2.3 Особенности развития разряда в рву

Среди отмеченных выше способов инициации вакуумной дуги наиболее широкое распространение получила инициация вспомогательной искрой, которая генерируется в результате поверхностного пробоя диэлектрической вставки между управляющим и основным электродами. Элемент конструкции управляемого вакуумного промежутка включающий в себя управляющий электрод и диэлектрическую вставку мы в дальнейшем будем называть узлом поджига, как указано на рис. 2.4.

Развитие начальной фазы разряда, которая отсчитывается от момента поджига инициирующего разряда вплоть до перехода в дуговую фазу между стержнями электродов, существенно зависит от конструкции узла поджига, параметров тока поджига, а также от места расположения узла поджига: на катоде или на аноде. Но в данном случаи имеет смысл рассмотреть случай с расположение на катоде.

При поджиге на катоде развитие начальной стадии разряда определяется динамикой плазменного потока, генерируемого катодными пятнами, образованными вблизи узла поджига [7]. Концентрация плазмы в катодном плазменном потоке пропорциональна суммарному току, который включает в себя ток поджига и ток основного разряда. Время заполнения межэлектродного промежутка катодной плазмой является основной составляющей времени задержки включения вакуумного промежутка. На этой стадии развития разряда ток переносится электронами, эмитированными с периферийной границы расширяющейся катодной плазмы и ограничен проводимостью вакуумного зазора между плазмой и анодом в соответствии с «законом 3/2». При большой скорости нарастания тока концентрации частиц на эмиссионной границе плазмы может оказаться недостаточно для устойчивого токопрохождения, и эмиссионная поверхность катодной плазмы перейдет в режимы насыщения. В этом режиме ток эмиссии уже не может обеспечить тока, пропускаемого вакуумным зазором. Объемный заряд электронов перестает экранировать эмиссионную поверхность, и скорость ее расширения начинает замедляться под действием электрического поля. Этот процесс, как правило, сопровождается немонотонностью спада напряжения, и неравномерным поступлением плазмы из катодных пятен, что может быть обусловлено цикличностью образования эктонов [1].

При подходе эмиссионной поверхности к аноду завершается формирование проводимости плазменного столба, и сопротивление разрядного промежутка становится сравнимым с сопротивлением разрядного контура. В этот момент завершается спад напряжения, а скорость нарастания тока достигает своего максимального значения. Поэтому полное время задержки включения вакуумного промежутка мы определяем, как интервал времени между началом тока поджига и моментом достижения максимальной скорости нарастания тока. С увеличением тока поджига время задержки уменьшается и повышается устойчивость горения разряда.

При заданном межэлектродном зазоре d и оптимальной конструкции узла поджига существует минимальное время задержки включения t_з ~ d/v, определяемое подбором параметров тока поджига, где v - скорость катодной плазмы.

После завершения начальной фазы инициируемый разряд переходит в дуговую фазу, развитие которой имеет много общего по сравнению с неуправляемыми вакуумными промежутками (например, вакуумные дугогасительные камеры).

Одно из отличий заключается в режиме использования управляемых вакуумных промежутков, которые применяются как для коммутации длинных импульсов тока (несколько миллисекунд) при сравнительно малых скоростях нарастания тока dI/d < 10⁵ А/с, так и для коммутации импульсных токов с высокой скоростью нарастания dI/dt до 10¹¹ - 10¹² А/с.

В последнем случае на фронте тока могут возникать сильные неустойчивости, сопровождаемые резкими всплесками напряжения и обрывом тока [1]. В периоды кратковременных всплесков тока в ряде работ [8] регистрировались пучки ускоренных ионов материала катода, энергия которых достигала нескольких Мэв при напряжении разряда порядка сотен киловольт. Ускоренные ионы наблюдались на начальной стадии развития разряда в случае превышения током пороговой величины. В работе [8] показано, что средняя энергия ионов Cu+ практически линейно возрастает с увеличением dI/dt при превышении порогового значения ~ 10⁸ А/с. Максимальная энергия ионов тоже практически линейно растет с увеличением заряда.

Обнаружение указанных неустойчивостей свидетельствует о наличии в импульсных вакуумных разрядах дополнительных механизмов образования и ускорения многозарядных ионов. В качестве такого механизма в работе [9] предложен захват в глубокую потенциальную яму, которая формируется в движущемся фронте катодного плазменного потока при условии перехода эмиссионной поверхности в режим насыщения. В работе [10] аномальное ускорение ионов объясняется микропинчеванием расширяющейся катодной струи под действием сил магнитного сжатия. Быстрое локальное уменьшение сечения плазменного потока вызывает резкое увеличение плотности плазмы и температуры электронов, что приводит к увеличению среднего заряда ионов и формирует всплеск потенциала плазмы.

Возникновение рассмотренной неустойчивой фазы в начальной стадии сильноточного вакуумного разряда приводит к значительной эрозия узла поджига и основных электродов. Эти факторы существенно влияют на долговечность УВП и его отключающую способность в нуле тока.

При малых dI/d (например, при коммутации тока промышленной частоты) на начальном участке фронта тока возможен срез тока, что может привести к отказу включения УВП. Это обстоятельство следует учитывать при выборе параметров инициирующего разряда. К сожалению, нам неизвестно о работах, посвященных исследованию инициирующего разряда в таком режиме.