成。 到目前为止，关于水中脉冲放电预击穿过程的机理研究并不多，这一点与我 们已经在上小节中提到的“关于电晕放电机理的研究也非常少”很相似。事实上 现有的大部分水中放电的文献主要是针对水中电弧放电后期等离子体通道形成 以后的分析和建模【1 4 】【1 5 1 18 】_ 1 2 6 1 。这可能主要是因为后期的等离子体通道特性与压 缩波脉冲以及气泡过程的声学特性密切有关，而声学特性往往是水中脉冲放电技 术工业应用的基础。在另一方面，这也反映出研究者们对无击穿通道形成的水中 绪论 脉冲电晕放电方式的机理研究缺乏应有的重视，主要可能是因为这方面的研究并 不直接关联应用。 这种现状使得对水巾脉冲放电预击穿过程的机理研究并不充分。我们将在第 4 章的理论研究文献综述中单独的加以讨论。但可以说明的是，直到现在都仍缺 乏一个普遍为研究者所接受的揭示微观本质的预击穿过程机理模型。 1 _ 4 4 水中脉冲放电的预击穿过程的研究进展 置于水中的两个电极，在加上足够强的高压后，水中有始于某一电极的丝状、 树状或刷状先导产生和发展，直到先导到达另一电极，此后两电极之间形成完整 的导电通道，水介质发生击穿，引发出有强烈声光辐射的电弧放电。从放电先导 的产生开始，到水介质发生击穿放电的前一刻止，这一段的过程就是本文所要讨 论的水中脉冲放电的预击穿过程。由此可见，严格上讲水中脉冲放电的预击穿过 程包括两个阶段：先导的产生阶段和先导的发展阶段，不过由于先导的发展是在 先导的产生阶段基础之上的，所以通常认为两个阶段的驱动机理足一样的，不过 在最后“理论工作的总结”一节中将会提出一些可能存在的例外的考虑。另外， 上述预击穿过程中提到了一个“先导”( 1 e a d e r ) 的概念，在有些的文献中被称为 “流柱”( s t r e a m e r ) ，实际上“先导”( 1 e a d e r ) 的概念源自大气中的长间隙放电 物理学，而“流柱”则更直接借用自气体放电物理中的相同的词汇，但这并不表 明气体放电和水中放电( 以及其他液相介质中的放电) 有相同的机理，下文将指 出直接将气体放电的模型引入到水中放电预击穿过程的想法是不成立的。所以， 先导或流柱的概念只是一个习惯或形象地说法，严格上讲它们指的是载流子的产 生和动态发展的一种表现形态，基于这样的认识，在下文中不再区别这两种提法。 a 目前的理论工作 对于水中脉冲放电的预击穿过程，已有一些研究者从实验和理论上做过一些 工作，提出了一些机理的模型，但直到现在还没有一个可以为研究者所接受的理 论架构，绝大多数理模型只有定性程度的简单数量分析，甚至直到现在，还没有 一篇可查的文献同时细致的分析过阴极过程和阳极过程。本文将在随后的机理初 步探索巾，深入地讨论这些过程，以期给出一个完整的流注过程的微观描述。 水下等离子体声源电特性的基 i f i ：性研究 综合考察所有的已知模型1 3 0 h 3 3 3 , 5 - l ，本文将这些模型概要地划分为如下3 类：“电子”模型、“空穴”模型和“质子”模型。 “电子”模型【3 5 】认为自由电子直接在液相的水中穿行，和水分子发生碰撞电 离并引发电子崩，形成预击穿过程的等离子体通道，这是一种直接模拟气体放电 预击穿过程的模型方案，实际上由于在水中没有足够长的自由程用来加速电子， 这种模型基本不能成立。 “空穴”模型发展到现在，已有几个版本瞄o i 一 3 , 3 1 矧，这些模型的共同特点是 先在电极表面某处产生个低密度区域( 故而归纳为“空穴”模型) ，然后在这 个低密度区域进行类气体放电式的碰撞电离( i m p a c ti o n i z a t i o n ) 。最基本也是 较多人接受的一个版本是e e k u n h a r d t 等p 1 】【3 2 魄出的“热模型”。