Чистяков Ч2

4. Несамостоятельный дуговой разряд

Основное отличие одного вида дуг от другого заключается в способе генерации электронов и ионов, а также в том, каким образом создается среда нейтрального газа или пара и какие ее основные данные (давление, распределение плотности и т.д.).

Поскольку генерация заряженных частиц и процесс создания среды нейтрального газа (для дуги с испаряющимся катодом) происходят в катодной части дуги, то виды дуг отличаются один от другого в основном процессами в катодной части. При несамостоятельном дуговом разряде электроны, в количестве, достаточном для обеспечения тока внешней цепи, поступают в среду газа за счет источника мощности, не связанного с механизмом самого разряда. Источником электронов может быть, например, термоэлектронный катод, накаливаемый от независимого источника мощности. В этом случае мощность, передаваемая от области разряда катоду, может быть меньше, чем при термоэлектронной дуге и катодное падение - ниже.

Однако это падение потенциала должно обеспечивать образование в газе положительных ионов в достаточном количестве для создания в пространстве между анодом и катодом плазмы – газового проводника, соединяющего катодную и анодную области дуги.

Для того чтобы произошла ионизация энергия электронов должна быть не менее энергии ионизации eUi при однократных ударах и не менее eUВ1 при ступенчатой ионизации; при этом UВ1 – потенциал возбуждения уровней, на которых может находиться большое число атомов в разряде (например, это могут быть уровни метастабильных атомов). При накаленном катоде и значительных токах эмиссии j ~ 1 А/см2 ступенчатая ионизация атомов электронами вполне возможна, следовательно, можно ожидать, что величина падения потенциала у катода UK в несамостоятельной дуге будет близка к нижнему потенциалу возбуждения данного газа. Это предположение оправдывается, так как начальные энергии термоэлектронов, покидающих катод, невелики.

Вольт-амперная характеристика несамостоятельной дуги приведена на рис. 20. На участке 0–1 напряжение еще слишком мало, чтобы возникла ионизация газа. Здесь ток ограничивается пространственным зарядом электронов, эмиттируемых катодом.

При напряжении UЗ происходит «зажигание» разряда, в промежутке возникает свечение газа, и напряжение между электродами скачком понижается.

Это понижение приписывается процессу ступенчатой ионизации метастабильных атомов, а также произошедшей в промежутке перестройке объемного

41

заряда в связи с формированием плазмы. Плазма занимает теперь все пространство между электродами, за исключением, весьма тонкого слоя объемного заряда у катода. На участке 2–3 характеристики электронный заряд у катода еще не исчерпан, одновременно ионы в достаточном для компенсации электронного заряда количестве возникают в области плазмы, расположенной вблизи катода. В точке 3 ток внешней цепи становится равным эмиссионному току и его дальнейший рост на участке 3–4 возможен только при увеличении напряжения. При этом основная часть напряжения ложится на область у катода, энергии ионов увеличиваются и возрастает нагрев катода, что приводит к увеличению его эмиссии. Режим работы катода, когда ток I внешней цепи превосходит ток эмиссии IЭ называется несвободным режимом. Если продолжать увеличивать ток, то электроны из катода все в большей степени начинают эмитироваться в результате действия ионов на катод.

В некоторых случаях внешний источник мощности, питающий катод, можно отключить, и далее катод будет работать как самокалящийся, возникает катодное пятно и разряд перейдет в режим самостоятельной дуги. При активированных катодах ионных приборов не рекомендуется использовать несвободный режим, так как при этом происходит усиленная бомбардировка ионами катода и из-за катодного распыления может быть сбит слой активирующего вещества, что увеличивает работу выхода катода и резко снижает эмиссию.

Для чисто металлических катодов (вольфрамового и др.), используемых, например, в ионных источниках, несвободный режим допустим, хотя при этом и появляется заметное распыление катода, что приводит к сокращению его срока службы.

Для различных газов и паров был найден режим низковольтной дуги, при котором напряжение между катодом и анодом (напряжение горения) оказалось меньше первого потенциала возбуждения атомов. Например, для аргона UВ = 11,5 В , напряжение горения UГ составляло 3–5 В, для ртути UВ = 4,9 В, UГ = 1,7 В и т.д., известны также случаи горения дуги этого при отрицательном потенциале на аноде*.

