7.Применение вакуумных разрядов в технике и технологиях

7.1 Ионные источники

Вакуумные разряды являются эффективным и простым источником ионов и электронов. В качестве источника металлических ионов используется вакуумная дуга. В этом случае ионный источник поставляет ионы материала катода. Сорт ионов может быть изменен путем замены катода. В случае вакуумной дуги ток ионов составляет 10% от тока дугового разряда

Для получения ионов диэлектрических материалов может быть использован разряд по поверхности диэлектрика.

Ионные и электронные источники на основе вакуумного разряда используются для процессов модификации поверхности изделий в промышленности, в качестве поставщика частиц для ускорителей, и в качестве космических ионных плазменных двигателей малой тяги.

Типичная схема ионного источника представлена на рис 7.1. В данном случае для инициирования разряда используется вспомогательный разряд по поверхности диэлектрика. Схемы питания дуги и инициирующего разряда находятся под потенциалом , необходимым для вытягивания ионов дугового разряда из разрядного промежутка.

Рис.7.1 Типичная схема ионного источника

Вакуумные разряды в основном являются сильногочными что делает крайне затруднительным создание стационарных источников плазмы из-за нагрева электродов и схемы питания. В основном на основе вакуумных разрядов производят импульсные источники ионов.

Рис.7.2 Способы инициирования вакуумного разряда а- по поверхности диэлектрика

б — вакуумно дуговой в- с использованием проводящего покрытия г -магнетронным

Д — пеннинговским. 1-катод дуги, 2- анод дуги, 3- катод вспомогательного разряда,

4-анод вспомогательного Разряда 5- изолятор 6-плазма вспомогательного разряда 7- проводящее покрытие, 8-постоянный магнит, 9- контрагирующий электрод

Вакуумный разряд может быть инициирован несколькими способами. Основные такие способы представлены на рис 7.2 Главная задача любого из способов инициирования - создание на катоде катодного пятна.

Ограничение на создание стационарного источника может быть обойдено за счет создания вращающегося катододержателя Рис.7.3. В таком источнике вращающиеся катоды последовательно соприкасаются с поджигающим электродом . В этот момент происходит вспомогательный разряд запускающий импульс основного дугового тока.

Рис. 7.3 Источник ионов с вращающимся катододержателем. 1- катоды, 2- вращающийся катододержатель,3- электрод инициирующего разряда, 4-анод, 5-многоапертурная ионно оптическая система

Источники ионов и электронов на основе вакуумных разрядов используются для модификации поверхности изделий , в качестве поставщика частиц для ускорителей и для импульсных двигателей малой тяги на твердом рабочем теле.

7.2 Вакуумные переключатели тока

Использование вакуумной дуги для производства сильноточных выключателей тока началось в 1950х годах. С тех пор развитие конструкции и используемых материалов позволили существенно повысить значения рабочих токов и напряжений а так же надежность и долговечность устройств. В настоящее время вакуумные выключатели используются в средних диапазонах токов (до 70кА) и напряжений(несколько десятков кВ)

Основными преимуществами вакуумно-дуговых выключателей тока являются:

1. Компактность

2. Долговечность

3. Отсутствие необходимости в обслуживании

4. Экологичность

Принцип действия вакуумных выключателей

Схема замещения и типичная осциллограмма работы выключателя представлены рис.7.3 . Типичный вакуумный выключатель работает в сетях переменного тока частотой 50 Гц. При размыкании контактов выключателя между ними зажигается дуговой разряд. В течение одного полупериода тока контакты расходятся. При пересечении током нулевого значения катодные пятна перестают функционировать и плазма покидает разрядный промежуток создавая прочную вакуумную изоляцию.

Рис. 7.4 Принципиальная схема и осциллограмма работы вакуумного выключателя тока

Более детально процесс около нуля тока представлен на рис 7.5.

Рис. 7.5 Поведение плазмы дуги в процессе пересечения током нулевой отметки

При нормальном функционировании дуги наибольшая концентрация плазмы наблюдается на катоде в катодных пятнах. При достижении нуля тока катодные пятна перестают функционировать и плазма свободно разлетается по направлению к аноду и в стороны. При инверсии напряжения остаточная плазма эмитирует электроны в направлении бывшего катода (сейчас анода ) и ионы в направлении бывшего анода (сейчас катода) Но концентрации плазмы на новом катоде оказывается недостаточно для образования новых катодных пятен.

Типы вакуумных выключателей

Существуют два вида вакуумных выключателей. Основные отличия между ними заключаются в типе создаваемого проходящим током собственного магнитного поля. Различают TMF(transverse magnetic fields\ поперечное магнитное поле)AMF(axialmagneticfield\ продольное магнитное поле) выключатели Конструкции этих двух типов выключателей представлены на рис. 7.6

Рис. 7.6 Типичные схемы TMF(слева)AMF(справа) контактов

В TMFконтактах создается поперечное магнитное поле в котором дуговой столб перемещается под действием силы Лоренца. Дуга перепрыгивает с лепестка на лепесток

Рис.7.7 Дуговой столб в случае TMF(слева)AMF(справа)

Таким образом минимизируется процесс разрушения контактов.

В AMFконтактах перед лицевой поверхностью располагают катушку , создающую продольное магнитное поле. В таком поле электроны становятся мене подвижными и разрядный столб приобретает распределенный диффузионный характер. В данном случае дуговой столб остается стационарным. Детальные фотографии с различными светофильтрами показывают, что на катоде под диффузным столбом все равно существуют катодные пятна.

Характер дугового столба для случаев TMFAMFпоказан на рис.7.7