Электрическая проводимость жидких диэлектриков

Ряд измерений самостоятельных токов в гексане [1,стр.98] был выполнен с большой ионизационной камерой, в которой применялись электроды с поверхностью 540 см² при объеме жидкости 810 см³. Жидкость была очень тщательно очищена () и вся камера защищена оловянными стенками толщиной 5 см. В этих условиях при напряженности поля 2000 В/см плотность тока была А/см². Отсюда следует, что в гексане образуются 420 п. и. в 1 см³ за 1 сек. В пересчете по плотности для воздуха это соответствует 0,7 п. и. в 1 см³ за 1 сек. Согласно Милликену, плотность космического излучения на поверхности Земли равна 1,48 частиц на 1 см² за 1 мин. В гексане космические лучи (частицы) образуют 1,7· п. и. на 1 см пути, что соответствует 28,6 п. и. на 1 см в воздухе. Эти результаты очень близки к полученным в других опытах. Наименьшая проводимость самых чистых жидких диэлектриков обусловлена, в частности, воздействием космического излучения, проходящего через любое вещество.

Вторичные эффекты космического излучения, так называемые ионизационные скачки Гофмана, были исследованы с помощью жидких ионизационных камер еще в 1935 г. [1,стр.78]. Явление это заключается в том, что при наблюдении за ионизационным током в камере время от времени отмечается внезапный толчок тока, обусловленный резкой вспышкой ионизации. Каждая такая вспышка вызвана торможением в камере частиц космического излучения с большой энергией. В газовых камерах ионизационные скачки наблюдались сравнительно редко: один раз за несколько десятков часов, причем с ростом давления газа частота повторения увеличивалась. В жидкостных камерах с гексаном регистрировалось в среднем 1,5 скачка ионизации в час. Наибольшие скачки соответствовали 5,9 п. и., чаще всего количество п. и. было 2*. Ионизационная камера состояла из цилиндрического конденсатора объемом 800 мл. Внутренний цилиндр — оловянный или алюминиевый, снаружи камера защищалась толстым слоем олова. Самостоятельный ток в жидкости компенсировался сопротивлением Бронсона. В последующих работах жидкостная камера была объединена с 4 счетчиками Гейгера—Мюллера, установленными по 2 над и под камерой. Оказалось, что вспышки в газовых камерах отмечаются значительно чаще, чем в жидкостных, причем, как правило, одновременно со скачком ионизации в жидкостной камере регистрируется одна из вспышек в газовых счетчиках.

3.2. Ионизационная проводимость газов

Исследования ионизационной  проводимости жидких диэлектриков не встречаются с такими большими техническими трудностями, как исследования самостоятельной  проводимости. Рост тока в очень чистой жидкости может доходить до 5—6 порядков, например, при ионизации рентгеновскими лучами. Измеряемые эффекты хорошо воспроизводятся и обычно нет больших расхождений в результатах различных авторов. Однако и в этой области существуют явления, не нашедшие еще точной теоретической интерпретации.

Учитывая большую аналогию механизмов проводимости в газах  и в жидких диэлектриках, целесообразно  привести здесь наиважнейшие характеристики проводимости газов.

Газы в нормальных условиях не проводят ток. Проводимость резко  возрастает, если в них образуются ионы за счет какого-нибудь ионизирующего воздействия: подогрев пламенем, электрический разряд, облучение рентгеновскими и γ - лучами, α- и β-частицами, протонами или дейтронами и т. д. Энергия излучения расходуется на отрыв от нейтральной молекулы или атома одного электрона, в результате чего образуются две заряженные частицы: отрицательная — электрон и положительная — оставшаяся часть молекулы или атома, положительный ион. Свободный электрон какое-то время перемещается самостоятельно, и после ряда столкновений с нейтральными частицами газа присоединяется к одной из них и образует отрицательный" ион. В результате каждого акта ионизации образуется пара ионов: положительный и отрицательный; энергия, которая при этом расходуется, более или менее постоянна и равна 34 эв. Зная энергию ионизирующей частицы, можно вычислить, какое количество ионов образуется в газе при полном торможении. Например, в- частица с энергией 3,2 МэВ создает п.и. Если газ находится в электрическом поле, то образующиеся в нём ионы двигаются к электродам, и во внешней цепи можно измерить ток. Величина тока ионизации i зависит от напряженности электрического поля Е (рис. 8). В области I кривой l = f(E) ток растет с увеличением напряжения (нелинейно), достигая величины тока насыщения I_s при напряженности В области II с увеличением напряженности ток не изменяется. В области III ток растет, сначала медленно, потом быстро, вплоть до искрового разряда.

Проще всего объясняется  область II: здесь все образованные в газе ионы доходят до электродов и регистрируются прибором. В области I большую роль играют процессы рекомбинации ионов, интенсивность которых уменьшается с ростом напряженности. Величина тока насыщения I_s пропорциональна количеству ионов n, образующихся в 1 см³ за 1 сек, их заряду q, поверхности электродов 5 и расстоянию между ними d:

                                                   (10)

Выше области насыщения  наступает новый рост тока. Объясняется  это тем, что электроны начинают набирать такую большую скорость v=uE (u — подвижность электронов), что их кинетическая энергия m /2 становится достаточной для ионизации других нейтральных атомов или молекул газа.

