Чистяков Ч3

второго рода, которые движутся намного медленнее. В пятнах наблюдается очень

высокая концентрация тяжелых заряженных частиц (до 6 1017 см-3) , в том числе имеются и двухзарядные ионы.

Если в катодной области дуги приложить внешнее магнитное поле, направленное параллельно поверхности катода, то пятна будут двигаться в направлении противоположном закону Ампера. Это «обратное движение» указывает на то, что пятно дуги с испаряющимся катодом - не чисто электродинамическое явление. Известны также данные об эрозии материала катодов при дуговом разряде, степени ионизации плазмы пятна. Ионный ток в пятне по данным работы [25] составляет 3–10% от полного тока.

Другой весьма важный факт - существование нижней и верхней границы тока пятна. Наименьший возможный ток - от долей ампера до нескольких ампер. Если ток превосходит верхнюю границу (от 10 до 300 А в зависимости от материала катода), то быстро возрастает вероятность деления пятна на два отдельных пятна, движущихся независимо друг от друга. При высоких токах (килоамперах и более) существует одновременно много пятен, каждое из которых переносит одинаковый средний ток. При еще больших токах возникает дуга с контрагированным столбом плазмы без отдельных пятен.

2. Формирование дуги. Сверхплотный тлеющий разряд

Методы возбуждения дуги рассматриваемого типа перечислены в Конспекте лекций по физической электронике (ч. II). Очевидно, что в процессе формирования дуги должны развиваться процессы, которые в дальнейшем поддерживают существование пятна дуги. Поскольку эти процессы полностью еще неизвестны, то, конечно, и описание механизма формирования дуги встречает затруднения.

В ряде случаев важным переходным процессом при формировании дуги оказывается тлеющий разряд с высокой плотностью тока – сверхплотный тлеющий разряд [26]. Эта форма разряда отличается большой плотностью тока (до 50 А/см2 и более) и одновременно высоким падением напряжения у катода, составляющим несколько сот вольт. Разряд возникает в катоде полой формы. В случае чашеобразного или цилиндрического полого катода разряд легко возникает, например, при следующих условиях: диаметр катода и его глубина - несколько сантиметров, давление газов в диапазоне от нескольких сотых долей до 1 мм рт.ст.

41

Разряд является импульсным и в дальнейшем легко переходит в дугу, отсюда все электрические характеристики измерялись в импульсном режиме. На рис. 17 показаны осциллограммы тока и напряжения разряда, полученные для гелия. Несмотря на то что ток достигает очень большой величины 350 А, падение напряжения также оказывается высоким, около 900 В. С увеличением тока напряжение на разрядном промежутке, как это видно из рис. 18, медленно понижается, оставаясь для неона не ниже 200 В.

Методом скоростной фотосъемки были получены снимки полости цилиндрического катода при горении сверхплотного тлеющего разряда. У поверхности катода был обнаружен яркий кольцевой слой (отрицательное свечение) шириной в несколько миллиметров; вся середина полости катода оказалась при этом заполненной равномерным, но значительно более слабым свечением. Тонкий слой положительного объемного заряда у катода (темное пространство) на снимках не был обнаружен, он несомненно существует, но его толщина, вероятно, составляет не более 0,1 мм, т.е. оказывается меньшей средней длины свободного пробега электронов и ионов при рассматриваемых давлениях газов. В этом случае в области падения потенциала не могут возникать электронные лавины. Вся ионизация и возбуждение атомов электронами происходят в ярком светящемся кольце – отрицательном свечении. Образующиеся положительные ионы ускоряются в области падения и дают ионноэлектронную эмиссию из катода. Условие самостоятельности для такой формы разряда

выходящих в направлении катода из отрицательного свечения, к числу электронов, входящих в эту область.

42

Рис. 17. Осциллограммы напряжения и тока сверхплотного тлеющего разряда. Гелий, р = 0,2 мм рт.ст.

