самопроизвольное погасание и пороговый ток вакуумной дуги.

САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ПОГАСАНИЕ И ПОРОГОВЫЙ ТОК
ВАКУУМНОЙ ДУГИ.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Нестабильности тока и напряжения дугового разряда при малых токах дуги и
явление
самопроизвольного
погасания
разряда
всегда
привлекали
к
себе
пристальное внимание исследователей. В самом деле, если дуговой разряд – это
стационарный процесс, то единожды возникнув он должен продолжаться
бесконечно при сохранении неизменными условий его горения. Вместе с тем на деле
этого не происходит, дуговому разряду свойственны самопроизвольные погасания
без
видимых
причин.
Средняя
продолжительность
горения
разряда
до
самопроизвольного погасания возрастает с ростом тока. Это явление давно и
детально исследовано в различных экспериментальных условиях, подробные данные
можно найти в монографии Кесаева от 1968 года [1]. Это свойство разряда для
медного катода иллюстрирует рис.1, взятый из сравнительно недавней работы
Смитса [2], на котором суммированы результаты нескольких исследователей.
Количественно эти данные различаются, что вызвано различными условиями
эксперимента. Качественно же они совпадают: зависимость среднего времени
горения от тока есть чаще всего прямая линия при использовании двойной
логарифмической шкалы. Отсюда следует, что средняя продолжительность горения
дуги до самопроизвольного погасания подчиняется степенной зависимости от тока:
<τ> = α×(I)β
2
Рис.1. Данные по среднему времени горения дуги в зависимости от тока дугового
разряда на медных катодах, приводимые различными авторами (взято из [2]);СF –
Кобайн и Фаррелл 1960 г., K – Кесаев 1963 г., A – Аттиа 1973 г., J – Юттнер 1975 г.,
S – Смитс 1986 г.
где <τ> - средняя продолжительность горения, I – ток, α и β - коэффициенты.
Смитс [3] приводит следующие значения коэффициентов для меди при малых
токах:
α = 18 нсек и β =3,4
По данным приведенным Фу [4] для меди находим :
α = 154 нсек и β =2,85
Данные по времени жизни дуги для различных металлов от летучих до
тугоплавких приведены на рис.2, взятом из работы Фаррелла [5]. Из этого рисунка, в
частности, для меди при малых токах:
α = 2,6 нсек и β =8,6
При фиксированном токе разряда статистическое распределение времен
горения дуги до самопроизвольного погасания подчиняется закону выживания,
который иллюстрирует рис.3, рисунок взят из работы Кесаева [1] и соответствует
3
Рис.2. Данные по среднему времени горения дуги в зависимости от тока дугового
разряда для различных материалов катода (взято из [5]).
Рис.3. Распределение времен горения дуги до момента самопроизвольного погасания
при фиксированном токе разряда для катода из висмута [2].
катоду из висмута. Такой ход зависимости означает, что для заданного интервала
времени дуга имеет некоторую вероятность самопроизвольного погасания в течении
этого интервала, причем эта вероятность зависит только от длительности интервала
(прямо пропорционально), и не зависит от того где на оси времени этот интервал
выбран.
Такие зависимости естественным образом объясняются в рамках модели
ячеек катодного пятна, согласно которой, ток разряда распределен между некоторым
количеством одновременно существующих токовых ячеек, каждая из этих ячеек
самопроизвольно возникает, существует в течение некоторого времени, а затем
4
исчезает. Чем больше ток разряда, тем больше ячеек в катодном пятне. Тогда
погасание разряда есть случай совпадения моментов исчезновения всех ячеек
катодного пятна одновременно. Вероятность такого события, отнесенная к единице
времени, зависит от количества ячеек и от длительности существования ячейки, а
при фиксированном токе и неизменных условиях горения разряда эта вероятность
постоянна. При увеличении тока дуги увеличивается количество ячеек, и
вероятность
совпадения
погасания
всех
ячеек
одновременно
стремительно
уменьшается.