Рис. 8. Зависимость тока I от напряженности поля E в газе. I_s – ток насыщения

 

Рис. 9. Зависимость ионизационного тока I от плотности газа d (ток и плотность в относительных еденицах)

 

 Рост тока происходит сначала пропорционально lg Е, а затем крутизна роста тока увеличивается, что физически соответствует лавинному процессу нарастания числа электронов или ионов, когда каждый образующийся электрон или ион набирает в поле большую энергию, достаточную для новой ионизации.

Область III заканчивается  искровым разрядом: образованием канала, заполненного сильно разогретым газом, через весь межэлектродный промежуток, свечением газа и разрядом конденсатора.

Кроме того, аналогия с газами будет прослеживаться при рассмотрении ряда вопросов проводимости в жидкостях.

Рис. 10. Зависимость ионизационного тока I (в относительных единицах) от давления p в газах при малых давлениях

Рис. 11. Зависимость ионизационного тока I (в относительных единицах) от давления p в газах при больших давлениях

1-аргон; 2-азот; 3-воздух

 

Процессы в газах сильно осложняются при повышении давления. Ионизационный ток растет, как  правило, пропорционально плотности  газа, но этот рост зависит от целого ряда факторов: от вида ионизирующего излучения, его энергии, от вида газа, от однородности ионизации и т. д. На рис. 9,  10, 11 представлены зависимости ионизационного тока от плотности газа и давления. Увеличение ионизационного тока с плотностью и давлением использовалось при изучении космических лучей: ионизационные камеры заполнялись тяжелыми Газами под давлением 40 am. При большом давлении в газе ток насыщения зависит от напряженности поля:

                                                  (11)

В среде с большой плотностью усиливаются процессы рекомбинации искажающие равномерное пространственное распределение ионов, и поэтому требуется увеличивать напряженность поля, чтобы уменьшить рекомбинацию и обеспечить протекание тока. Определенную роль в увеличении тока насыщения играют и другие явления: вторичная электронная ионизация, ионизация столкновением возбужденных атомов, диссоциация молекул и т. д.

 

 

3.3. Ионизационная проводимость жидких диэлектриков

В жидких диэлектриках не наблюдается насыщение ионизационных токов. С увеличением напряженности ток, начиная с некоторого значения, возрастает линейно (рис. 12), согласно формуле:

                                                 (12)

где коэффициент с зависит от количества образующихся ионов, от расстояния между электродами, от энергии ионизирующего излучения и от физико-химических характеристик жидкости. Вид этой зависимости подтвержден многими работами. В не полностью очищенных жидкостях эффект воздействия ионизирующего излучения искажается влиянием электролиза следов загрязнений. К сожалению, даже во многих современных работах проявляется эта основная ошибка в исследованиях проводимости жидких диэлектриков, сильно снижающая ценность получаемых результатов. В ряде работ были развиты методы очень тщательной очистки, что позволило провести большие серии исследований физических характеристик жидкостей, главным образом, насыщенных углеводородов. Существует несколько теоретических интерпретаций механизма проводимости, опирающихся на явления выборочной рекомбинации, перескакивания электронов, вторичной ионизации или диссоциации возбужденных молекул. Теория Френкеля и теория электронных полупроводников также могут быть использованы для объяснения механизма проводимости. Рассмотрим вольт - амперные характеристики жидкости, ионизированной рентгеновскими и γ - лучами. На рис. 13 приведена схема экспериментальной установки.

Рис.12. Зависимость тока I от напряженности E в жидких диэлектриках

 

Измерительный прибор был  помещен в электростатический экран  из листового цинка. Воздух внутри экрана осушался хлористым кальцием. В большей части опытов использовалась ионизационная камера, показанная на рис. 9; в некоторых случаях применялись и другие камеры с объемом от нескольких миллилитров до 10 л. Для измерений использовался либо квадрантный электрометр с емкостью порядка 70 см и чувствительностью от 300 до 1500 мм/в, либо вакуумный электрометр Линдемана и Гофмана с очень высокой чувствительностью. На рис. 14 и 15 приведены характерные зависимости плотности тока от напряженности для различных насыщенных углеводородов. Источником рентгеновского излучения служила лампа Зеемана с медным антикатодом, снабженная авторегулятором для поддержания режима в пределах от 5 мА, 25 кВ до 25 мА, 41 кА. Максимальный режим генератора был 30 мА 125 кВ. Пучок лучей проходил последовательно алюминиевый фильтр — окошко, воздушный зазор 3 см, две стеклянные стенки, алюминиевую фольгу толщиной 0,19 мм и слой жидкости толщиной 3 см. Поскольку доза облучения не измерялась, описанные условия эксперимента дают возможность сравнивать его результат с результатами других исследований.

