4.6. Исследование процессов в катодном пятне

Плотность тока

Определение плотности тока (ПТ) в катодном пятне вакуумной дуги является ключевой проблемой при установлении механизма ее функционирования. Экспериментальные оценки плотности тока с годами претерпевали изменения. По мере развития экспериментальной техники с более высоким временным и пространственным разрешением, начиная с 1920-х годов была тенденция к увеличению экспериментально измеренной плотности тока от 10³до 10⁸А/см²в настоящее время. Столь широкий разброс в измерениях указывает, с одной стороны, на дефекты в измерениях ПТ, а с другойна неопределенность самого понятия плотности тока КП.

Например, используя зависимость радиуса кратера от тока была рассчитана зависимость зависимость j(i) (рис 4.4). Эта кривая имеет максимум при токе 50 А.

Рис.4.4 Зависимость плотности тока пятна от тока пятна для вакуумной дуги с медным катодом

Был проведен очень корректный эксперимент по оценке плотности тока в дуге с использованием острийного вольфрамового катода. Эксперименты проводились в вакууме 10^-8торр. Катод предварительно прогревался до температуры 2000 К. Длительность горения дуги не превышала одного или нескольких циклов, а ток менялся в пределах 0.5-5 А. В качестве анода использовался шарик из вольфрама диаметром 0.3 мм, полученный методом импульсного нагрева до плавления кончика проволоки. При осмотре острия не было обнаружено каких-либо следов воздействия плазмы на боковую поверхность. Это означает, что ток протекал только через вершину острия. Плотность токаj=i/R², гдеRрадиус оплавленной вершины. Оказалось, что величинаj(2-10)10⁷А/см².

Плазменные струи

Было найдено что сила, которая давит на катод, стремится увеличить длину вакуумного промежутка. Для медного катода эта сила составила ~ 20 дин/А. Такая же сила действовала на подвешенный перед катодом электрод, отталкивая его от катода Был сделан вывод, что обнаруженный им эффект обусловлен реакцией струи пара, которая вырывается из катода с большой скоростью. При измерении импульса отдачи была определена скорость струи, которая оказалась равной 1.610⁶см/с. Позднее исследовали зарядовый состав и распределение энергий ионов для девяти материалов катодов. Энергетический спектр ионов представляет собой широкие линии, почти симметричные относительно максимумов. Он может быть охарактеризован тремя параметрами: максимальная интенсивность; энергия, соответствующая максимальной интенсивности (наиболее вероятная или средняя энергия); и полная ширина линии на половине высоты пика интенсивности. Наиболее вероятные энергии ионов зависели от заряда но зависимость не является линейной.

Общий ионный ток измеренный для различных материалов катодов и условий разряда практически всегда остается равным 10% от общего тока дуги.

4.7 Эрозия электродов

Ионная эрозия

Эрозия определяется методом взвешивания электродов. Путем деления массы m_i, на количество протекшего электричестваq=I_et, гдеI_eток,tвремя протекания тока в дуге, он определяется удельный унос массы.. Оказалось, что по мере уменьшенияqдо 0.1 Кл три зависимости, полученные в различных условиях, имеют одинаковую величину= 40 мкг/Кл, которую обозначим как_iи назовем удельной ионной эрозией.

Удельную ионную эрозию лучше определять при наименьших возможных протекших количествах электричества. Данные этих наименьших эрозий приведены в таблице 21.3

Основная формула, по которой определяется удельная ионная эрозия, записывается так:

. (4.8)

С другой стороны, ток ионовI_iв течение ионной эрозии запишется так:

, (4.9)

где g  средний заряд иона, М  масса иона, е  заряд электрона, m_i  общая масса, уносимая в виде ионов. Если в формулу (4.8) подставить значения m_i/t из формулы (4.9), то получим

. (4.10)

Величину I_i/I_e можно принять равной 0.1, тогда

. (4.11)

Таким образом, удельная ионная эрозия будет определяться только средним зарядом ионаgи массой ионаМ.

Капельная эрозия

Катодное пятно вакуумной дуги, кроме ионов, испускает пары металла катода, а также капли. Доля паров в общей эрозии мала, не более нескольких процентов от общей эрозии]. Пары образуются из-за нагрева металла в окрестности катодного пятна, а также в ионной фазе цикла из-за испарения жидкого металла в пятне. Доля капельной фракции в общей эрозии катода значительно выше. Капли образуются из-за разбрызгивания жидкого металла в зоне катодного пятна. Часть этого жидкого металла остается в виде застывших струй, которые хорошо видны на ряде фотографий

Таблица 4.1. Число капель золота и палладия на один кулон протекшего электричества , 10^-7 (Ас)^-1.

Ток, А	2.5	3.5	4	4.5	5	6
Au	1.33	1.35		1.46		
Pd			1.41		1.56	1.75

Обращает на себя внимание, что величины для Au и Pd мало отличаются друг от друга и составляют в среднем ~ 1.510⁷ капель/кулон. Напомним, что в искровой стадии для медных электродов величина  210⁷ капель/кулон.

. Максимально наблюдаемые скорости составляли соответственно 410⁴см/с, 4.510⁴см/с и 10⁴см/с, а наиболее вероятные соответственно 2.510⁴см/с, 3.510⁴см/с и 0.510⁴см/с.

Свойства плазмы в катодном пятне вакуумной дуги

Сведения о свойствах такой плазмы крайне противоречивы и ограниченны. Это обусловлено, с одной стороны, несовершенством методов измерения, а с другой крайне неоднородным распределением плазмы по мере удаления от катода. В частности, измерение плотности плазмы без точного указания расстояния от катода не имеет смысла.