Другим важным свойством дугового разряда является существование
минимального тока, при котором разряд еще может существовать. Этот ток
называется пороговым током, и, по видимому, представляет собой минимальный ток
при котором еще возможно самоподдержание одной ячейки катодного пятна.
Детальное исследование минимальных токов горения дуг для целого ряда
материалов катода выполнил Кесаев [1], нам не известно более поздних или более
тщательных исследований по определению пороговых токов дуги. Существуют
более ранние измерения, обзор которых и соответствующие ссылки можно найти в
[1], но по мнению Кесаева по ряду причин эти работы имеют лишь историческую
ценность, что и побудило Кесаева выполнить собственную широкую программу
измерений этого параметра. Измерения выполнены на воздухе при размыкании
контактов, через которые предварительно пускали ток. Осциллографировали ток в
цепи и напряжение на размыкающихся контактах. За пороговый принимали ток, при
котором на осциллограммах напряжения еще можно было различить признаки
дугового разряда. Временное разрешение этих измерений таково, что на всей длине
осциллограммы тока и напряжения укладывается до 20 меток времени, следующих с
частотой 500 Гц. Таким образом навряд ли могли быть замечены процессы имеющие
длительность менее 20 мксек. Результаты своих измерений Кесаев изобразил в виде
графика зависимости порогового тока от произведения температуры кипения
материала катода на корень квадратный из теплопроводности материала катода.
Этот график приведен на рис.4.
Проведя обширные исследования следов, оставляемых катодным пятном на
пленочных катодах, Кесаев [1] пришел к выводу, что ток на одну ячейку катодного
пятна составляет от одного до двух пороговых токов, а при повышении тока разряда
происходит просто прямо пропорциональное увеличение количества одновременно
существующих фрагментов.
5
Рис.4. Данные по пороговым токам дуги в зависимости от материала катода [1].
Пустые кружки относятся к левой оси ординат, зачерненные - к правой.
Таким образом, токовая ячейка катодного пятна есть элементарный процесс
вакуумной дуги, знание параметров этой ячейки, таких как ток ячейки, время
формирования ячейки и длительность ее существования, необходимо для
построения физической модели ее существования, а значит для понимания
процессов в катодном пятне вакуумной дуги в целом.
Вместе с тем, на наш взгляд, величины пороговых токов вакуумного дугового
разряда на чистой металлической поверхности нуждаются в уточнении по
следующим причинам:
Во-первых, необходимо провести измерения с вакуумной дугой и с чистой
поверхностью, у Кесаева – разряд в атмосфере и чистота поверхности от
диэлектрических включений может быть подвергнута сомнению, что в частности
заставило авторов [6] отнести эти результаты к пятнам 1-го типа, то есть к пятнам на
поверхности содержащей диэлектрические включения. Чистота поверхности катода
существенно влияет на характер катодных процессов. Размеры кратеров на
загрязненной поверхности меньше (0,1-1 мкм) и кратеры не перекрываются [7],
напряжение горения разряда ниже на несколько вольт, также существенно ниже
удельная эрозия и средний заряд ионов в плазме, наконец существенно ниже
нестабильности тока и напряжения разряда [6, 8]. Поэтому представляется важным
получить данные для чистой металлической поверхности катодов. Вместе с тем
известно [9], что наилучшим способом избавиться от диэлектрических включений на
поверхности катода является воздействие самого дугового разряда.
6
Во-вторых, совершенствование экспериментальной техники и методик в
последние
10
–15
лет
привело
к
появлению
новых,
весьма
надежных,
экспериментальных данных о времени жизни отдельных фрагментов катодного
пятна. Юттнер [10] на чистом титановом катоде при токе дуги 90 А наблюдал
структуру свечения катодного пятна, при этом отдельные фрагменты свечения
существовали в течение времени 5-20 нсек. Тот же автор [11] на медном катоде при
токе 70 А наблюдал изменения в структуре катодного пятна (исчезновение свечения
в одном месте и возникновение в другом), происходящие в пределах интервала
времени 10 нсек. Зимрот с сотрудниками [12] наблюдал в катодном пятне дуг на
титане, меди и молибдене структурные элементы свечения с током 2-10 А и
временем существования менее 50 нсек. Пучкарев и Мурзакаев [13], используя метод
автографов катодного пятна на гладкой поверхности вольфрамового катода, пришли
к выводу, что время существования токовой ячейки, оставляющей после себя
характерный дуговой кратер, составляет 20-50 нсек, после этого дуга переходит на
другое место и формируется новый кратер.
