Селикатова С.М., Лукацкая И.А.
Производилось скоростное фотографирование вакуумной дуги отключения на вольфрамовых и медных электродах при токах 1-4 ка. Дуга помещалась в поперечное
магнитное поле напряженностью 5 кэ. Показано, что по мере расхождения электродов направление движения дуги меняется с прямого, соответствующего правилу Ампера, на обратное. Инверсия направления движения дуги обусловлена видоизменением дуги по мере расхождения электродов, которое наблюдается и в отсутствие магнитного поля. Предполагается, что причина наблюдаемых явлений состоит в изменении плотности пара в области существования дуги и ее влиянии на диффузию заряженных частиц в магнитном поле.
Введение
В работе [1] было показано, что вакуумная дуга отключения проходит через две стадии. В начальной стадии ток дуги сосредоточен на небольшом участке электродов, каналы тока практически неподвижны, напряжение на дуге минимально в момент ее возникновения и с течением времени возрастает, имеет место повышенная эрозия электродов в виде выброса капель металла. В следующей стадии наблюдается непрерывное хаотическое движение катодных пятен со скоростью порядка 103 см/сек., их деление и отмирание, а напряжение на дуге остается практически постоянным, несмотря на продолжающееся расхождение электродов. Дугу с движущимися катодными пятнами будем, как и раньше [2], называть дугой первого вида, с неподвижными - дугой второго вида. Было показано [2], что расстояние между электродами, при котором происходит переход второго вида дуги в первый, увеличивается с ростом отключаемого тока и атомного веса металла электрода. Для вольфрамовых электродов при токе 5 ка это расстояние составляет примерно 0,5 мм.
В настоящей работе исследовалось влияние поперечного магнитного поля на вакуумную дугу отключения.
Условия и методика опытов
Производилось скоростное фотографирование дуги отключения и осциллографирование напряжения, тока дуги и импульса магнитного поля. Исследовалась дуга на вольфрамовых и медных электродах. Электроды помещались на оси разборной вакуумной камеры, снабженной тубусом со смотровым окном для фотографирования. Катод был неподвижным, анод перемещался со скоростью 200-250 см/сек. Ход подвижного контакта составлял 0,4 см. Импульс тока через размыкаемые электроды величиной 1-4 ка и длительностью 3-10 мсек, представлял собой апериодический разряд конденсаторной батареи (С=0,025 ф, [/=300 в). Импульс магнитного поля в виде полусинусоиды длительностью 1,7 мсек, создавался с помощью двух катушек, через которые разряжалась другая конденсаторная батарея (0=500 мкф, [/= 3 кв). Катушки были смонтированы на корпусе вакуумной камеры так, что исследуемая дуга находилась в области наибольшей напряженности поля, направленной перпендикулярно току дуги и достигавшей в максимуме 5 кэ. Скоростное фотографирование производилось установкой СФР в режиме зеркальной развертки и покадровой съемки. Плоскость контактирования электродов располагалась параллельно оптической оси системы и перпендикулярно направлению развертки. Временное соответствие осциллограмм и фоторазверток устанавливалось с помощью импульса тока фотоэлектронного умножителя [1]. Перед опытами камера специально обезгаживалась. Опыты проводились при давлении остаточных газов 10-5-10~6 мм рт. ст. и непрерывной откачке.
Результаты исследований
На рисунке приведены одна из типичных зеркальных фоторазверток и соответствующая ей осциллограмма для вольфрамовых электродов, где представлены обе стадии вакуумной дуги отключения. Из этого рисунка видно, что дуга в обеих стадиях приобретает направленное движение в магнитном поле, но при переходе одной стадии дуги в другую при некотором расстоянии между электродами происходит инверсия в направлении движения дуги. Причем в начальной стадии, пока существует дуга второго вида, наблюдается движение в направлении силы Ампера, а в последующей стадии, когда образуется дуга первого вида, она движется в обратном направлении. Замечено, особенно на медных электродах, что в дуге первого вида области диффузного свечения, расположенные над яркосветящимися катодными пятнами, в отличие от самих пятен всегда смещаются в сторону действия силы Ампера. Скорость перемещения дуги второго вида по поверхности вольфрамовых электродов в наших экспериментах достигала (2-4)-10+3 см/сек., скорость направленного движения отдельных катодных пятен в дуге первого вида 10+4 см/сек. Напряжение на дуге в поперечном магнитном поле увеличивалось с ростом поля и достигало на вольфрамовых электродах 50-55 в, что на 25-30 в выше напряжения горения дуги в отсутствие поперечного магнитного поля.
Обсуждение результатов измерений
I = 4 ка FА - направление силы Ампера. 1 - момент возникновения дуги, 2 - момент перехода второго вида дуги в первый и инверсия направления движения дуги. Пучок на осциллограмме магнитною поля представляет собой импульс тока ФЭУ. ему соответствуй перерыв в свечении на фоторазвертке
Осциллограмма (а) вакуумной дуги отключения на электродах its вольфрама и соответствующая ей фоторазвертка (6)
В работе [2] показано, что по мере расхождения электродов возможно уменьшение плотности пара в области существования вакуумной дуги отключения и, как следствие, трансформация второго вида дуги в первый. От плотности пара зависит влияние магнитного поля на диффузию заряженных частиц из дуги [3]. Это влияние сказывается, когда X > Rx, где X - свободный пробег электрона, RL - радиус Лармора. При этом диффузия заряженных частиц из дуги меньше там, где магнитное поле больше. Согласно представлениям Кесаева [4], это приводит к смещению катодного пятна в область большего магнитного поля. Поскольку вокруг катодного пятна всегда имеется некоторая асимметрия собственного магнитного поля, оно вынуждено систематически смещаться, чем и объясняется высокая подвижность катодных пятен дуги низкого давления. При более высоких давлениях, когда влияние собственного магнитного поля на диффузию заряженных частиц из дуги несущественно, катодные пятна в течение длительного времени могут оставаться неподвижными. Поэтому в вакуумной дуге отключения уменьшение плотности пара, происходящее по мере расхождения электродов, приводит к трансформации неподвижных катодных пятен (дуга второго вида) в движущиеся (дуга первого вида). Исходя из рассмотренного механизма можно ожидать, что при наложении на вакуумную дугу отключения внешнего поперечного магнитного поля в начальной стадии, пока существует дуга второго вида, она будет двигаться в направлении силы Ампера; в последующей стадии, после перехода второго вида дуги в первый, направление движения изменится на обратное. Это и наблюдалось на опыте. С предложенным объяснением согласуется известный экспериментальный факт изменения направления движения дуги с прямого на обратное в поперечном магнитном поле при принудительном уменьшении давления окружающей среды [5].
Литература
- 1.I.A. Lukatskaya. Ргос. VII Intern. Conf. Phen. ioniz. gases (Beograd), 1,412, 1966.
- S.M. Selikatova, LA. Lukatskaya. Intern, conf. on gas discharges (London), p. 370, 1970.
- B.J1. Грановский. Радиотехника и электроника, 11,371, 1966.
- И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической дуги. Изд. Наука, 1968.
- C.J. G allache г, J.D. Cobine. Phys. Rev., 71,481, 1947.
