Исследование процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией

Создание высокоэффективных и информационно-емких регистрирующих сред для фиксации быстропротекающих процессов с низкими интенсивностями излучения различной природы, является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния вещества. Еще большую актуальность эта проблема приобретает в случаях, когда требуется регистрация процессов, сопровождающихся сразу несколькими видами излучения. Ярким примером таких процессов являются протекающие в холодной неравновесной плазме, образующейся, например, в виде электронных лавин при пробое газа в узком разрядном промежутке микронной толщины между электродами Роговского, один из которых или два покрыты диэлектриком [1,2]. Знания протекающих процессов в описанных условиях представляют большой интерес, прежде всего в научной и прикладной фотографии для разработки теории газоразрядного фотографического процесса и при создании специальных фотоматериалов для дифференцированного анализа газоразрядной информациитехнике высоких напряжений при оценке срока службы диэлектрической изоляции [3, 4]- газоразрядном фотографировании (ГРФ) различных объектов, включая и биологические с целью, например, медицинской диагностики [5, 6] и терапии (например, д’арсонвализа-ция [7]) — газовой электрохимии, где слаботочный ГР лавинной формы используется, в частности, для озонирования воздуха [8] и увеличения адгезионной способности поверхности материалов [9], наконец, в электронной технике при конструировании, например, газоразрядных визуализаторов [10].

Практика показала, что удовлетворяющими вышеперечисленным требованиям средами являются фотослои на микрокристаллах (МК) галоидного серебра (AgHal) [11], позволяющие фиксировать распределение электронных лавин газового разряда (ГР) по площади разрядного промежутка, а затем по фотоизображению изучать их [12]. Как правило, при ГРФ процессов, протекающих в данных условиях, фотоматериал сам выступает диэлектриком, покрывающим электрод и непосредственно подвергается воздействию ионизованного газа. Несмотря на простоту способа фотографической регистрации газоразрядных процессов его использование для данных целей пока ограничено из-за невозможности расшифровки зафиксированной фотоносителем информации вследствие отсутствия знаний о процессах и механизмах ее фиксации, то есть, процессах взаимодействия слаботочного лавинного ГР с МК AgHal.

В настоящей диссертационной работе была поставлена цель: исследовать процессы взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией, установить закономерности их протекания и разработать феноменологическую физико-математическую модель этих процессов с последующей ее экспериментальной апробацией.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать физические закономерности развития лавинного ГР при одноимпульсном режиме его возбуждения в воздухе атмосферного давления и узком разрядном промежутке микронной толщины между электродами Рогов-ского (однородное электрическое поле), один из которых покрыт галогенсеребряным фотоматериалом (являющимся многослойным диэлектриком). При этом для микросекундных видеоимпульсов высокого напряжения положительной и отрицательной полярности определить основные параметры разряда: время его запаздывания относительно переднего фронта импульса и время горениянапряжения зажигания и погасания, интегральный ток, а так же, по газоразрядным сенситограммам на фотоматериалах, охватываемую площадь. Используя измеренные параметры ГР вывести математическую формулу и оценить по ней экспозиционные дозы воздействия разряда на галогенсеребряный фотоматериал.

2. Разработать методику регистрации интегральных спектров для однородного электромагнитного излучения энергетической плотностью <10″ 6 Дж/м2 и длительностью <10″ 6 с в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах и с ее помощью при разно-полярных видеоимпульсах высокого напряжения исследовать спектр излучения лавинного ГР, возбуждаемого в выше описанных условиях.

3. На основании экспериментальных результатов по физике импульсного пробоя воздуха атмосферного давления в микронном разрядном промежутке и знаний об электронных и электронно-оптических свойствах кристаллов AgHal, разработать феноменологическую физико-математическую модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК AgHal при импульсах положительной и отрицательной полярности.

4. При разно-полярных видеоимпульсах определить ответную реакцию га-логенсеребряных фотоматериалов на газоразрядное воздействие и вывести математическую формулу для оценки их газоразрядной чувствительности (ГРЧ), а так же, исследовать влияние импульсного, однородного электрического поля высокой напряженности на газоразрядный фотопроцесс.

5. Путем топографического разделения скрытого газоразрядного изображения (СГРИ) на глубинную и поверхностную составляющие, исследовать при импульсах положительной и отрицательной полярности механизм взаимодействия слаботочного лавинного ГР с фотоэмульсионными МК AgHal стандартных и специально синтезированных фотоэмульсий, содержащих в кристаллах различное количество поверхностных и глубинных электронных ловушек с различной эффективностью.