Рис. 18. Область импульсных вольт-амперных характеристик сверхплотного тлеющего разряда. Неон, p = 0,2-1 мм рт.ст.

43

0,1–0,3, то δ1 достигает нескольких единиц и плотность ионного тока на катод оказывается чрезвычайно велика. При этом весьма усиливается ионное распыление материала катода, и разряд фактически происходит в смеси газа, которым заполнен промежуток, и пара материала катода. При увеличении тока роль металлического пара в разряде возрастает. Создаются условия, при которых достаточно легко осуществляется стягивание разряда в пятна дугового разряда. Если на каком-то участке катодное распыление в сверхплотном тлеющем разряде окажется более интенсивным, то ток разряда начнет стягиваться в эту область, так как атомы металла ионизируются легче атомов газов; за этим последует дальнейшее усиление испарения участка катода, уплотнение прикатодной плазмы, что в свою очередь вызывает резкий рост поля у катода, появление автоэлектронной эмиссии и катодных пятен дуги.

В работах по мощным коммутирующим приборам дугового разряда, работающим при весьма низких давлениях газа (р = - 0,01–0,2 мм рт.ст.), отмечается, что появление сверхплотного тлеющего разряда при полом катоде весьма облегчает формирование дуги с испаряющимся катодом. При плоских параллельных электродах обнаружить сверхплотный тлеющий разряд не удалось.

3. Катодные процессы дуги

Несмотря на возможность построения теории области пятна дуги с испаряющимся катодом для стационарного случая, в которой были бы учтены все основные процессы, рассматриваемые при составлении баланса мощностей на катоде ( Конспект лекций по физической электронике Ч. II, Гл. 2), имеется ряд упомянутых явлений, которые не укладываются в эту теорию. Непрерывное перемещение пятна, наличие быстрых флуктуаций напряжения и тока, нестационарность плазменных сгустков, наличие в пятне двукратно и даже многократно заряженных ионов, а также плазменных струй из пятна, что не согласуется с результатами расчета температуры плазмы, показывают, что механизм пятна этого вида дуги основан на нестационарных процессах, которые подобная теория не рассматривает.

Имеется также и другое соображение, которое противоречит модели стационарного пятна дуги этого типа в виде неподвижного круга на плоскости. После того как пятно прошло по поверхности катода, последняя расплавляется и сильно изменяется, появляются многочисленные неровности - острия и углубления.

Следствием возникновения весьма неровной поверхности является усиление

44

автоэлектронной эмиссии на остриях и выступах и электроразрядные процессы в углублениях – полостях. Электронные и ионные токи становятся неоднородными, что интенсифицирует процессы, протекающие на участках с усиленными полями и плотностями токов.

Существенно совершенствует модель катодного пятна дуги с испаряющимся катодом учет влияния флуктуационных явлений и в первую очередь взрывной эмиссии, что и сделано в ряде работ советских и зарубежных ученых. Описание явлений в пятне содержится также в недавно опубликованной работе [23] .

При взрыве острий образуется большое количество свободных электронов и

ионов за очень короткое время( 10−10c ), а также происходит интенсивное испарение материала катода. Только за счет взрывов микроострий можно объяснить формирование движущихся дуговых пятен на тугоплавких металлах ( W , Mo и др.), этим же явлением объясняются флуктуации напряжения дуги, повторяемость процесса формирования дугового пятна, состоящего из быстро изменяющихся микропятен или ячеек.

Представление об основной роли микровзрывов в пятне вызывает естественный вопрос: имеющиеся острия разрушаются при микровзрывах, а как они воспроизводятся? Для постоянного функционирования пятна при этой модели необходим механизм их постоянного восстановления.

