"Журнал технической физики"
Издателям
Вышедшие номера
Динамика пятен на медном катоде в сильноточной вакуумной дуге
Логачев А.А.1, Чалый А.М.1, Школьник С.М.1
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию: 27 марта 1996 г.
Выставление онлайн: 19 марта 1997 г.

1. Сильноточной вакуумной дугой (СВД) будем называть дуговой разряд в вакууме с током I>> Iп, т. е. разряд, в котором на катоде одновременно горит много катодных пятен (КП), Iп~ 102 А --- ток, пропускаемый одним КП. Исследования СВД кроме физического интереса стимулируются необходимостью совершенствования вакуумной коммутационной аппаратуры, которая все шире используется в технике и вытесняет масляные выключатели, воздушные дугогасительные камеры и т. д. [1]. Существенное отличие вакуумной дуги от дуги в газовой атмосфере состоит в том, что плазмообразующим веществом являются только продукты эрозии электродов. Основным источником вещества в режимах с диффузной привязкой дуги к аноду являются КП, из которых в межэлектродный промежуток истекают сверхзвуковые струи плотной сильноионизованной плазмы [2,3]. В связи с этим очевиден интерес к изучению динамики КП как в процессе развития дуги после поджига [4], так и в последующих фазах ее горения [5]. 2. Известно, что после токовой тренировки (очистки поверхности) на однородных металлических катодах быстро перемещающиеся малоэрозионные КП исчезают, заменяются малоподвижными с большой эрозией. Такие КП после поджига разряда образуют на катоде кольцо, радиус которой r растет со временем. Как внутри, так и снаружи кольца могут появляться лишь случайные пятна [6,7]. Зависимость r=r(t) хорошо воспроизводится от разряда к разряду и определяется формой импульса тока I=I(t). Неоднократно высказывалось предположение, что расширение кольца в СВД есть ретроградное движение КП (движение в направлении, противоположном амперовой силе, действующей на ток, протекающий через пятно) в собственном магнитном поле разрядного тока, подчиняющееся тому же закону, что и движение одиночного пятна в слаботочной (I~ Iп) дуге во внешнем магнитной поле, параллельном плоскости катода, а именно V=K· B, где V --- скорость ретроградного движения КП; B --- индукция внешнего магнитного поля; K --- коэффициент, определяемый материалом катода и не зависящий от B (B=<0.12 [8], 0.2 Тл [9]). По данным [8], K зависит не только от материала, но и от тока и межэлектродного промежутка h. Для СВД, в которой одинаковые пятна симметрично расположены на кольце радиуса r, с учетом этого предположения получим dr/dt=K· B(t), (1) где B(t)~ mu0I(t)4pi r(t) --- индукция магнитного поля, создаваемого током, протекающим через остальные пятна в месте расположения произвольно взятого пятна. Для импульса тока прямоугольной формы с передним фронтом длительностью t0 из (2) следует r2(t)=(Kmu0I)/(2pi)(t-t0)+r20. (2) Здесь через x0 обозначен радиус кольца пятен при t=t0. Экспериментальные исследования динамики КП в СВД ограничены, а результаты их противоречивы. Впервые зависимость радиуса кольца КП от времении тока на катодах из различных металлов была измерена в [10]. Использовался прямоугольный импульс тока длительностью 2 мс с передним фронтом ~0.5 мс. Получено, что r~ talpha· I1/2. При I<1.5 кА alpha=1/2 в соответствии с (2). Для медного катода из данных [10] можно получить K~ 50 м/(с·Тл) независимо от тока. Однако при I>1.5 кА alpha=0.8-1.0. Обнаружена слабая зависимость от h при h<5 мм. Поэднее в [6] были измерены мгновенная скорость расширения кольца КП Vx(t) и с помощью магнитного зонда соответствующая ей индукция собственного магнитного поля B(t) в СВД с медными электродами при токе 2.7<I<6.9 кА, 10=< h=< 30 мм. В полном соответствии с (2) Vk оказалась прямо пропорциональной B. Вне зависимости от I