1. Сильноточной вакуумной дугой (СВД) будем называть дуговой разряд в вакууме с током I>> I_п, т. е. разряд, в котором на катоде одновременно горит много катодных пятен (КП), I_п~ 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~ I_п) 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~ t^alpha· I^1/2. 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 V_x(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) V_k 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 V_k=V_k(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 N_a<= 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).

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.