Одним из возможных процессов образования выступов внутри пятна является следующий: на поверхности пятна за счет нагрева протекающим током образуется расплавленная оболочка металла; плотный поток ионов, бомбардирующих пятно, оказывает сильное давление на эту оболочку и отжимает жидкий металл к краям. Таким путем формируются кратеры. Скорость перемещения металла к краям по оценкам

составляет около 102 м/с. При таких скоростях расплавленный металл частично выплескивается из области пятна и под действием поверхностного натяжения образует капли по форме близкие к сферическим. Определенные на опыте размеры капель, скорости и направления полета хорошо согласуются с этими соображениями и оценками, например в случае капель диаметром порядка микрон скорости оказались в диапазоне 0,2– 5 ·102 м/с.

С помощью этой модели автор работы [23| следующим образом объясняет появление острий внутри пятна и на его границах: из-за вязкости жидкого металла и его поверхностного натяжения выплески поднимаются над пятном и образуют металлический фонтан, струи этого фонтана вытягиваются и, наконец, разрушаются с

45

отделением капель. В месте разрыва струи на время 10-10–10-9 с остается очень острый выступ (при больших временах этот выступ округляется за счет поверхностного натяжения) и этого времени достаточно, чтобы произошел взрыв образовавшегося острия или группы острий. Особенно интенсивный взрыв острия на краях пятна сдвигает все пятно и его плазменное облако к месту взрыва, так как там и формируется наиболее плотная плазма и ток наивысшей плотности. Это дает возможность объяснить стохастическое движение дугового пятна и из приближенных расчетов получить его среднюю скорость. Следует добавить также, что если на поверхности металлического катода уже имеется структура, усиливающая процессы эмиссии (например, хребет или трещина), или прикладывается внешнее магнитное поле, то на стохастическое движение частично накладывается направленное движение пятна.

Следует отметить, что хотя модель пятна дуги, основывающаяся на взрывной эмиссии, хорошо согласуется с результатами экспериментов, непосредственное наблюдение эмиссии в условиях постоянно действующего пятна, до сих пор не выполнено, так как задача очень трудна. В этих условиях полезно получение и косвенных данных, например результатов наблюдения структур поверхностей металлов, образовавшихся после горения дуги в течение определенного времени. В работах, выполненных в последние годы с использованием электронного микроскопа, приводятся серии картин поверхности, на которых получились тонкие выплески металла с небольшой каплей на конце, готовой оторваться от струи; в результате этого отрыва будет воспроизведено острие, необходимое для дальнейшего развития взрывных процессов.

Кроме взрывов острий имеются также стационарное испарение и эмиссия электронов со всей поверхности пятна. Связь между стационарными и нестационарными процессами очень различна в зависимости от катодного материала и тока пятна. Роль взрывных процессов увеличивается с увеличением энергии испарения и уменьшением тока разряда.

Необходима количественная разработка моделей катодного пятна, основывающихся на взрывной эмиссии, и можно ожидать появления в ближайшие годы подробных работ по этому вопросу. Очень важной является также проблема катодного пятна контрагированной сильноточной дуги с испаряющимся катодом, в котором отсутствуют отдельные элементарные пятна; по-видимому, она соответствует импульсной термоэлектронной дуге при высоком давлении газа или пара, однако процессы, ее составляющие, известны недостаточно, например соотношение различных

46

видов эмиссий термоэлектронной, автоэлектронной и взрывной, и теория не разработана.

Дуга с испаряющимся катодом широко используется в коммутирующих

приборах, рассчитанных на токи в диапазоне 103–106 А с жидким и твердым катодом. Отсюда исследование этого явления интересно не только для физики, но и для приборов и установок мощной импульсной техники.