и h получено K=700 м/(с·Тл). Однако такая закономерность сохранялась лишь для B<0.02 Тл (большие r). При B>0.02 Тл пропорциональность нарушалась и, по мнению авторов, появлялась тенденция к насыщению скорости (см. рис. 3 в [6]). Такая трактовка представляется неоднозначной, так как на рис. 3 в [6] приведено слишком мало экспериментальных точек, относящихся к B>0.04 Тл. Нельзя исключить, что кривая Vk=Vk(B) имеет два примерно линейных участка (при B<0.02 и B>0.04 Тл) с сильно различающимися наклонами: K~ 102 м/(с·Тл) при B>0.04 Тл (малые r). В недавней работе [4] показано, что на чистой поверхности ряда металлов при h~3-5 мм, 1<I<10 кА и B=< 0.4 Тл соотношение (1) выполняется и, в частности, для меди K=220 м/(с·Тл) независимо от тока. По мнению авторов [4], как большое значение K (при больших r), полученное в [6], так и более сильная, чем это следует из (2), зависимость r от времени, полученная в [10] при больших токах, есть результат плохой очистки периферии катода в этих работах. Однако в [4] не прослежена зависимость от межэлектродного промежутка. Кроме того, часть анода была закрыта сеткой с достаточно высокой прозрачностью, через которую проводилось фотографирование катода. Целью настоящей работы являлось проведение систематических экспериментальных исследований динамики КП на медном катоде в зависимости от тока и межэлектродного промежутка. Некоторые предварительные результаты работы были опубликованы ранее [11]. 3. Эксперименты проводились в разборной вакуумной камере при непрерывной откачке паромасляным насосом, снабженным ловушкой, охлаждаемой жидким азотом. Остаточное давление p<10-5 мм рт. ст. Использовались плоские торцевые электроды диаметром D=2R=30 мм из бескислородной меди. В специальной серии экспериментов торцевой анод заменялся анодом из молибденовой сетки: проволока диаметром 0.4 мм, шаг 2.5 мм. Сетка приваривалась на торец цилиндра из нержавеющей стали с внешним диаметром 32 мм, внутренним --- 28 мм. Межэлектродный промежуток 0.5=< h=< 8 мм. В центре катодов были просверлены отверстия диаметром 2.5 мм. Разряд поджигался внутри отверствия вблизи поверхности электрода обрывом тока (~10 А) во вспомогательной цепи. Разряд питался от емкости C~2 Ф, U~ 120 В, подключаемой транзисторным ключом на время 0.5=< tau=< 5 мс. Ток регулировался в пределах 0.5=< I=< 5 кА малоиндуктивным балластным сопротивлением. Импульсы тока даже при максимальных I и tau были практически прямоугольной формы. Передний фронт при максимальном токе не превышал 150 мкс. Паразитное магнитное поле токоподвода было подавлено, так что индукция внешнего магнитного поля в межэлектродном промежутке не превышала 0.5 мТл. Ток и напряжение разряда измерялись осциллографами С9-8. Процессы на катоде фиксировались камерой для высокоскоростной фотосъемки ВФУ-1 (10--25 мкс/кадр). Камера располагалась под небольшим углом к электроду. Электроды тренировались серией ~20 импульсов тока I~ 5 кА, tau~ 5 мс. Непосредственно перед фотографированием давались 2-3 тренировочных импульса. 4. Результаты экспериментов обрабатывались следующим образом. Строились кривые r2(t), которые имеют, как видно из рис. 1, а, два характерных участка. Первый --- нелинейный, наиболее отчетливо выраженный при большом токе. Его длительность коррелирует с длительностью переднего фронта импульса тока, определяемой по осциллограммам. Второй (при I~const) хорошо аппроксимируется линейной зависимостью r2(t)=P1· t+P2. В некоторых случаях при r~ R линейность нарушалась. Это объясняется недостаточной очисткой периферии катода. Такие результаты браковались и катод дополнительно тренировался. Параметры P1 и P2 определялись по методу наименьших квадратов. Попытки определить нелинейные члены (степеней 2, 3, 4) дали значения неотличимые от нуля (оценка погрешности этих членов в несколько раз больше их величины). Это показывает, что предположение относительно динамики КП в СВД, при которых получено выражение (2), дающее линейную зависимость квадрата радиуса кольца КП от времени на плато импульса тока, действительно справедливо. Коэффициент K определялся для каждого режима в результате усреднения по 6--8 измерениям (рис. 1, б). Погрешность определялась из разброса экспериментальных результатов. 