[* Этот случай имеет место в термоэлектронных плазменных преобразователях энергии. ]

42

Рис. 20. Вольт-амперная характеристика несамостоятельной дуги

Рис.21 Распределение поля в промежутке при низковольтной дуге

43

Эта особенность низковольтной дуги была объяснена после того, как для исследования вопроса был применен метод холодных зондов (Конспект лекций. Ч. 1, гл. IV). При помощи этого метода был измерен ход потенциала в промежутке между катодом и анодом (рис, 21 кривая 1). Оказалось, что около катода образуется область с потенциалом очень близким к первому потенциалу возбуждения UВ1 и высокой концентрацией заряженных частиц, по направлению же к аноду потенциал падает иногда даже на несколько вольт. От этой области к аноду электроны движутся против поля из-за диффузии. Однако это распределение поля имеет место только тогда, когда ток эмиссии катода значительно превосходит ток внешней цепи. Если этот ток растет, то постепенно выравнивается и распределение потенциала (кривые 2–4 на рис. 2l).

5. Положительный столб дуги

Столб не столь специфичен для тлеющего и дугового разряда, как катодные части. Он зависит не столько от способа извлечения электронов из катода, как от давления газа или пара, плотности тока и конфигурации оболочки прибора, окружающей столб.

Для термоэлектронной дуги, протекающей в газе, давление которого велико (порядка атмосферы), характерно возникновение стянутого столба, плазма которого отделилась от стенок, имеет вид шнура большой яркости, связывающего электроды. В столбе из-за протекающего тока высокой плотности выделяется большая мощность в единице объема, которая в основном переходит в излучение и частично идет на нагрев газа. Соответствующий баланс энергии для отрезка столба длиной 1 см и радиусом R

где I - ток столба; E - градиент потенциала в столбе; E(T) - потери на излучение; Λ -

теплопроводность, зависящая от температуры.

Уравнение (37) - сложное, но при упрощающих предположениях в некоторых случаях, может быть решено до конца. Из типичных случаев следует отметить разряд в парах ртути и натрия, где большая часть энергии идет на излучение и разряд в инертных и молекулярных газах, где преобладают потери из-за теплопроводности газа и конвекции. При стационарном режиме столба его температура на оси разряда составляет от 5000 до 50000 К, т.е. значительно превосходит температуру электродов. Плотность тока j = 1–102 А/см2. При этом в столбе существенное значение

приобретают процессы ступенчатой и термической ионизации.

44

Так как давление газа или пара велико, то число столкновений электронов с атомами, молекулами и ионами также велико, и осуществляется полный обмен энергиями между этими частицами (при низких величинах Е/р). Таким образом, в плазме устанавливаются равные температуры электронов, ионов и нейтральных атомов. Такая плазма называется изотермической.

Столб дуги с испаряющимся катодом при отсутствии газа в промежутке определяется плотностью пара металла катода, а также размерами той части прибора, в которой столб располагается. Для распространенного случая ртутной дуги столб поддерживается при давлении пара от 10-4 до 10-1 мм рт.ст. При этом столб заполняет все пространство вплоть до стенок и имеет сравнительно небольшую яркость. Полный обмен энергиями между электронами и тяжелыми частицами не успевает произойти, и температура электронов более высокая, чем ионов или нейтральных атомов. Это характерно для значительных величин Е/р.

Положительный столб несамостоятельной дуги не имеет специфических особенностей и в зависимости от тех же условий (давления газа или пара, геометрии оболочки прибора, плотности тока) может иметь форму близкую или к стянутому столбу, оторванному от стенок, или к диффузному столбу, плазма которого находится в тесном контакте с диэлектрическими стенками. Для практики важным случаем столба является столб в капилляре диаметром порядка миллиметра в инертном газе (аргоне) при j порядка 102–103 А/см2 и p = 0,1 - 1 мм рт.ст., который используется в ионных квантовых генераторах (лазерах).

Столбу электрического разряда в газах посвящено большое число работ [7, 10– 12]. Многие его вопросы тесно связаны с общей физикой плазмы. Сюда относятся вопросы колебаний и волн в плазме, взаимодействия электромагнитных волн с плазмой, ближние и дальние взаимодействия, плазма в магнитном поле, явления переноса, неустойчивость плазмы, ее излучение и т.д. Для ознакомления с этим разделом можно рекомендовать книги [13–15].

Работы по физике плазмы были стимулированы проблемой получения управляемой термоядерной реакции [l6].

6. Анодная область

Анод, помещенный в плазму столба, принимает ток заряженных частиц в точности равный току внешней цепи. Для объяснения явлений в анодной области в первом приближении можно использовать следующую модель: на анод, из-за

45

хаотического движения в плазме столба попадает ток электронов jХАОТ Sa , где jХАОТ - плотность хаотического тока электронов плазмы; Sа - площадь анода. Анодное падение Ua, а также его знак различны в зависимости от того, в каком соотношении этот ток находится с током внешней цепи I. В случае, если

плазма при нулевом напряжении на аноде не может обеспечить необходимого тока внешней цепи. Тогда увеличивают общее напряжение на разрядном промежутке, которое в основном ложится на анодную область, и образуется положительное анодное падение потенциала.