В работе получены следующее новые научные результаты:

1. Впервые разработана феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК AgHal, из которой следует, что при импульсах положительной полярности Ag центры СГРИ должны формироваться как на поверхности кристаллов, так и в глубине за счет электронов и фотонов лавинного разрядапри импульсах отрицательной полярности — только на поверхности кристалликов фотонами и ионами ГР.

2. На основе МК AgBr (CI, J), химически сенсибилизированных солями трехвалентного родия и золота, синтезированы новые галогенсеребряные фотоматериалы для регистрации и дифференциации газоразрядных процессов, протекающих в слаботочном ГР лавинной формы.

3. Выведены математические формулы для расчета газоразрядной экспозиции (ГРЭ) и ГРЧ галогенсеребряных фотоматериалов. При этом показана невозможность экспонирования одних и тех же фотоматериалов равными дозами ГРЭ при разно-полярных видеоимпульсах высоковольтного напряжения.

4. Впервые установлена определяющая роль импульсного однородного электрического поля большой напряженности (~105 В/см) в газоразрядном фотопроцессе. Показано, что оно увеличивает интегральную оптическую плотность газоразрядных изображений (ГРИ) по отношению к сформированным только световым излучением лавинного разряда, но само по себе Ag центров скрытого электрополевого изображения в МК AgHal не образует.

5. Впервые установлено, что импульсный пробой воздуха атмосферного давления и неизменного химического состава в 50-ти микронном разрядном промежутке с галогенсеребряным фотоматериалом на электроде Роговского (однородное электрическое поле) зависит от электро-геометрических характеристик фотоматериалов и полярности прикладываемого импульса высокого напряжения.

6. Впервые предложена методика регистрации интегральных спектров однородного электромагнитного излучения в диапазоне 260 — 750 нм энергетиче.

6 2 6 ской плотностью <10″ Дж/м и длительностью <10″ с на основе которой разработаны конструкции макетов приборов «импульсного спектрографа» и «газоразрядного фотоаппарата».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с галогенсеребряной фотоэмульсией из которой следует, что при импульсах положительной полярности в фотоэмульсионных МК AgHal должно формироваться как глубинное, так и поверхностное электронно-фотонное ГРИпри импульсах отрицательной полярности-то лько поверхностное ионно-фотонное изображение.

2. Утверждение о том, что импульсное, однородное электрическое поле в фотослое напряженностью ~105 В/см и длительностью ~7 мкс само по себе не образует серебряных центров скрытого изображения в МК AgHal, но оказывает существенное влияние на газоразрядный фотопроцесс путем пространственного разделения заряженных частиц, как в ионизованном газе, так и МК, в итоге увеличивая интегральную оптическую плотность ГРИ и, соответственно, ГРЧ, по сравнению с изображениями, сформированными только световым излучением лавинного разряда.

3. Доказательство того, что на формирование серебряных центров СГРИ при импульсах положительной полярности оказывает влияние как поверхностная, так и глубинная химическая сенсибилизация МК AgHalпри формировании СГРИ на импульсах отрицательной полярности — только поверхностная сенсибилизация, независимо от глубинной.

4. Разработанная методика и схема конструкции «импульсного спектрографа» для регистрации интегральных спектров однородного электромагнитно.

6 2 го излучения в диапазоне 260 — 750 нм с энергетической плотностью <10″ Дж/м и длительностью < 10″ 6 с.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, насчитывающего 106 наименований и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщая результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы, сделаем следующие выводы:

1. Впервые разработана феноменологическая физико-математическая модель процессов взаимодействия слаботочного лавинного разряда с фотоэмульсионными МК AgHal, из которой следует, что в однородном электрическом поле высокой напряженности при импульсах положительной полярности (относительно электрода Роговского с галогенсеребряным фотоматериалом) Ag центры СГРИ должны формироваться как на поверхности фотоэмульсионных кристалликов, так и в глубине за счет электронов и фотонов разрядапри импульсах отрицательной полярности — только на поверхности кристалликов фотонами и ионами ГР.