Таким образом по современным представлениям длительность существования
отдельных ячеек катодного пятна лежит в диапазоне от единиц наносекунд до
десятков наносекунд. А это значит, что наблюдения следует выполнить с
наносекундным временным разрешением причем переходные процессы в цепи
разряда не должны влиять на процессы в дуге. То есть переходные процессы в схеме
питания и измерения должны успеть произойти в течении времени характерного для
катодных процессов. В противном случае мы будем изучать не свойства дугового
разряда, а свойства системы дуга-электрическая цепь. Это требует цепей и
электродной системы с временем переходного процесса порядка 1 нсек и менее,
учитывая временной масштаб катодных процессов.
В-третьих, не совсем ясно влияние первой фазы разряда – размыкания
контактов. Представляется интересным провести измерения обратным способом –
зажечь дугу при некотором токе, а затем снизить этот ток до погасания разряда. В
этом случае время такого снижения тока должно быть как можно более коротким,
учитывая эффект ограниченности времени жизни разряда (см. рис.1, рис.2). В самом
деле скажем для меди при начальном токе 5 А желательно иметь время снижения
тока порядка микросекунды или меньше. С другой стороны разряду требуется время
на формирование. При межэлектродном зазоре порядка сотен микрон и при скорости
разлета плазмы 106 см/сек, фаза формирования разряда займет несколько десятков
наносекунд (мы используем поджигающий импульс длительностью 40 нсек). Чтобы
7
избавиться от возможного влияния поджигающего токового импульса, необходимо
чтобы момент самопроизвольного погасания наступил через время существенное по
сравнению с длительностью поджига, также необходимо чтобы до погасания
произошло хотя бы несколько дуговых циклов. Отсюда следует, что снижение тока
до погасания должно произойти за время порядка сотен наносекунд.
Таким образом, современные представления о временном масштабе катодных
процессов, а также некоторые недостатки метода измерения пороговых токов,
которым пользовался Кесаев, требуют, на наш взгляд, уточнения величины
пороговых токов вакуумной дуги на чистой металлической поверхности.
Отсюда вытекает постановка экспериментальной задачи:
1).
Провести исследования самопроизвольных погасаний разряда в результате
нестабильностей тока при приближении тока разряда к пороговому
значению. Выполнить исследование при наносекундном временном
разрешении регистрирующей аппаратуры, переходные процессы в цепи
питания разряда и в электродной системе должны успеть произойти также
за время порядка наносекунды и менее.
2).
Время спада тока от начального значения до порогового тока должно
лежать в диапазоне сотен наносекунд для того чтобы снизить влияние
эффекта погасания разряда при любом малом токе просто в результате
накопления вероятности погасания за счет длительного времени горения.
3).
Исследования выполнить на чистой поверхности катодов. Для этого,
размер катодов должен быть небольшим с тем, чтобы катоды в месте
поджига разряда могли быть очищены многократным зажиганием дуги
непосредственно перед проведением измерений. Следует использовать
безмасляные средства откачки рабочего объема камеры.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
Экспериментальная установка состоит из вакуумной разрядной камеры с
малыми паразитными параметрами за счет коаксиальной конструкции электродной
системы и малых размеров электродов, камера снабжена подвижными вводами тока
коаксиальной конструкции с волновым сопротивлением 75 Ом и безмасляной
сверхвысоковакуумной системой откачки, создающей в камере вакуум не хуже 10-8
мм.рт.ст. Генератора высоковольтных импульсов поджига разряда. Цепи питания
разряда. Цепи измерения тока разряда. Для установления временных характеристик
камеры, через нее по коаксиальным вводам напряжения и при замкнутых накоротко
8
Рис.5. Общий вид экспериментальной вакуумной камеры.