该热模型 的基本观点是，在一个电极的微尖端处，阴极场致发射而产生的高电流密度的电 予电流，通过o h m 加热在微尖端附近创造出一个低密度区域而在这个区域中电 子得以拥有较长的平均自由程从而可以产生碰撞电离进而在低密度区域的头部 引发电子崩，一则电子崩提供新的电子以维持低密度区域的商电导率，二则电子 崩不断气化端部的水分子使流注通道发展并引发新的电子崩，这一过程持续直至 通道连通两电极。k u n h a r d t 还分析指出这个过程满足能量守恒的要求，并可以 解释实验的结果聆2 1 。另一个较新的版本是，t j l e w i s 【3 7 l 提出的“冷模型”， 这个版本和“热模型”的区别在于低密度区域的形成方式上，“冷模型”中的低 密度区域是由于电致伸缩效应的非平衡性所产生的，但与此相，f e r c h m i n 的理 论指出电致伸缩产生的实际上是压缩效果。另外，这些模型的根本缺陷在于基本 上无法解释阳极流注过程。 r o b e r tl r o g e r s ”1 和j a m e sc e s p i n o s a 3 9 等继承了n i k u s k o v a 等人 的思想，将流注过程建模成水的离解状态的豹传播，即所谓“离解波” ( d i s s o c a i t i o nw a v s ) 。由于水的离解产物之一h 即质子存在特异的迁移率，故 而归纳为“质子”模型。该模型成功解释了许多实验现象，也成为我们进行阳极 流注微观过程分析的基础，不过模型中还存在着一些问题，某些定量的结果值得 商榷我们将在下面的章节中加以进一步表述。但该模型的最大缺陷在于基本上 不能工作在阴极流注过程中。 基于上述的情况，进行一个完整的、既包括阳极流柱的预击穿过程，也包括 绪论 阴极流柱的预击穿过程的理论分析的要求追切的摆到了研究者的面前。本文在理 论方面的初步研究工作正是部分地完成了这一任务。 b 流注过程中必要考虑的因素 通过对前节“文献综述”部分提到的模型的考察，我们发现它们中的大部分 有一个共同点，这就是缺乏对预击穿过程中整个电极- 水体系的微观动态的细致 地考虑。但事实是，这个体系中的微观动态可能很重要，因为宏观上的能量守恒 只是一个模型成其与否的必要条件。在所有模型都满足能量守恒的情况下，微观 动态过程的考察势在必行。微观卜的考察可以明确地告知我们哪些过程可以真实 发生，而另一些则不能或很难发生，这成为辨别一个模型正确与否的关键。进行 这样的考察的另一个好处是，可以给出整个预击穿过程的实在的物理图景。 本节将再分4 个予节来描述这些因素：( 1 ) 载流子迁移率的场致增强；( 2 ) 水电极界面层；( 3 ) 水的介电响应；( 4 ) 场致电子发射。 i 载流子迁移率的场致增强 通过考察，我们认为阳极流注过程中的载流予应该是质子。达到这一认识的 另一个重要原因在于，e s p i n o s 一研认为在高场条件下水分子的高度定向化将使 质子迁移率( p r o t o nm o b i l i t y ) 提升2 个数量级。首先，需要指出的是，关于这 一结论，目前没有任何其他的已知文献可以直接的支持；其次，e s p i n o s a 在进行 理论推导时，采用了个并不符合现代理论观点的假设，我们认为其关于质子迁 移率倍增的结论在定性意义上是成立的，但其定量的结果在数量级上很可能并不 正确。 现代的水中质予输运的图景如图1 - 3 所示，该原理又称为m o r s e 原理( m o r s e m e c h a n i c s ) f 4 0 1 1 4 1 】瞰1 1 4 3 。在上述图像中，质子输运可以概括为如下4 个( 或3 个) 步骤f 3 9 ) - 1 4 ，】：1 ) 左边水合质子的第二水合层的氢键断裂；2 ) 质子在两个原子的 氢键线( h o n d r o g c n b o n dw i r e ) 之间从左边量子隧穿到右边；3 ) 右边水合质子 的水合结构重构；4 ) 右边水合质子的氢键网络重构。 