5. Результаты обработки измерений приведены на рис. 2. Видно, что коэффициент K зависит от межэлектродного промежутка (рис. 2, а). Зависимость K=K(h) в СВД ранее исследовалась в [10], однако приведенные в этой работе данные недостаточны, чтобы провести количественное сравнение. Результаты настоящих измерений можно сопоставить с измерениями в слаботочных дугах, например [8]. Сопоставление представляется разумным, так как в [8] исследования проводились во внешнем поле B=< 0.12 Тл. В наших экспериментах индукция собственного магнитного поля тока уменьшается до такого значения практически сразу после прохождения переднего фронта импульса тока. Сравнение результатов, приведенных на рис. 2, а и на рис. 5 работы [8], показывает сходный характер зависимости K=K(h) при h=< 3 мм. Однако в слаботочной дуге при h>3 мм K~const, а в СВД кривая K=K(h) удовлетворительно аппроксимируется логарифмической зависимостью. [!tb] Зависимости квадрата радиуса кольца катодных пятен от времени. а --- измеренные зависимости r2=r2(t) и аппроксимации линейного участка, б --- семейства аппроксимирующих прямых; h=4 мм; I~ 4.6 ( 1), 2.8 ( 2), 1.6 кА ( 3). [!tb] а --- зависимость K от межэлектродного промежутка: I=1.5 ( 1), 2.8 ( 2), 46 кА ( 3); б --- от тока разряда: сплошной анод --- светлые значки 1 --- h=0.5, 2 --- 1, 3 --- 2, 4 --- 4 мм; анод из молибденовой сетки --- темные значки 5 --- h=0.5, 6 --- 4 мм. Как следует из рис. 2, б, при h<= 1 мм коэффициент K слабо растет с ростом разрядного тока. Это противоречит результатам, полученным ранее в СВД [4,6,10]. Причиной расхождения с [10] является некорректная процедура обработки, использованная в этой работе, не учитывающая достаточно длинный передний фронт импульса. Действительно, как показали проделанные нами вычисления, если кривые r2(t) аппроксимировать прямой, включая начальный участок, то результаты будут зависеть от длины обрабатываемого участка, и если длительности линейного (I=const) и нелинейного (на фронте тока) участков сравнимы по величине, то значение K получается заниженным, а зависимость от тока пропадает. Естественно, такая обработка некорректна как с математической (значение критерия chi2 в несколько раз больше, чем при обработке только линейного участка), так и с физической точки зрения. Что касается работы [6], то вопреки утверждению ее авторов полученные результаты (см. рис. 3 в [6]) фактически не позволяют проследить зависимость K=K(I). Причины расхождения с результатами работы [4] неясны. Так, в ней использован импульс с коротким передним фронтом 20 мкс. В слаботочной дуге наблюдалась зависимость K от тока, причем более сильная, чем в настоящем эксперименте. При h=15 мм изменение тока от 30 до 60 А приводило к увеличению K в 2.5 раза [8]. На рис. 2, б приведены также результаты, полученные в СВД с анодом из Мо сетки (материал, из которого изготовлена сетка, не будет влиять на динамику КП, так как еще в процессе токовой тренировки сетка запыляется продуктами эрозии катода). Видно, что при одинаковых h замена сплошного анода сетчатым приводит к увеличению K, т. е. скорость движения КП в СВД с сетчатым анодом соответствует скорости, наблюдаемой в разряде со сплошным анодом, но при большем межэлектродном промежутке. Использование сетчатого анода