Лекция 10 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике), страница 2

Столь плотная плазма излучаеттак сильно, что в столбе дуги в излучение перерабатывается до 80…90 % выделяющегосяджоулева тепла. При атмосферном давлении, например, выход излучения существенно меньше.Указанное свойство нашло важное применение: на этой основе созданы лампы высокого(сверхвысокого) давления. Дуга горит в ксеноне или парах ртути, которые обладают наиболееподходящими для этой цели излучательными характеристиками и высоким светоэлектрическимКПД.Дуги низкого давленияЭто давления p ~ 10-3…1 торр, при которых в положительном столбе получается сильнонеравновесная плазма, в принципе не отличающаяся от плазмы тлеющего разряда как вотношении отрыва температур (Te >> T), так и степени ионизации, которая много меньшеравновесной.

Однако последняя выше, чем в тлеющем разряде, так как токи в дуговых гораздосильнее.Особые видыСюда относятся сильно нестандартные варианты, например, дуга Гердиена (1922 г.). Такаядуга горит в закрученном водяном вихре, отжимающем токовый канал от узкой диафрагмы, черезотверстие которой проходит канал. Вследствие испарения воды дуга горит практически в водяныхпарах. В усовершенствованной дуге Гердиена при токе 1,5 кА в диафрагме диаметром 2,5 мм былаполучена на оси канала самая высокая из наблюдавшихся в дуговом разряде температур – 50000 К.Зажигание дугиСпособы инициированияДугу проще всего зажечь, приведя в контакт, а потом разъединяя электроды, подключённыек соответствующему источнику питания, который в состоянии дать достаточно сильный ток. Вмомент короткого замыкания электроды в месте контакта сильно раскаляются, частичноиспаряются, дают эмиссию, и в момент разведения в парах, которые обычно ионизуются легче,зажигается дуга.

Потом пары замещаются газом, если таковой присутствует.Для зажигания сильноточных дуг применяют вспомогательный анод, который вставляетсямежду основными электродами так, чтобы он касался катода, а после подачи напряжения егобыстро удаляют. Когда облако образующихся в момент короткого замыкания ионизованных паровдостигает основного анода, зажигается дуга.Можно прямо подавать на находящиеся на своих местах электроды высокое напряжение,достаточное для пробоя газа в промежутке. При этом источник питания в внешняя цепь должныдопускать горение дугового разряда в соответствии с общей ВАХ, изображённой на рис. 9.6 инагрузочной прямой.

Напряжения обычной сети 220 В бывает достаточным для зажигания такимспособом дуг низкого давления и ртутных ламп. Высокое давление в последних возникаетпостепенно по мере испарения ртути, а вначале зажигается тлеющих разряд, который по мереразогрева катода переходит в дуговой.Переход из тлеющего разряда в дуговойЭтот переход описывается участком FG ВАХ на рис.

9.6. переход при постепенномувеличении тока вызывается разогревом катода, благодаря всё возрастающей плотности тока ваномальном тлеющем разряде. В какой-то стадии начинается термоэлектронная эмиссия. В случаетугоплавких (термоэмиссионных) катодов переход происходит более или менее плавно. Есликатод сделан из легкоплавкого металла, который ведёт себя в дуге как «холодный», происходитрезкий срыв тлеющего разряда в дугу с мгновенным возникновением катодных пятен. Этослучается при меньших токах (i ~ 0,1…1 А), чем в случае токов с термоэмиссионных катодов(i ~ 10 А).Кратковременное прерывание токаДуги с горячими и холодными катодами ведут себя по-разному при прерывании тока. Впервом случае разряд восстанавливается без сближения электродов – до 1 с. Во втором случаедаже очень кратковременный перерыв производит необратимый эффект.

Дуга с меднымиэлектродами не восстанавливается уже через 10-3 с, а с ртутным катодом – при перерыве 10-8 с.Дуга переменного токаПри не слишком сильных токах и не очень коротких межэлектродных промежутках дуга втечение периода дважды гаснет и снова зажигается. Гаснет она, когда ток становится меньшенекоторого критического значения.

Зажигается – когда напряжение превышает определённыйпорог, отчего возникают пики напряжения.Катодные пятна и вакуумная дугаКонцентрированные токовые центры возникают на катоде в условиях, когда нужноперенести значительный ток, а катод по тем или иным причинам не может быть нагретым целикомдо высокой температуры. Причины эти могут заключаться в легкоплавкости металла, как чащевсего и бывает, в сравнительно малом токе, который способен вызвать эмиссию на катоде, толькобудучи собранным на меленькой площади, в низком давлении окружающей среды. В последнемслучае необходимо впрыснуть в промежуток некоторое число атомов (паров катода), иначенеоткуда будет взяться ионному потоку, несущему на катод энергию, без чего катод не можетвыполнять свою эмиссионную функцию.

