Чистяков Ч3

Вслучае, если электрод с малым радиусом кривизны является анодом, то корона называется положительной, и во внешней области короны протекает в основном ток положительных ионов, при противоположной полярности электродов корона называется отрицательной, и во внешней области протекает или ток отрицательных ионов (для большинства паров и газов), или ток электронов (для тех газов, которые не образуют отрицательных ионов). Так как коронный разряд формируется достаточно четко только при средних и высоких давлениях газа, то электроны при этих условиях испытывают достаточно большое число соударений с молекулами электроотрицательных газов для того, чтобы образовались отрицательные ионы.

Весьма важным является вопрос о том, каков источник начальных токов электронов, которые затем усиливаются за счет электронных лавин в коронирующем слое.

Вотрицательной короне таким источником является эмиссия электронов из катода при попадании на него положительных ионов и фотонов из коронирующего слоя, где последние образуются в достаточном количестве. В положительной короне электроны, которые подходят к внешней границе коронирующего слоя, могут образовываться за счет следующих процессов:

1) в газе, где не происходит ионизация собственным излучением, например в водороде, электроны, по-видимому, должны образовываться только на катоде за счет ионно-электронной эмиссии и фотоэффекта от фотонов, создающихся в коронирующем слое. Далее эти электроны под действием поля или в свободном виде, или в связанном (в виде отрицательных ионов, если в рассматриваемом газе эти ионы образуются) проходят всю внешнюю область короны и подходят к границе коронирующего слоя. Здесь часть отрицательных ионов распадается при столкновениях

всильном поле, и образовавшиеся электроны, так же как и те, которые не поглощались электроотрицательными молекулами, дают электронные лавины;

2) в газах, где происходит ионизация собственным излучением, основное количество электронов образуется в газе внешней области короны и часть, повидимому, на катоде. Далее эти отрицательно заряженные частицы движутся во внешней области короны до ее границы с коронирующим слоем, и свободные электроны или те, которые образовались при распаде отрицательных ионов в коронирующем слое, дают электронные лавины.

32

2. Начальное напряжение короны

Коронный разряд возникает при некотором начальном напряжении, которому отвечает начальная напряженность у электрода, имеющего малый радиус кривизны (коронирующий электрод). Начальное напряжение короны является напряжением частичного пробоя промежутка при наличии сильно неоднородного электрического поля и высокого давления газа.

Напряжение пробоя при любой системе электродов можно получить на основе лавинной теории из условия самостоятельности разряда, записанного для случая неоднородного поля в промежутке. Например, для системы электродов в виде двух коаксиальных цилиндров - внешнего радиусом R и внутреннего радиусом r0 - это условие имеет вид

Считая, что неоднородность поля не слишком велика, и по всей длине промежутка электроны имеют одну и ту же функцию распределения по скоростям и

E

одну и ту же зависимость α = f рассчитаем начальные параметры короны

p

Uk = Uпр и EК . Из соотношения (13) имеем

случае расчета напряжения пробоя, для системы плоских параллельных электродов

положительной короны оказалась больше.

3. Вольт-амперная характеристика

Рассмотрим задачу о вольт-амперной характеристике короны для того же случая электродов - коаксиальных цилиндров. С целью упрощения задачи будем считать

R r0 и давление газа достаточно высоким, что позволяет пренебречь падением напряжения в коронирующем слое по сравнению с падением во внешней области короны и рассматривать только последнее. В этом случае задача сводится к задаче о вольт-амперной характеристике внешней области короны.

Ток на единицу длины цилиндрических электродов

Изменение потока вектора Е в кольцевом слое объемного заряда единичной длины и толщиной dr согласно теореме Гаусса составляет

2π(E + dE)(r + dr)− 2πrE = −4πρ2πrdr .

Подставим выражение для ρ (18) и получим

превращается в горизонтальную прямую. Таким образом, по мере роста тока во внешней области короны происходит постепенный переход к постоянной напряженности поля, характерной для промежутков с плоскими параллельными электродами.

35

Рис. 15. Зависимости электрического поля от радиуса для коаксиальной цилиндрической системы электродов при различных токах коронного разряда

Рис. 16. Вольт-амперная характеристика коронного разряда

36

Из соотношения для поля (19) вольт-амперная характеристика получается

радиус внешней границы коронирующего слоя, отсюда соотношение (19) изменится

объемный заряд внешней области короны постоянно ограничивает ток. Формула (24) справедлива при небольших токах короны, ее график приведен на рис. 16.

При значительном возрастании тока короны в промежутке происходит перестройка объемного заряда - напряженность поля у электрода с большим радиусом кривизны увеличивается, и распределение поля в промежутке выравнивается.