практически не изменяло напряжения на дуге Delta U=< 1 В. 6. Наблюдаемые зависимости K=K(h) и K=K(I), по нашему мнению, имеют единую природу и могут быть объяснены исходя из хорошо известного факта замедления движения КП при увеличении давления (см., например, [12]). Действительно, ранее нами было показано, что анод является эффективным источником вторичных атомов, образующихся под действием потока быстрых ионов из КП [13,14]. Концентрация вторичных атомов вблизи поверхности анода может в несколько раз превышать концентрацию первичной (образованной катодными струями) плазмы, так как скорость атомов ~105 см/с, а катодных ионов <=106 см/с, и достигать при токах в несколько кА величины Na<= 1016 см-3. По мере проникновения в межэлектродный промежуток эти атомы ионизуются, образуя вторичную плазму [15]. Уменьшение b приводит к повышению концентрации вторичных частиц у поверхности катода и соответственно к снижению скорости движения КП. С ростом плотности тока растет импульс, передаваемый от катодных струй к вторичным частицам, поток вторичных частиц как бы прижимается к аноду [16]. Этим, по-видимому, можно объяснить увеличение K с ростом тока при фиксированном h. Предложенное объяснение наблюдаемых зависимостей является сугубо качественным. Подтвердить его расчетом трудно, хотя бы потому, что в настоящее время не существует последовательной общепринятой теории, описывающей сам феномен ретроградного движения и влияние давления на его скорость. Поэтому представляют интерес эксперименты с сетчатым анодом. Полученные результаты (рис. 2, б) находят удовлетворительное объяснение в рамках предложенной модели. Действительно, использование сетки уменьшило поверхность анода, взаимодействующую с катодной струей, сквозь сетку вторичная плазма могла вытекать за пределы межэлектродного промежутка, давление вблизи катода уменьшилось соответственно тому, что получается в разряде со сплошным анодом при большем h (ср. 1 и 5, 4 и 6 на рис. 2, б). Работа выполнена при частичной поддержке Международного научного фонда и Российского правительства (грант N R5D000 R5D300) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 93-02-17416).
  • Kaneko E., Chshima I. // Proc. XV ISDEIV. 1992. Darmstadt (Germany). P. 747--755
  • Плютто А.М., Рыжов В.Н., Капин А.Г. // ЖЭТФ. 1964. Т. 47. Вып. 2. С. 494--507
  • Афанасьев В.П., Дюжев Г.А., Школьник С.М. // ЖТФ. 1992. Т. 62. Вып. 11. С. 80--82. Там же. 1993. Т. 63. Вып. 3. С. 34--50
  • Перский Н.Е., Сысун В.И., Хромой Ю.Д. // ТВТ. 1989. Т. 27. Вып. 6. С. 1060--1067
  • Логачев А.А., Чалый А.М., Школьник С.М. // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 11. С. 26--30
  • Sherman J.C., Webster R., Jenkins J.E., Holmes R.J. // Phys. D. 1975. Vol. 8. N 6. P. 696--702
  • Мицкевич М.К., Бушик А.И., Бакуто И.А. и др. Электроэрозионная обработка металлов / Под ред. И.Г.Некрашевича. Минск: Наука и техника, 1988. 216 с
  • Fang D.Y. // J. Phys. D. 1982. Vol. 15. P. 835--844
  • Fu Y.H. // Thesisis. Tech. Univ. Eindhoven (Nethterlands), 1990. P. 22--42
  • Gundlach H.C.W. // V ISDEIV. Poznan, 1972. P. 243--252
  • Chaly A.M., Logatchev A.A., Shkol'nik S.M. // XVI ISDEIV. Proc. SPIE 2259. 1994. P. 105--108
  • Galagher C.J. // J. Appl. Phys. 1950. Vol. 21. N 7. P. 768--771
  • Логачев А.А., Митрофанов Н.К., Циркель Б.И., Школьник С.М. // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 9. С. 78--82
  • Логачев А.А., Школьник С.М. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 4. С. 75--78
  • Logatchev A.A., Shkol'nik S.M. // Proc. 17-=SUP=-th-=/SUP=- ICEC. Nagoya (Japan), 1994. P. 907--914
  • Boxman R.L., Goldsmith S. // IEEE Trans. Plas. Sci. 1990. Vol. 18. N 2. P. 231-236
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.