электродах пропускали прямоугольный импульс напряжения с фронтом 0,4 нсек,
после прохождения через камеру и систему электродов импульс имел на выходе из
камеры фронт 0,8 нсек. Таким образом переходные процессы в цепях и в
электродной системе имеют постоянную времени менее 1 нсек.
Задачей исследования было измерение тока среза дуги при питании разряда
однополярным спадающим током. Величину этого тока среза следует принять по
определению равной пороговому току разряда. Общий вид экспериментальной
камеры показан на Рис.5, чертеж камеры и фотография рабочего объема камеры
приведены на рис.6. Фотография электродной системы представлена на Рис.7., а на
рис.8 приведены микрофотографии разрядного промежутка. Схема измерений
представлена на Рис.9. Питание разряда осуществляется RС-цепью, предварительно
заряженной до напряжения UЗАР. Инициирование разряда происходит при подаче на
поджигающий электрод высоковольтного импульса от ГИН амплитудой 15 – 25 кВ и
9
К
A
T
Рис.7. Фотография электродной системы. А – анод; К – катод; Т – поджигающий
электрод.
a
б
Рис.8. Микрофотография электродного промежутка. a – с катодом из меди; б - с
катодом из вольфрама (анод вверху).
10
Рис.9. Электрическая схема питания разряда и измерений.
длительностью 40 нсек, который пробивает промежуток катод-поджиг . Ток
поджигающего разряда ограничивается резистором RОГР в цепи поджига и
составляет либо 1 А либо 5 А. Ток разряда измеряется малоиндуктивным шунтом RШ,
который в зависимости от условий измерений имеет сопротивление от 0,1 Ом до 5,5
Ом. Осциллогафирование производили осциллографом Tektronix TDS 684B, с
полосой пропускания 1ГГц и частотой дискретизации 5×109 точек/сек.
На Рис.10. приведена фотография разряда снятая камерой с открытым
затвором.
Для того, чтобы выяснить влияние предыстории разряда на ток среза,
измерения тока среза проводили при двух временах τ разряда RС-цепи (τ=R×С).
Параметры:
1. R=50 Ом, С=10 нФ, τ=500 нсек.
2. R=3 Ом, С=0,65 мкФ, τ=1,95 мксек.
Для выяснения роли интенсивности поджигающего импульса на ток среза,
измерения выполнены для двух токов поджига: 1 А и 5 А.
Для каждого набора параметров измерения (зарядное напряжение, параметры
RС-цепи, ток поджига) накапливали данные по току среза состоящие из нескольких
серии по 40-60 выстрелов в каждой серии. Внутри каждой серии находили среднее
значение тока среза и его среднеквадратическое отклонение. Данные разных серий
затем сравнивали между собой для проверки воспроизводимости результатов.
Измерения проведены для трех материалов катода. Материалом анода и
поджигающего электрода всегда является вольфрам. Катоды изготавливали из
проволок диаметром 100 - 200 мкм методом электрополировки. После установки
11
Рис.10. Микрофотография разряда с кадмиевым катодом, снятая камерой с
открытым затвором.
электродов в камеру и после ее откачки до рабочего давления, анод и поджигающий
электрод прогревали в течении нескольких минут при температуре 1500οС
пропуская через них переменный ток накала от вспомогательного трансформатора.
Катоды из вольфрама также очищали прямым прогревом в вакууме проходящим
током. Вне зависимости от материала катода, непосредственно перед измерениями,
поверхность катодов очищали многократным импульсным зажиганием дугового
разряда, при этом ток имел полусинусоидальную форму с амплитудой от нескольких
ампер в случае легкоплавких катодов до нескольких десятков ампер для тугоплавких
катодов. Длительность импульса составляла 120 мксек, так что непосредственно в
окрестности поджига разряда поверхность катода была очищена многократной
переплавкой самим дуговым разрядом. Для формирования импульсов тока очистки
использовалась
вспомогательная
LC-цепь,
конденсатор
которой
заряжали
постоянным напряжением, при этом амплитудой тока очистки можно управлять,
меняя зарядное напряжение конденсатора.