Большинство авторов сходятся на том, что электронная температура плазмы в зоне катодного пятна второго типа составляет 4-6 эВ Были проведены измерения температуры плазмы в катодном пятне методом плавающего потенциала на медном и вольфрамовом катоде при токе дуги 10 А на расстоянии < 0.1 мм от поверхности катодного пятна. Для Cu-катода получена температура плазмы 4.60.5 эВ, а для W-катода 5.80.5 эВ.

Для пятен первого типа на медном катоде температура паров меди составляет 0.8 эВ, а для ионов ~ 2 эВ.

Плотность ионов плазмы на воль-фрамовом катоде на расстоянии 7 мкм от поверхности пятна составляет 10²⁰см^-3. В непосредственной близости от катода (~ 1 мкм) плотность плазмы на медном катоде составляет ~ 10²²см^-3.

5. Пробой по поверхности диэлектрика

Пробивное напряжение

Использование диэлектрика, разделяющего металли­ческие детали, находящиеся под различными потенциа­лами, неизбежно практически в любом электровакуумном приборе. Исследовался пробй по поверхности цилиндрического изоля­тора в однородном электрическом поле. При различных параметрах упругости пара, теплофизическими параметрами, ди­электрической постоянной, качеством обработки поверх­ности, измерения показали, что эти параметры не оказы­вают сколько-нибудь заметного влияния на £>_пр, которое определяется главным образом величиной удельного по­верхностного сопротивления изолятора. Результаты изме­рений показали, что особенно важны, с точки зрения раз­вития пробоя, условия на катоде и вблизи катода на поверхности диэлектрика. В частности, наличие шерохо­ватостей у катода уменьшало пробивное напряжение по изолятору, тогда как шероховатости у анода влияли весьма слабо.

Пробивное напряжение по мере увеличения длины изолятора возрастает нелинейно (рис. 5.1). Это своеоб­разное проявление хорошо известного эффекта полного напряжения *), очевидно, связано с перераспределением напряженности поля вдоль электрода.

Рис.5.1 Зависимость пробивного напряжения от длины изолятора

Зарядка поверхности диэлектрика

Изменение распределе­ния поля вдоль поверхности электрода может возникнуть за счет образования поверх­ностных зарядов под воздей­ствием различных предпро-бойных процессов или за счет высоковольтной поляризации диэлектрика. Образование за­рядов на поверхности ди­электрика происходит в ре­зультате протекания тока по поверхности диэлектрика или вблизи от нее. При этом от­дельные электроны могут, по­пав на поверхность диэлект­рика, вызвать вторичную электронную эмиссию. Если коэффицнентвторнчной элек­тронной эмиссии будет боль­ше единицы, то поверхность зарядится положительно и по­ток электронов на этот уча­сток поверхности возрастет, к дальнейшему повышению что в свою очередь поведет потенциала этого участка. По мере роста заряда на поверхности участка диэлектрика начнут захватываться электроны, не успевшие набрать достаточной энергии, п коэффициент вторичной элек­тронной эмиссии будет падать. Было пока­зано, что максимальная энергия электронов, перемеща­ющихся вблизи изолятора, не превышает 50 в при общем напряжении 10кв. Этого и следовало ожидать, ибо элек­троны ускоряются .тишь на отдельных участках. Если коэффициент вторичной электронной эмиссии меньше единицы, то участок диэлектрика будет заряжаться отри­цательно. Предпробойные токи (и довольно значительные), необходимые для возникновения описанного выше явления, были обнаружены с помощью регистрации рентгеновского излучения Изучение топографии рентгеновского излучения позволило обнаружить удале­ние электронов от поверхности изолятора, т. е. наличие от­рицательно зариженных участков поверхности электрода.

Положительные и отрицательно заряженные участки поверхности диэлектрика были обнаружены с помощью метода сканирования электростатическим зондом поверхности диэлектрика непосредственно после подачи напряжения На рис.5.2 показаны характерные формы катодов и соответствующие картины зарядки поверхности вокруг них.

Рис.5.2 Типы катодов и соответствующие области зарядки поверхности вокруг них

Развитие пробоя

Характерная картина развития пробоя по поверхно­сти диэлектрика приведена на рис. 5.3. На осциллограм­ме тока, приведенной на том же рисунке, указаны фазы» которым соответствуют снимки развития пробоя. После подачи импульса напряжения через некоторое время воз­никает свечение. Время от момента подачи импульса до появления свечения имеет заметный разброс, однако вре­мя от момента появления свечения до начала резкого воз­растания тока практически неизменно. Это время т в слу­чае, соответствующем рис. 5.3, равно 7 мксек. Скорость распространения свечения 2-10⁷см/сек, причем в момент достижения анода за время меньше чем 10^-9сек возникает сильная вспышка. В процессе роста тока, начинающегося в момент возникновения вспышки, наблюдается переход от диффузного свечения к каналу.

Рис. 5.3 Развитие пробоя на поверхности диэлектрика

Результаты проведенного исследования подтверждают гипотезу что инициация перекрытия возникает в месте контакта диэлектрик — катод.

В местах неплотного прилегания керамики к электроду поле усиливается таким образом поле у катода легко достигает значении 10^ев/см. Если учесть усиление поля на микро­неровностях, то можно ожидать заметной автоэлектронной эмиссии электронов с катода.

Параметры плазмы пробоя по поверхности диэлектрика

При развитии пробоя ток разряда начинает испарять и ионизировать материал диэлектрика. Образовавшаяся плазма распространяется в вакуум. Скорость распространения плазмы составляет до 10⁸ см.сек для ионов водорода. Также в плазме присутствуют многозарядные ионы материала диэлектрика. Энергии ионных фракций прямо пропорциональны заряду иона.