2. Получено экспериментальное подтверждение предложенной физико-математической модели при исследовании топографии СГРИ на стандартных галогенсеребряных фотоматериалах путем разделения его глубинной и поверхностной составляющих и топографическом анализе изображений, полученных на специально синтезированных фотоматериалах с МК AgBr (CI, J), содержащих различное количество глубинных и поверхностных электронных ловушек с различной эффективностью. Показана возможность только качественного сопоставления теоретических выводов, вытекающих из физико-математической модели, с экспериментальными данными.

3. Впервые выявлена определяющая роль полярности импульса напряжения, как в газоразрядных процессах, так и при формировании СГРИ в МК AgHal. Показано, что напряжение зажигания разряда на импульсах отрицательной полярности (относительно электрода Роговского, покрытого галогенсереб-ряным фотоматериалом) оказывается больше, чем на положительных и зависит от электро-геометрических характеристик фотоматериала. Установлено, что эта зависимость носит линейный характер при неизменных термодинамических параметрах и химического состава воздуха. Оценены временные, электрические и экспозиционные характеристики разряда при импульсах положительной и отрицательной полярности. Показана невозможность экспонирования одного и того же фотоматериала равными дозами газоразрядного воздействия при разно-полярных импульсах. Выведена математическая формула для расчета ГРЭ фотоматериалов.

4. Выявлена определяющая роль импульсного, однородного электрического поля напряженностью ~105В/см и длительностью ~7мкс в газоразрядном фотопроцессе. Показано, что оно увеличивает интегральную оптическую плотность ГРИ по отношению к сформированным только световым излучением лавинного разряда, но само по себе Ag центров электрополевого изображения не образует.

5. На примере стандартных и специально синтезированных галогенсереб-ряных фотоматериалах с МК AgBr (CI, J), содержащих различное количество глубинных и поверхностных электронных ловушек с различной эффективностью установлено, что не все они оказываются чувствительными к слаботочному разряду лавинной формы, возбуждаемому одиночными, микросекундными видеоимпульсами. В случае стандартных галогенсеребряных фотоматериалов, ГРЧ проявляется у имеющих светочувствительность не менее 64 ед. ГОСТ (при данных условиях их экспонирования и химико-фотографической обработки), а в случае синтезированных — МК AgBr (CI, J) которых содержат эффективные поверхностные и глубинные электронные ловушки, получаемые путем введения эффективных химических сенсибилизаторов (на примере солей трехвалентного родия и золота). Выведена математическая формула и оценена ГРЧ этих фотоматериалов для видеоимпульсов положительной и отрицательной полярности. Показан ее пороговый характер зависимости от светочувствительности на примере стандартных галогенсеребряных фотоматериалов.

6. Впервые предложена методика регистрации интегральных спектров однородного электромагнитного излучения в диапазоне 260 — 750 нм с энергети.

6 2 6 ческой плотностью <10″ Дж/м и длительностью <10″ с на основе которой разработана новая конструкция «импульсного спектрографа». С его помощью в диапазоне 260 — 478 нм исследован интегральный спектр излучения слаботочного лавинного разряда в воздухе атмосферного давления при его возбуждении одиночными разно-полярными видеоимпульсами микросекундной длительности в 50-ти микронном разрядном промежутке с галогенсеребряным фотоматериалом на электроде Роговского. Показано, что в исследованном спектральном диапазоне максимум интенсивности излучения лавинного ГР приходится на границу фиолетового и ультрафиолетового участков. Разработанная конструкция «импульсного спектрографа» нашла отражение в работе другого прибора, названного «газоразрядным фотоаппаратом» и предназначенного для ГРФ гранулированных и жидкофазных объектов. j В заключении автор выражает большую благодарность своему научному ^.

I- '(«Круководителю, академику академии инженерных наук РФ, Заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук, профессору — Яковенко Николаю ¦< Андреевичу за помощь в работезаведующему отделом биологически активных веществ Кубанского госуниверситета, Заслуженному деятелю науки Кубани, доктору биологических наук, профессору — Шурыгину Алексею Яковле- * вичу за интерес к работе и помощь в апробации „импульсного спектрографа“ и -:v газоразрядного фотоаппарата» на биологических гранулированных и жидко- ^ фазных объектах, а так же, доценту Томского политехнического университета, кандидату химических наук — Шустову Михаилу Анатольевичу за интерес к работе, ценные замечания и критический подход в оценке полученных в диссертации результатов.

I’tl’Sfc.

•а.