12
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
При постепенном снижении тока разряда в ходе разряда конденсатора и при
приближении тока к пороговому значению, нестабильности тока возрастают, пока
наконец
не
произойдет
самопроизвольное
погасание
разряда
как
проиллюстрировано на рис 11.
Рис.11. Пример осциллограммы тока для катода из кадмия. Ток – 90 мА/дел; время –
100 нсек/дел.
Синхронно снятые осциллограммы тока разряда и интенсивности светового
излучения показывают, что интенсивность света возрастает в моменты резкого
обрыва тока. Такое поведение тока и оптического излучения показано на рис.12. В
ряде случаев нами зарегистрировано погасание разряда в виде ступенчатого
снижения тока разряда, пример такой осциллограммы тока приведен на рис 13.
Исследование момента погасания разряда с высоким временным разрешением
показывает, что обрыв тока при самопроизвольном погасании происходит за время
меньше 1 нсек, рис. 14. Изредка происходили случаи повторного зажигания разряда
спустя некоторое время, порядка десятков наносекунд, после самопроизвольного
погасания разряда (рис.15).. Исследование таких случаев с высоким временным
разрешением показывает, что нарастание тока до стационарного уровня происходит
также за время менее 1 нсек .
свет, отн.ед.
ток, 1 A/дел
13
время, 10 нсек/дел
Рис.12. Пример осциллограммы тока и света для катода из вольфрама.
Рис.13. Пример осциллограммы тока для катода из кадмия, иллюстрирующий
ступенчатое погасание. Ток – 90 мА/дел; время – 100 нсек/дел.
14
Рис.14. Пример осциллограммы тока для катода из кадмия. Ток – 90 мА/дел; время –
ток, 1 A/дел
4 нсек/дел.
время, 100 нсек/дел
Рис.15. Пример осциллограммы тока для катода из вольфрама, иллюстрирующий
повторное зажигание.
Обработка накопленных статистических данных по току самопроизвольного
погасания разряда дала распределения вероятностей погасания разряда при данном
токе для трех материалов катода, для двух различных токов поджигающего
импульса, и для двух различных скоростей спада тока (различные постоянные
разряда конденсаторов RC), что означает различное время между моментом начала
разряда и моментом самопроизвольного погасания разряда.
15
В
результате
обработки
данных
выяснилось,
что
величина
тока
поджигающего импульса не оказывает влияния на среднюю величину тока среза.
Также не обнаружено заметного влияния на ток среза, величины продолжительности
горения разряда до момента самопроизвольного погасания разряда.
Результаты обработки данных по току среза для кадмия, меди и вольфрама
приведены в виде гистограмм на рис. 16, рис. 17 и рис. 18 соответственно.
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,02
0,04
0,06
0,07
0,09
ток среза,А
Рис.16. Распределение токов среза для кадмия. Ширина кармана 8,8 мА.
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,9
1,3
1,8
2,2
2,6
ток среза,А
Рис.17. Распределение токов среза для меди. Ширина кармана 220 мА.
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,7
1,1
1,4
1,8
ток среза, А
Рис.17. Распределение токов среза для вольфрама. Ширина кармана 185 мА.
Данные по среднему току среза и дисперсии распределения тока среза
сведены в табл.1. В этой же таблице для сравнения приведены данные Кесаева [1].
Таблица 1.
Материал
катода
Кадмий
Средний
ток среза, А
0,055
Стандартное отклонение
тока среза, А
0,018
Данные Кесаева
[1]
0,19
Медь
1,59
0,38
1,6
Вольфрам
1,37
0,29
1,6
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
I. Разработана усовершенствованная методика измерения пороговых токов
дугового разряда на твердых чистых катодах.
II. Получены новые данные о пороговом токе дугового разряда для трех
материалов с существенно различными теплофизическими свойствами: кадмия,
меди и вольфрама. Полученные нами данные по пороговым токам дугового
разряда близки к данным Кесаева, вместе с тем величины пороговых токов
оказались несколько ниже, а для кадмия существенно ниже (около трех раз),
чем у Кесаева. На наш взгляд это объясняется более высоким временным
разрешением используемого нами метода.