在卜述4 步过程中活化能最大的是第一步，即左边水台质子第j ：水台层的氢 键断裂过程，这一步也是整个质子输运的瓶颈，亦即整个质子输运中的主要时间 水下等离了体声源电特性的基础性研究 消耗在了第二水合层的氢键断裂上。 图1 - 3 现在观点的水中质子输运图像 一 也许是上述某些过于复杂而且没有定量的模型可以利用，e s p i n o s a 采用了早 期c o n w a y 等1 使用的模型中的相关概念。他将质子输运的整个过程分为两步： 水分了的旋转和质了的隧穿，i ：将水分了的旋转作为接个质了输运过襁i 限迎的 关键。这一假设使得在高场情况下由于水分予高度定向，水分子不需要再旋转， 质子的隧穿成为输运丰要部分并预肓3 1 0 - t c m 2 v s e c “了这一高2 个数罱 级的迁移率。 事实上当电场强度到达到1 0 9 v m 以上时，电场力足以和水的氢键键能相 抗衡。考虑到电致伸缩效应可以等效为g p a 量级的压力，很多氢键将断裂。根 据现代理论l 钏，依然可以得出质子输运在高场下迁移率倍增的结论。但到底可 以增加多少数量级，我们建议应该进行基于现代理论图象的分子动力学模拟 ( m d ) 或相关实验。 i i 水一电极界面层 一般来说预击穿过程的先导总是起源于电极，这暗示以往被研究者所忽略的 水电极界面层可能起了非常重要的作用。事实上，通过研究我们认为水一电极界 面层无论在阳极流注过程，还是阴极流注过程都承担着关键性的脚色。如果说， 水中脉冲放电的预击穿过程的机理和其他凝聚态物质之中的放电预击穿行为之 间有所不同的话，就在于水和电极界面间所形成的独特的界面层。 水电极界面层( 如图l - 4 所示) 也称为双电层( e l e c t r i c d o u b l el a y e r ) ，这 是因为界面层由一个紧致的内层( c o m p a c tl a y e r ，又叫h e l m h o l t zl a y e r ) 和一 i 、 v ， 丫。 绪论 个离予浓度逐步扩散的外层( d i f f u s el a y e r 或g o u y c h a p m a nl a y e r ) 组成a l 一 |_ |季燃妻鬻 c o m r c tl ” 嘲i 一4 双i u 层的结构示意| | 双电层形成的主要原因是金属电极和水之间的f e r m i 能级不同，在接触面，卜 必然要求形成接触电势。对于带电的电极，在阳极附近医电极电势和接触电势叠 加，总i u 辨上升，在刚极附近i 式电极电辨和接触电辨部分的干 i 消，结果视电极i u 势的大小而定。 估计双电层的厚度要用到d e b y e 屏蔽( d e b y es c r e e n i n g ) 的概念。d e b y e 指 出，水溶液巾的离二f 成分( c o i o n ) 都处于i j 其相对离子成分( c o u n t e r i o n ) 的“离 子氛”中，长程的电场作用被这个“离子氛”所屏蔽，这个“离子氛”区域的线 度叫做d e b y e 长度( d e b y el e n g t h ) ，也就是双电层的厚度的量度h “。 d e b y e h u c k e l 公式给山这。长度的理论值的倒数t ( 即d - 1 ) ， 其中n 为溶液中的离子( 一价) 浓度，e 为基本电荷常数，岛为真空中的绝对介 电常数，s 为溶液的相对介电常数，k 为b o l t z m a n 常数，t 为溶液的环境温度。 图1 5 为b r u e s c hp e l e 一4 川给出的一个纯水在电极表面所形成的双电层的离 子浓度分布关系图，其中可以看出在界面附近h + 的浓度高达l o ”c m 。