Но для эффективного испарения металла энергия такжедолжна быть сконцентрированной. И действительно, ориентировочно при i < 1…10 А, p < 1 торркатодные пятна образуются даже на тугоплавких веществах, которые при повышенных токах,более высоких давлениях ведут себя как термоэмиссионные катоды. Последнее называютдиффузной привязкой дуги к катоду, в отличи от привязки к пятну. На легкоплавких металлахпятна образуются при любых давлениях и токах.Основные экспериментальные фактыЭволюция пятен. На ранней стадии разряда на катоде возникают маленькие, быстро,беспорядочно и независимо друг от друга перемещающиеся пятна.

Размеры их 10-4…10-2 см,скорости перемещения 103…104 см/с. Эрозию поверхности они вызывают незначительную и,видимо, нетермической природы. Высказывалось предположение, что эрозия связана смикровзрывами мельчайших выступов на поверхности под действием сконцентрированного токана самом выступе. Через время порядка 10-4 с характер пятен меняется.

Маленькие пятнаобъединяются в более крупные и менее подвижные ассоциации, скорости которых 10…102 см/с.Эрозия в таких укрупнённых ячеистых пятнах существенно больше и имеет уже термическийхарактер, будучи вызванной нагревом и испарением макроскопических участков поверхности засчёт энергии, приносимой ионным током из плазмы паров.Пороговый ток, размножение. Через отдельное пятно не может течь слишком малый ток.Существует минимальный пороговый ток на одно пятно, а следовательно, дуги в целом:imin ≈ 0,1…1 А.При уменьшении тока до imin весь он концентрируется в одном-единственном пятне, а приi < imin дуга гаснет.

Отмечена эмпирическая закономерность, согласно которой для многихнеферромагнитных материаловimin ≈ 2,5 ⋅ 10 −4 Tкип λ , [A]где λ [Вт/(см·К)] – теплопроводность.Плотность тока. Если через пятно протекает ток i ≈ 10 А, а радиус пятна r ≈ 10-3 см,плотность тока составляетi≈ 3 ⋅ 10 6 А/см2.2πrПриводимая различными авторами плотность тока в пятнах лежит в диапазоне104…107 А/см2, а на меди – до 108 А/см2.Испарение.

Катодные пятна, в которые с ионным током поступает концентрированныйпоток энергии, являются источником интенсивных струй пара. На 10 эмитированных электроновиспаряется примерно 1 атом. Скорости струй имеют порядок 105…106 см/с. Удельная эрозия вбольших ассоциациях пятен на меди составляет 10-4 г/Кл. В единичных пятнах на ранней стадииразряда эрозия, как говорилось, существенно меньше: для меди 5·10-7 г/К.Температура, плотность частиц. Крайне противоречивы данные по температуреповерхности металла в пятне. Температуры находят путём измерений яркости свечения либо же насновании оценок плотности и давления паров у поверхности. Для пятна на ртути приводят цифрыот 700 до 2000 К, на меди – 2400…3300 К. Плотность паров, оценённая по давлению насыщения,должна быть порядка 1017…1019 см-3. определение концентрации нейтральных частиц поослаблению электронного пучка в вакуумной дуге на железном катода дало 1016…1017 см-3.Измерения плотности заряженных частиц над пятнами на поверхности дало ne ≈ 5·1017 см-3,что характерно для плотной низкотемпературной плазмы.

Значит, плотность паров и степеньионизации весьма высоки. Аналогичные измерения дают электронную температуру Te ≈ 1…2 эВ.Пятно в магнитном поле. Одно из любопытнейших явлений, на которое обратив вниманиеещё Штарк (1903 г.), наблюдавший катодные пятна на поверхности жидкого ртутного катода, –это обратное движение пятна дуги в магнитном поле, направленном касательно к поверхности.Пятно движется в направлении, противоположном магнитной силе [iH], действующей на ток.j≈Механизм эмиссииСреди известных механизмов эмиссии только термоавтоэлектронная в состоянииобеспечить плотности тока порядка 106 А/см2 без нереалистических допущений о существованиисверхвысоких температур и повей у поверхности.

При температуре в 3000 К и работе выхода 4 эВплотности тока эмиссии имеют нужный порядок 106 А/см2 даже без предположений об усиленииполя вблизи микровыступов на поверхности. Существование последних в развитом пятне, видимо,вообще является проблематичным, так как микровытупы оплавляются, разбрызгиваются ииспаряются в первую очередь.Искровой и коронный разрядыОбщие представленияВнешняя картинаИскровой разряд возникает при давлениях порядка атмосферного и выше в не слишкомкоротких промежутках порядка 1 см и более, т.е.

при pd ≥ 103 торр·см, когда к электродамприкладывается напряжение выше пробивного. Для пробоя промежутков со столь большими pdтребуются значительные напряжения, исчисляемые десятками и сотнями киловольт.Разряд протекает быстро, нестационарным образом, и в общем представляет собою именното явление, о котором говорят, что «проскакивает искра».