Рис. 13. Схема аппаратуры для измерения электрической проводимости жидких диэлектриков

К₁- ионизационная камера; К₂-добавочный конденсатор; Е-електромер; Б₁ и Б₂-аккамуляторные батареи на 2000 и 50в; R₁ и R₂ – сопротивления; Э-экран; П₁ и П₂ платиновые переключатели; Ф-фильтр

   

Рис. 14. Зависимость плотности тока от напряжения для гексана при ионизации рентгеновскими лучами

1, 2, 3, 4 – напряжение на рентгеновской лампе 35 кВ, расстояние между электродами 1, 2, 3 и 4  мм; 5, 6 и 7 – напряжение на рентгеновской лампе 41 кВ, расстояние между электродами 1, 2, и 3 мм

Рис. 15. Зависимость плотности тока от напряженности для гексана при одинаковой интенсивности облучения рентгеновскими лучами (30 кВ, 5 мА) и различных расстояниях d между электродами

 

Источником напряжения до 2000 в была аккумуляторная батарея малой емкости. Ионизирующему воздействию подвергалась вся область между электродами ионизационной камеры при изменении межэлектродного расстояния от 0 до 20 мм. На рис. 16 показаны графики зависимости плотности ионизационного тока в камере от напряжения на трубке j = f (U) и от тока трубки j = f (I). Как видно из рисунка, зависимость j = f (I) линейна, зависимость j — f (U) имеет форму, близкую к параболе. Ход кривых согласуется с теоретическими данными. Спектр рентгеновских лучей в описанных условиях содержит характеристический спектр меди (потенциал возбуждения серии К составляет 8,86 кВ) и непрерывный спектр, ограниченный длиной волны λ= 0,309 А (при 40 кВ) и λ = 0,494 А (при 25 кв). Как известно, интенсивность рентгеновского излучения можно выразить формулой:

                                           (13)

где U — напряжение на трубке, Iт — величина тока, Ж — атомный номер материала антикатода.

 

Рис. 16. Зависимость плотности ионизационного тока j в гексане тока (1) и напряжения (2) рентгеновской трубки

 

Плотность ионизационного тока колебалась от 6,8·  А/см² при U = 25 кВ и I_т = 5 мА до 166 А/см при U = 41 кВ и I_t = 5 мА.

Препарат радия весом 11,95 мг, помещенный на таком же расстоянии, как и рентгеновская трубка, давал  плотность тока 0,865* А/ (при расстоянии между электродами d = 0,3 см и напряжении на камере U = 722 в). Отсюда видно, что 1 мг радия давал в этих условиях (около 1 р/ч) ток, в 28,3 раза больший, чем самостоятельный ток, а рентгеновские лучи — в — раз больше. При 50 кв и 20 ма следовало ожидать токов в раза больше самостоятельного тока.

На рис. 17, a и б показаны несколько зависимостей величин j₀ и с, соответствующих уравнению (12), от расстояния между электродами d. Зависимость = f (d) показывает, что явление ионизации в жидких диэлектриках имеет объемный характер и что роль поверхностных явлений (например, диффузии) невелика (прямые проходят очень близко к началу координат). Зависимость коэффициента с от d, имеющая форму с = const d2. означает, что формулу (12) можно переписать в виде I_s=I₀(1 + yU,) где U — приложенное к камере напряжение. Все полученные в работе вольтамперные характеристики гексана можно описать уравнением

              (14)

где S — площадь приемного  электрода, d — расстояние между электродами, М — мощность дозы, Е — напряженность электрического поля, в/см. Из формулы следует, что все вольтамперные характеристики проходят через одну точку (U = — 3090 В). Такие графики существенно облегчают построение вольтамперных характеристик, в особенности с учетом метода, позволяющего определить начало области насыщения

Рис. 17. Зависимость j₀ = f(d) и c = f(d₂) при различных напряжениях на трубке

1-30 кВ; 2 – 35 кВ; 3 – 41 кВ

Распространение измерений  на другие углеводороды позволило обобщить формулу (14) следующим образом:

                                (15)

здесь С = 3,43· , (А/)/(р/ч), М — мощность дозы, р/ч, р — плотность жидкости. Эта формула может найти большое практическое применение в дозиметрии ионизирующего излучения с помощью жидких диэлектриков.

Совпадение результатов  работ, выполненных Адамчевским  в 1961 г. и Верманом в 1963 г., дает возможность  объяснить механизм роста ионизационного тока в области насыщения. В обеих  работах отмечена зависимость тока от расстояния d, коэффициент г получился несколько разный только для малых значений d (0,05; 0,1 и 0,2 мм), что можно объяснить влиянием поверхностных явлений (например, фотоэффект) и диффузий ионов в жидкости. Применение г-лучей в качестве ионизирующего излучения имеет ряд недостатков, прежде всего из - за их высокой проникающей способности (меньшее поглощение в жидкости, большие помехи в измерительной аппаратуре), рентгеновские же лучи легко локализуются внутри исследуемого объема жидкости.