Поле анода проникает глубже в плазму, эффективная поверхность S’a увеличивается настолько, что могло бы стать справедливым равенство jХАОТ S’a = I. Однако до того как будет выполнено это соотношение, около анода из-за ускорения электронов в положительном анодном падении образуются положительные ионы, далее происходит пробой области отрицательного объемного заряда перед анодом, и анодное падение не возрастает. Поступление положительных ионов улучшает компенсацию объемного заряда электронов у анода, и плотность электронного тока на анод ja оказывается много большей jХАОТ.

Таким образом, картина, описываемая простой моделью и соотношением (38), справедлива лишь в весьма ограниченных пределах, пока не возникает пробой слоя отрицательного объемного заряда у анода и не изменится сама плазма, окружающая анод.

Согласно той же простой модели, если jХАОТ S’a > I, то возникнет отрицательное анодное падение, однако и здесь роль анода не является пассивной, как это предполагается простой моделью, а анод воздействует на окружающую его плазму.

Исследование анодной области разряда при низких давлениях от 10-4 до 0,1 мм рт.ст. [17], что близко к условиям работы анода при дуге с испаряющимся катодом, показало, что знак анодного падения определяется условиями генерации и исчезновения положительных ионов в анодной области. Во всех случаях должна образоваться концентрация положительных ионов, достаточная для нейтрализации объемного заряда электронов, переносящих разрядный ток на анод. Условия, благоприятствующие образованию положительных ионов, приводят к равным нулю или отрицательным анодным падениям. При неблагоприятных условиях для образования положительных ионов формируется положительное анодное падение.

Приведем некоторые результаты опытов, подтверждающие это положение. При аноде малых размеров всегда возникает положительное анодное падение. Полый анод,

46

полость которого заполнена положительными ионами, дает отрицательное анодное падение вплоть до давления, после которого начинается стягивание разряда в шнур. Плоский торцевой анод, заполняющий все сечение разряда при давлениях, больших 10-2 мм рт.ст., дает положительное анодное падение.

Следует отметить также случай, который может иметь место при сильном нагреве анода, как, например, в термоэлектронной дуге с анодом, расположенным близко к катоду. В этом случае материал анода испаряется и ионизируется электронами в анодном падении. Так как потенциал ионизации наполняющего газа выше потенциала ионизации атомов материала анода, то можно ожидать понижений анодного падения по сравнению с тем, когда испарение материала анода не происходит.

Дуговой разряд имеет широкое применение. Сюда относятся сварка и плавление металлов, использование столба дуги в источниках света высокого и сверхвысокого давления и газовых лазерах, применение дуги для выпрямления тока в приборах - экзитронах, игнитронах и плазменных вентилях - и несамостоятельной дуги в мощных тиратронах, а также в ионных источниках.

47

ГЛАВА III ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ВАКУУМА

1. Условия возникновения предпробойных токов

Пробой вакуума происходит при том условии, что средний свободный пробег электронов или ионов больше расстояния между электродами; в этом случае лавинные процессы в промежутке при участии электронов или ионов не могут происходить и, следовательно, ток самостоятельного разряда не может возникнуть из-за этих процессов.

Обычно при электродах, выполненных из металлов, имеющих работу выхода около 4 эВ (к этой группе относится большинство металлов, используемых в электровакуумной технике, таких, как Си, Fe, Ni, Mo, W и др.) и промежутке до 1 см, заметные токи в вакууме не появляются, если электрическое поле не превышает 104 В/см. В этом случае к степени механической обработки, а также очистке поверхностей электродов не предъявляется каких-либо специальных требований. Если электроды тщательно обработаны механически, сглажены и отполированы и прогреты в вакууме с целью , очистки, то это предельное поле, при котором не возникают заметные токи проводимости в вакууме, обычно повышается до 1–2·105 В/см.

Здесь имеется в виду среднее электрическое поле промежутка, а не локальные поля у поверхностных неровностей или выступов катода. Таким образом, сглаживание поверхности электродов, особенно катода, устранение неровностей, например, полировкой, приводят к увеличению этого критического поля. В том же направлении влияет и очистка электродов, которая устраняет участки поверхности катода, имеющие малые работы выхода или слабо связанные с основной кристаллической решеткой металла. Дальнейший диапазон 1–2·105 – l–2·106B/см является областью экспериментальных работ, и дать ответ – удастся ли использовать его полностью для практики, т.е. добиться отсутствия заметных токов проводимости вакуума, пока еще нельзя.

