2.3. Вакуумная дуга

Вакуумная дуга является специфическим плазменным объектом, в котором поддержание электрического разряда обеспечивается сильно ионизированной многокомпонентной неоднородной плазмой, образуемой в результате эрозии металлических электродов под воздействием тока разряда [2]. В отличие от других типов разряда она способна пропускать практически неограниченные токи, и характеризуется сравнительно малой разностью потенциалов на электродах и положительной вольтамперной характеристикой, а также при достижение порогового значения может погаснуть.

Вакуумная дуга состоит из трех основных участков. Один из них находится в прикатодной области и имеет вид ярко светящихся подвижных пятен - катодные пятна. Плотность тока в этих небольших пятнах очень высока ~10⁸А/см². Катодные пятна являются также источником направленных в сторону анода потоков положительных ионов и капель металла. Параметры ионной компоненты катодной плазмы (скорость v около 10⁶ см/с и средний заряд q = +1 - +3 при токах менее 1 кА) зависят только от вида материала катода [2]. Согласно модельным представлениям, ускорение ионов в режиме квазистационарного горения вакуумной дуги обусловлено в основном электрон-ионным трением в прикатодной области на расстоянии прядка 10 мкм.

Другой участок занимает область между катодом и анодом и имеет вид яркого диффузионного свечения - столб дуги. При сравнительно малых токах (I<1 кА) столб дуги характеризуется однородным распределением электрического поля с низким градиентом потенциала и занимает практически весь межэлектродный зазор - диффузная мода вакуумной дуги. В этом режиме горения дуги вблизи анода образуется слой пространственного заряда с положительным анодным падением потенциала - анодная область. В диффузной моде поведение вакуумной дуги в основном определяется прикатодной областью. С ростом тока происходит размножение катодных пятен путем деления. В результате катодные пятна занимают практически всю поверхность катода.

При увеличении тока происходит сжатие столба дуги под действием магнитного поля, формируемого собственным током разряда. Это приводит к возбуждению неустойчивой фазы развития, сопровождающейся высокочастотным шумом напряжения на дуге и образованием малоподвижных светящихся пятен на аноде - анодные пятна. В этом режиме значительная часть напряжения приходится уже на столб вакуумной дуги, а знак анодного падения меняется. Ток дуги, при котором возникают анодные пятна, существенно зависит от величины межэлектродного зазора и скорости нарастания тока. Различные режимы функционирования анодных пятен подробно рассмотрены в [3].

Существенно отметить, что в случае сильноточного разряда анодные пятна представляют собой расплавленные ванны металла, которые являются интенсивным источником металлического пара. Вследствие этого вакуумная дуга с анодным пятном характеризуется значительной эрозией электродов и пониженной отключающей способностью.

Уменьшить влияние этого эффекта на отключающую способность вакуумных дугогасительных камер можно путем формирования в межэлектродном зазоре поперечного радиального или продольного по отношению к току дуги магнитного поля [4]. В поперечном магнитном поле контрагированная дуга вращается с достаточно большой скоростью, что предотвращает создание интенсивных анодных пятен. Продольное магнитное поле затрудняет контрагирование, и дуга распределяется в ограниченной области межконтактного промежутка. Размеры основания дуги определяются индукцией магнитного поля и геометрией промежутка [5].

В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt > 2•10⁹ А/с и длине вакуумного промежутка d ~ 10 мм обнаружено фор-мирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. В работе [14] показано, что с увеличением di/dt > 10¹⁰ А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Там же впервые было установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах.

Вследствие малого расстояния между основными электродами сильноточная дуга в вакууме может существовать бесконечно долго при постоянном токе, если не применяется принудительное прерывание тока. При приближении тока дуги к нулю катодные пятна постепенно погасают, и дуга гаснет. Однако она гаснет не при нулевом, а при некотором конечном значении на спаде тока. Величину тока в момент, предшествующий его резкому спаду до нуля, называют током среза. Ток среза зависит от режима горения дуги и от материала электродов [6].

После нуля тока на вакуумном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Если скорость восстановления электрической прочности вакуумного промежутка превышает скорость нарастания напряжения, дуга не возникает вновь и цепь будет разорвана. При погасании дуги быстрое восстановление электрической прочности определяется, в частности, большой скоростью ухода и конденсации металлического пара в промежутке.