Область ионизации газа, ранее сосредоточенная в тонком коронирующем слое, постепенно расширяется и распространяется вплоть до поверхности электрода с большим радиусом кривизны, после чего возникает полный пробой промежутка и формируется тлеющий разряд.

Для короны в большинстве газов при определенных токах возникают прерывистые явления, связанные с возникновением стримеров, при слабых токах корона носит стационарный характер и основана на образовании обычных электронных лавин. Для начальных напряжений короны и всего участка вольт-амперной характеристики, исключая участок прерывистых явлений, справедливы законы подобия, использование которых позволяет в одной зависимости связать большое число параметров. Например, для системы коаксиальных цилиндров связываются

коронного разряда в тлеющий и p(R−r0 ) и т.д.

4. Применение коронного разряда

Коронный разряд имеет следующие важные применения:

-поскольку корона является источником униполярного тока ионов, то она может использоваться для нанесения зарядов на диэлектрик. Например, коронный разряд применяется для нанесения на диэлектрическую ленту транспортера зарядов в высоковольтных электростатических генераторах напряжения, используемых для линейных ускорителей [21] ;

-тот же эффект зарядки мелких частиц диэлектрика - пылинок во внешней области коронного разряда используется в электрофильтрах. Заряженные пылинки движутся в электрическом поле и накапливаются около электрода с противоположной полярностью. Этим достигается очистка газов от пыли [20];

-корона является эффективным средством для стабилизации высоких напряжений. Если подобрать систему коаксиальных цилиндров при отношении R /r0 =

5–10, то в среде водорода вольт-амперные характеристики оказываются достаточно

38

пологими с небольшим дифференциальным сопротивлением RД = dU / dI . Начальное напряжение UK согласно формуле (16) может быть сделано достаточно большим путем увеличения давления газа р и радиуса внутреннего электрода r0 .

Имеются стабилитроны коронного разряда на напряжения до 30 кВ и токи до нескольких миллиампер. Стабилизация напряжения путем использования промежутков с коронным разрядом применяется также в электростатических генераторах для ускорителей [21].

Наконец, коронный разряд должен учитываться как фактор, приводящий к утечке зарядов в высоковольтных линиях передач, а также во всех высоковольтных электрических схемах. При построении этих устройств должны быть приняты все возможные меры для устранения короны. В частности, на металлических проводниках и электродах должны быть устранены острия и неровности, приводящие к короне, диаметр проводов и вводов должен быть выбран достаточно большим.

39

ГЛАВА IV

ОМЕХАНИЗМЕ КАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДУГИ

СИСПАРЯЮЩИМСЯ КАТОДОМ (ВАКУУМНОЙ ДУГИ)

1. Общие сведения

Как было указано в Конспекте лекций по физической электронике ( ч . I I г л I I ) , картина процессов в пятне термоэлектронной дуги в основном выяснена, в то время как механизм катодного пятна электрической дуги с испаряющимся катодом оставался в течение длительного времени недостаточно ясным, и лишь за последние десятилетия произошло продвижение в решении этой сложной проблемы. В настоящей главе расширяются представления о дуге этого типа и сообщаются результаты новых исследований.

Напомним некоторые особенности катодных явлений дуги [22, 23]. Наиболее яркой особенностью является формирование катодных пятен - одной или нескольких небольших светящихся областей на поверхности катода, которые быстро движутся в случайных направлениях. При своем движении по твердому катоду эти пятна в местах, по которым они прошли, оставляют расплавленный и деформированный материал, а также отдельные расплавленные участки - кратеры. Диаметры пятен в большинстве случаев составляют от 1 до 100 мкм, а плотность тока в наименьших пятнах

(элементарных ячейках) доходит до 108 А/см2. В пятнах происходят процессы их деления и распада, что вызывает непрерывное перераспределение тока в катодной области дуги, но в среднем ток стационарной дуги неизменен.

Кроме электронов пятно является также источником металлического пара, который, несмотря на низкую температуру пятна дуги некоторых металлов (например, для ртути 600 К), испускается в виде струи, движущейся с неожиданно большой

скоростью, порядка 108 А/см2. Одновременно со струей металлического пара, который в значительной степени ионизован (плазменная струя), из пятна испускается значительное количество материала катода в виде капель различного размера от десятых долей до 20 мкм и более. Следует также отметить, что напряжение дуги подвержено непрерывным колебаниям, и это является, очевидно, необходимым для поддержания эмиссий электронов из пятна на необходимом уровне.

В работе [ 24] найдено два различных вида пятен; пятна первого рода движутся

очень быстро (>103 м/с) и переходят по истечении времени порядка 10−5с в пятна

40