47

ГЛАВА V

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ВАКУУМА ПРИ ВЫСОКОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ (5 7)106 В/см

1.Введение

ВКонспекте лекций по физической электронике (Ч. II, Гл. III) изложены основные факторы, приводящие к нарушению электрической прочности вакуума, а также гипотезы механизма пробоя. Отмечено, что очистка поверхностей электродов, устраняющая участки поверхности с малой работой выхода, а также тонкие пленки или локальные включения диэлектриков или полупроводников приводят к увеличению электрической прочности промежутков. В том же направлении влияет и устранение микронеровностей и острий на поверхности катода, что приводит к уменьшению локальных электрических полей и токов автоэлектронной эмиссии. Проведение этих мер позволяет увеличить электрическое поле, при котором еще не появляются заметные токи в вакууме, в несколько десятков раз.

Одним из примеров работ, в которых была достигнута высокая электрическая прочность вакуумного промежутка, были работы [27, 28]. В этих работах было показано, что при использовании одновременной очистки обоих электродов вначале электронной бомбардировкой, затем ионной в тлеющем разряде в инертном газе и контроля состояния поверхности этих электродов по экзоэлектронной (послеразрядной)

эмиссии можно получить долговременную электрическую прочность вакуума

7 105 В/см при промежутке 1 мм и (1 2) 106 В/см для промежутка 0,1–0,2 мм. Критерием нарушения электрической прочности являлось возникновение тока автоэлектронной эмиссии 0,1–1 мкА. В этих исследованиях осталось невыясненным, при каком электрическом поле происходит первый полный пробой вакуума, т.е. возникает вакуумная дуга, и каков при этом характер изменения тока в вакуумном промежутке, что может дать сведения и о механизме пробоя. В настоящей главе рассмотрены эти вопросы, одновременно более подробно описаны конструкция и технология обработки экспериментальных приборов.

2. Методика экспериментов

Экспериментальный прибор, показанный на рис. 19, содержит два идентичных

молибденовых электрода диаметром 15 мм, выполненных в форме электродов

48

Роговского. В приборе имеется сильфонное устройство, которое позволяет изменять расстояние между электродами до 10 мм и установить его с точностью до 0,01 мм.

Для прогрева электродов электронной бомбардировкой в прибор введен дополнительный электрод - вольфрамовая спираль. Эта же спираль является анодом в случае обработки электродов тлеющим разрядом. При обоих видах обработок основные электроды промежутка электрически объединяются и очищаются одновременно и в равной степени. Для того чтобы при обработке сконцентрировать аномальный тлеющий разряд на основных электродах и ближайших к ним участках поддерживающих стоек, на последних были расположены стеклянные трубочки (рис. 19), которые препятствовали распространению тлеющего разряда на отдаленные участки стоек и металлическую поверхность сильфона.

Статические вольт-амперные характеристики промежутков измерялись при помощи высоковольтного выпрямителя с напряжением до 40 кВ и пульсациями при токе 30 мкА не более 0,3%. При измерениях ток в вакуумном промежутке ограничивался балластным сопротивлением в 1100 мОм. Импульсные характеристики измерялись при помощи двухлучевого осциллографа ОК-17М и генератора, дающего одиночные импульсы напряжения с амплитудой до 50 кВ. Форма импульса напряжения показана на рис. 20. Общая электрическая схема регистрации импульсов напряжения и тока приведена на рис. 21. Осциллограммы фотографировались на пленку чувствительностью 250 ед. ГОСТа.

Эксперименты по пробою вакуума проводились с электродами, прошедшими интенсивную электронную и ионную очистку, критерием достаточной очистки, как и в предыдущих работах[27, 28], считалось исчезновение экзоэлектронной (послеразрядной) миссии электронов из поверхности электродов.

Откачка экспериментального прибора производилась на безмасляной вакуумной установке. Вначале прибор прогревался печью до 450°С в течение 10 ч, далее электроды прокаливались электронной бомбардировкой до 950°С в течение 8 ч. При

этих операциях давление остаточных газов в системе не поднималось выше 5·10−6 мм рт.ст. В конце процесса электронной бомбардировки при температуре электродов

950°С давление составляло 10−6 мм рт.ст. и после охлаждения электродов до

комнатной температуры 10−7 мм рт.ст.

49