量级，比 常规下体相的纯水中的质子浓度高出约7 个数量级，比e s p i n o s a 所预言的场增 辱 强离解效应的质子浓度还高出2 个数量级。 i ； 融 笑 l ：菲：目- ：= ：篝耋誊雾 l 主： 妄生惫至：三主i i 董兰三 一 - 。1 ， l 上 + i ： _ ，l ；t 0 11 1l o t o l r + i 丽n d l m m n o e 工山啊h _ 删删 艇薹霉鬻囊鞴硅霹篓圣蒌薹 0 o舶44 o m z 椭f r o mi 删雷喇 图卜5b r u e s c hp e t e r 给出的纯水在电极表 面所形成的双电层的离予浓度分布关系圈 1 i i 水的介电响应 图卜6 a 未加电场时水的状态图卜6 b 施加加电场后水的状态 由于水分子的天然偶极子( p e r m a n e n td i p o l e ) 特性，使得它对电场的响应很 强烈，如图1 - 6 所示，原本南于热运动而作无规运动的水分子( 图1 6 a ) ，会在 电场的作用下沿电场方向定向排列( 图】6 b ) ，如果电场足够强，这种排列将是 高度定向的【”1 。 介电常数的强场修正 由于介电饱和( d i e l e c t r i cs a t u r a t i o n ) 的存在，随着电场强度的提高，水分子 协 心 n。gro-lo量-罩量弓 ，、：1 i _ t 、_ ) = 睦。 ，、一 于 尸 匕父f欲卜，、l f 一 绪论 响应电场的能力下降，介电常数也将随之下降，直到最后介电饱雨i ，所有的水 分子都沿电场方向排列，变为l 。介电常数开始下降的趋势出现在1 0 7 矿m 时m 刖， 在场强达到1 0 9 1 0 ”v m 时出现介电饱和1 4 8 1 1 4 训，而在上节中我们指出，这正是界 面层的平均场强的量级，所以在使用宏观连续体理论时，必须要考虑介电常数的 强场修正。 i d a n i e l e w i c zf e r c h m i n 和a r f e r c h m i n l 4 8 j t 4 9 】郾】，基于o n s a g e r 、e y r i n g 等 提出的水的介电响应的理论，给出了如下方程组： ! 生二塑：t a i l h n b 艮= 丽o r ( n 2 + 2 )岛【z s + 行。j 一盯 n e 十一 2 ( 1 2 ) 其中一= 笔鲁t 曰= 丛笔竽n 为水的折射率“_ 3 3 3 ) ，n 为水分子数密度 为水分了偶极矩( 6 0 2 3 x 1 0 “c ，m ) ，t 为温度( 室温2 9 3 k ) ，k 为b o l t z m a n n 常数( 1 3 8 0 7 x 1 0 一v c k - 1 ) v 为体积。上述方程组消去口，即可得到场强和 介电常数的修正关系。 电致伸缩效应 电致伸缩效应( e l e c t r o s t r i c t i o ne f f e c t ) ，是指电场在作用于电介质时，对介质 所产生的一种体积上的伸缩效应。m i c h a e lft o n e y 等( s 1 1 通过x 射线散色实验发 现在带电的a g ( 1 1 1 ) 电极和水界面层上水的面密度异常增高：电极表面电荷密 度= - 0 i c m - 2 时，厩密度增大“z 1 4 倍；电极表面电荷密度o - 0 = o 2 5 c m 。2 时，面密度增大乩2 5z 2 2 倍。其后ys c h u l 5 习等又发现了水在r u o z 电极表埘在 高场情况下( 1 0 9 v m ) 的产生了类似的相变。这表明，水在强场的界而层中发 生了结构上的重组。1 d a n i e l e w i c zf e r c h m i n 和a r f e r c h m i n l 4 s 1 4 9 1 【5 0 1 通过化学势 平衡和热力学的方法对上述实验结果进行了理论分析并将其归结