После возникновения заметных токов в вакууме при дальнейшем увеличении напряжения возникает полный пробой промежутка или вакуумная дуга.

Имеется несколько причин нарушения вакуумной изоляции и появления заметной проводимости вакуумного промежутка. Стационарные токи возникают, главным образом, из-за появления электронной эмиссии из катода. Основные виды ее - термоэлектронная эмиссия, усиленная полем за счет снижения работы выхода (эффект

48

Шоттки), и автоэлектронная. При комнатной температуре электродов более важна автоэлектронная эмиссия, подчиняющаяся соотношению Фаулера-Нордгейма (Конспект лекций. Ч.1, гл.1, соотношение (9)). Согласно этому соотношению заметная автоэлектронная эмиссия возникает из катода, имеющего работу выхода около 4 эВ, при напряженности поля 107 В/см, что подтверждается опытами с гладкими монокристаллическими остриями из вольфрама в сверхвысоком вакууме (Конспект лекций. Ч.1, гл. 1).

Однако если использовать плоские параллельные электроды с поверхностями, очищенными неполностью от окислов и загрязнений, напыленными цезием и барием, можно получить заметные токи автоэлектронной эмиссии уже при среднем по промежутку поле 104–105 В/см.

Причины здесь две - увеличение автоэлектронной эмиссии при уменьшении

микроскопических выступов, за счет которых местные поля сильно увеличиваются, что приводит к возрастанию автоэлектронной эмиссии.

Кроме стационарных токов, которые более свойственны малым промежуткам, в больших промежутках возникают малые импульсы тока (микроразряды) с зарядом порядка микрокулон и продолжительностью около миллисекунды. Такие микроразряды могут происходить и на фоне постоянного тока и без него. Микроразряды возникают, по-видимому, из-за обмена отрицательных и положительных ионов на катоде и аноде.

2. Основные факторы, влияющие на электрическую прочность

вакуумного промежутка

Расстояние между электродами d. Для малых размеров напряжение вакуумного пробоя пропорционально d:

вызван только автоэлектронной эмиссией (кривая 1), действительный ход напряжения

49

пробоя (кривая 2) и зависимости поля Е от промежутка (кривая 3).

Материал электродов и состояние его поверхности. Если электроды изготовлены из материала более механически прочного, то напряжение пробоя Uпр при прочих равных условиях будет выше; например, при электродах из вольфрама Uпр выше, чем в случае, если они изготовлены из алюминия или графита. Еще большее влияние на Uпр имеет механическая обработка поверхности электродов и их очистка от различных поверхностных загрязнений, которые представляют собой тонкие пленки или локальные включения диэлектриков или полупроводников на поверхностях металлов.

Водной из работ было найдено, что полировка поверхности электрода увеличивает начальное напряжение пробоя для промежутка в 1 мм от 10 кВ до 45 кВ, а очистка поверхности тлеющим разрядом в водороде позволила получить напряжение до 60 кВ на 1 мм.

Вработе [18] при использовании обработки электродов аномальным тлеющим разрядом в инертном газе и контроле поверхности электродов по послеразрядной (зкзоэлектронной) эмиссии было получено без пробоя промежутка среднее электрическое поле в 106 В/см при промежутке в 0,2 мм. В дальнейших работах этого направления близкие результаты были получены и для промежутка в 1 мм.

Из факторов, систематически загрязняющих поверхности металлов в вакууме и снижающих Uпр, следует отметить пары вакуумного масла, которые, попадая на электроды в заметных количествах, приводят к понижению Uпр в 2–3 раза. Влияние паров масла на Uпр в значительной степени устраняется установкой масляных ловушек

ввакуумных системах или полностью устраняется использованием безмасляных средств откачки [19].

Покрытие поверхностей. Одним из факторов, увеличивающих напряжение пробоя вакуумного промежутка, является использование проводящих стеклянных электродов. В этом случае в объеме слоя стекла образуется высокое падение напряжения, за счет чего выравнивается электрическое поле в промежутке, уменьшается эмиссионный ток и увеличивается Uпр [20]. К уменьшению эмиссионных токов и увеличению Uпр приводит также использование тонких изолирующих пленок на металлических электродах. Здесь также, вероятно, играет роль то, что изолятор закрывает микроскопические острия на поверхности металла и это приводит к понижению автоэлектронной эмиссии.

50