III. Как видно из осциллограмм тока в момент погасания разряда и в момент
восстановления
разряда,
полученных
с
наносекундным
временным
разрешением, ток через отдельную ячейку катодного пятна устанавливается и
17
обрывается за время менее 1 нсек, само же функционирование ячейки проходит
при относительно стабильном токе. Таким образом, токопрохождение в ячейке
катодного пятна по форме напоминает прямоугольный импульс (рис.19).
Рис.19. Пример осциллограммы тока для катода из меди. Ток – 1,5 А/дел; время – 20
нсек/дел.
Рис.20. Пример осциллограммы тока для катода из меди. Ток – 1,5 А/дел; время – 20
нсек/дел.
18
IV. Статистические распределения токов погасания разряда довольно широкие, так
нередки случаи погасания разряда при токе в два раза меньше среднего тока
погасания. Откуда следует вывод, что пороговый ток разряда не является
строго определенной величиной. Можно говорить лишь о некотором наиболее
вероятном токе погасания, в каждом же конкретном случае, по-видимому,
локально могут создаваться как условия улучшающие самоподдержание
токовой ячейки, так и условия ухудшающие возникновение новой ячейки.
V. Нестабильности тока разряда чаще всего не имеют резких (порядка 1 нсек)
фронтов, они более гладкие (рис.20). Отсюда следует вывод о том, что, повидимому, при погасании одной ячейки катодного пятна существует механизм
перераспределения тока разряда между оставшимися ячейками.
5. ЛИТЕРАТУРА
[1] Кесаев И.Г. “Катодные процессы электрической дуги”, Москва: Наука, 1968.
[2] Smeets R. P. P. ”Low Current Behavior and Current Chopping of Vacuum Arcs”,
Ph. D. Thesis, Eindhoven University of Technology (1987)
[3] Smeets R. P. P. ”Stability of Low Current Vacuum Arcs”, J. Phys. D: Appl. Phys.,
vol. 19 (1986) pp.585-587
[4] Fu Y. H. “The Influence of Cathode Surface Microstructure on DC Vacuum Arcs”,
J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 22 (1989) pp.94-102
[5] Фаррел Дж., в кн. “Вакуумные дуги”, под. ред. Дж. Лаферти, пер. с англ. М:
Мир,1982
[6] B. Juttner, V. F. Puchkarev, "Cathode spots. Phenomenology", in "Handbook of
Vacuum Arc Science and Technology", R. L. Boxman, P. J. Martin and D. M.
Sanders, Eds. Park Ridge, NJ: Noyes, 1995.
[7] A. E. Guile and B. Juttner, “Basic erosion processes of oxidized and clean metal
cathodes by electric arcs,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. PS-8, No. 3, 1980,
pp.259-269.
[8] B. Juttner ”Cathode Spots of Electric Arcs”, Topical Reviw, J. Phys. D: Appl.
Phys., vol. 34 (2001) pp.103-123
[9] J. Achtert et al., ”Influence of surface contamination on cathode processes of
vacuum discharges,” Beitr. Plasma Phys., vol. 17, 1977, pp. 419-431.
19
[10] B. Juttner, “The dynamics of arc cathode spots in vacuum,” Journ. Phys. D:
Appl. Phys., vol. 28, 1995, 516-522.
[11] B. Juttner, "The dynamics of arc cathode spots in vacuum: New Measurements",
J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 30, No. 2, 1997, pp. 221-229.
[12] P. Siemroth, T. Schulke and T. Witke, “Investigation of cathode spots and
plasma formation of vacuum arcs by high speed microscopy and spectroscopy,”
IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 25, No.4, 1997, pp. 571-579
[13] V. F. Puchkarev and A. M. Murzakaev, ”Current density and the cathode spot
lifetime in a vacuum arc at threshold currents,” Journ. Phys. D: Appl. Phys., vol.
23, 1990, pp. 26-35.