Катодное пятно вакуумной дуги испускает плазменные струи

Таким образом, основным условием существования дугового разряда с горячим катодом является необходимая концентрация ионов в прикатодной области, обеспечивающая поддержание режима термоэмиссии. Поэтому для данного типа разряда существует критическая концентрация рабочего вещества, ниже которой разряд с горячим катодом переходит в разряд с холодным катодом, при котором начинается сильная эрозия катода и происходит загрязнение рабочей среды материалом катода. Критическое давление среды Pкр в прикатодной области зависит от рода рабочего вещества, геометрии и материала катода. Оптимизация параметров заключается в обеспечении минимальных энергетических потерь на катоде.

Использование полого катода обеспечивает более высокую эффективность разряда. Одна из основных особенностей дугового разряда с полым катодом состоит в том, что благодаря подаче рабочего вещества через катодную полость в ней всегда поддерживается минимальное давление среды, необходимое для существования режима горячего катода (Р>Pкр). При этом в межэлектродном промежутке давление рабочей среды может быть на 3-4 порядка ниже и обычно лежит в диапазоне 0,1-10 Па.

Дуговой разряд с холодным катодом (вакуумная дуга) существует в двух основных видах: катодной форме и анодной форме.

Катодная форма вакуумной дуги представляет собой электрический разряд, существующий исключительно в парах материала катода, поставляемых в результате эрозии из области катодных пятен. Этот тип разряда при правильном выборе геометрии и эффективном охлаждении электродов имеет широкий токовый диапазон от единиц ампер до десятков килоампер.

На катоде дуга горит в отдельных катодных пятнах, размер которых зависит от тока дуги, и , например, при токе порядка 100 А составляет 10 мкм. Катодные пятна обладают внутренней структурой и состоят из ячеек, которые непрерывно образуются и распадаются, имея определенное время существования (порядка
10-8 с). Согласно эктонной модели катодного пятна вакуумной дуги, каждая ячейка испускает порцию электронов (эктон). Характерное время эктонного процесса составляет 20-30 нс. Энергия электронов вблизи катода примерно 3-4 эВ. При большом количестве ячеек, когда ток разряда достигает значительной величины, время существования дуги становится большим, и разряд переходит в устойчивый стационарный режим. Под действием мощности, выделяемой в катодном пятне, материал катода интенсивно испаряется.

Вакуумные дуги обычно горят при напряжении, примерно в 2-3 раза превышающем потенциал ионизации материала катода, причем основную часть этого напряжения составляет катодное падение потенциала. При горении стационарного разряда на катоде существуют отдельные ярко светящиеся катодные пятна, каждое из которых в зависимости от материала катода переносит ток от единиц до сотен ампер, т.е. на катоде существуют как бы несколько параллельных самостоятельных дуг со своими катодными пятнами. Катодные пятна хаотически перемещаются по поверхности катода по законам броуновского движения со скоростью от нескольких десятых до единиц метров в секунду. За время жизни катодное пятно успевает сместиться на расстояние порядка своего диаметра. Плотность тока в катодных пятнах может превышать 10А/см2, а плотность мощности — 109 Вт/см2.

Количество катодных пятен растет пропорционально току дуги. Соответственно пропорционально току и растет величина эрозии катода:

mэ = μ I t  [г] ,                                                      (1.5)

где μ = 10-4-10-5 г/Кл — коэффициент эрозии; I — ток дуги, А; t — время, с.

Катодное пятно вакуумной дуги испускает плазменные струи, скорость которых порядка 104 м/с. Эродируемый материал эмитирует с катода в виде паровой и капельной фаз. Капли имеют размеры от долей до десятков микрон (нижний предел в зависимости от материала катода и давления находится на уровне 5-20 нм) и скорости от 1 до 10 м/с. Чем ниже температура кипения материала, тем больше количество капельной фазы, которое может достигать до 80-90 % от полной массы эмитированного вещества.

Анодная форма вакуумной дуги существует в двух видах: диффузно распределенный по поверхности анода разряд и разряд с анодным пятном. Основной параметр, характеризующий анодные процессы, — анодное падение потенциала, которое может изменяться в широком диапазоне от отрицательных

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector