ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 850-855
УДК 537.52
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОБРЫВ ТОКА ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА
© 2004 г. Е. Ф. Прозоров, К. Н. Ульянов, В. А. Федоров
Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, Москва Поступила в редакцию 16.02.2004 г.
Экспериментально исследовано явление обрыва тока в вакуумно-дуговом разряде при наложении на него импульсного осесимметричного магнитного поля, имеющего продольную и поперечную составляющие. Изучены зависимости вероятности обрыва тока от величины тока, амплитуды импульса магнитного поля и значения ЭДС электрической цепи в диапазоне токов 100-600 А. Проанализированы основные факторы, влияющие на вероятность обрыва тока.
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1-3], что воздействием магнитного поля, имеющего значительную поперечную (относительно направления тока) составляющую, можно оборвать ток вакуумно-дугового разряда (ВДР). В литературе [1] высказывались соображения относительно механизма обрыва тока. В поперечном магнитном поле в плазме ВДР возникает азимутальный ток Холла, на который в продольном направлении действует сила Ампера, тормозящая поток быстрых катодных ионов. В результате этого эффекта возможен случай, когда быстрые ионы не достигают анода и происходит обрыв тока. Однако прямых аргументов в пользу справедливости такого механизма в [1] не приводилось. В [3] аналогичные представления были использованы для объяснения результатов эксперимента. В работе изучались особенности обрыва тока ВДР под действием осесимметричного импульсного магнитного поля, имеющего продольную и поперечную составляющие. Для тока дуги 100 А была получена зависимость вероятности обрыва тока от величины магнитного поля. Скоростное фотографирование позволило определить конфигурацию плазмы ВДР в момент прерывания тока. В [3] предложена теоретическая модель, связывающая обрыв тока с кризисом течения быстрых катодных ионов. Получено простое аналитическое выражение для скорости движения катодных ионов. С ростом величины поперечной составляющей магнитного поля значение скорости катодных ионов в прианодной области уменьшается. Если это значение достигает скорости ионного звука, то наблюдается кризис течения катодной струи плазмы. В этом случае ионы не достигают анода, у анода образуется слой отрицательного объемного заряда с положительным анодным падением, через который ток переносится пучком электронов [4]. В зависимости от величины тока ВДР
возможны два варианта. В сильноточном ВДР в результате быстрого нагрева анода пучком электронов происходит испарение атомов с его поверхности, ионизация паров и образование прианодной плазмы медленных ионов. В этом случае ВДР существует в стационарной форме с анодным пятном. В слаботочном ВДР (условия эксперимента [3]) анодное пятно не образуется и происходит обрыв тока.
В настоящей работе поставлена задача расширения диапазона исследуемых токов. Кроме того, предполагается изучить воздействие на ВДР импульсного магнитного поля, имеющего существенно большую, чем в [3], поперечную составляющую. Целью работы является определение условий обрыва тока, а также получение дополнительных данных для выяснения механизма этого обрыва.
Экспериментальная установка. Экспериментальное изучение характеристик вакуумной дуги в магнитном поле проводилось на установке, описание которой приведено в [3]. Изменения были внесены в электродную и магнитную системы разборной вакуумной камеры. В данной работе электродная система состояла из анода и катода цилиндрической формы, установленных соосно торцами навстречу друг другу. Диаметр катода составлял 30 мм, анода - 20 мм, расстояние между анодом и катодом - 14 мм. Электроды были выполнены из меди. Для инициирования дугового разряда в центре катода размещался узел поджига, представлявший собой металлический штырь, изолированный от катода керамической втулкой. Разряд по поверхности керамики, возникающий при подаче импульсного напряжения между штырем и катодом, являлся источником плазмы, обеспечивающей зажигание разряда в основном промежутке.
Внутри катода находилась катушка для создания импульсного магнитного поля. Верхняя плос-
Вг, Тл/кА
г, мс
Рис. 1. Динамика установления радиальной составляющей индукции магнитного поля Вг в центральной плоскости межэлектродного зазора, 1 - г = 4 мм, 2 -8 мм, 3 - 16 мм.
Рис. 2. Распределения по радиусу максимального значения продольной составляющей индукции магнитного поля В2м для различных расстояний г от плоскости катода, 1 - г = 3 мм, 2 - 7 мм, 3 - 11 мм.
кость катушки располагалась на расстоянии 3 мм от наружной торцевой поверхности катода. Дополнительными элементами разрядной камеры являлись защитные экраны, служившие для предохранения изоляторов от запыления веществом электродов. Питание катушки осуществлялось импульсом тока, имевшим форму полусинусоиды длительностью 2.5 мс и амплитуду, регулируемую в пределах 0-1 кА.
Пространственно-временное распределение магнитного поля в межэлектродном зазоре определялось экспериментально. Для этого использовались два датчика в виде измерительных катушек, оси которых располагались вдоль и перпендикулярно оси электродов. Датчики крепились на диэлектрической штанге и с помощью микрометрических винтов могли перемещаться в осевом и радиальном направлениях. Величина поля определялась в шести точках с шагом 4 мм по радиусу и в трех плоскостях, перпендикулярных оси промежутка (в центре зазора и на расстояниях, отстоявших на 3 мм от плоскостей катода и анода).
Измерения показали, что присутствие электродов влияет на динамику установления поля. На рис. 1 приведена временная зависимость радиальной составляющей индукции магнитного поля для различных расстояний от оси промежутка. Отметим, что нарастание магнитного поля происходит медленнее, чем нарастание тока в катушке. В середине зазора максимальные значения обеих составляющих поля (продольной и радиальной) до-
стигаются в момент времени г = 1.6 мс после подачи тока в катушку, в то время как ток имеет максимум при г = 1.25 мс.
На рис. 2 и 3 приведены распределения по радиусу максимальных значений продольной Вгм и
Рис. 3. Распределения по радиусу максимального значения радиальной составляющей индукции магнитного поля Вгм для различных расстояний г от плоскости катода, 1 - г = 3 мм, 2 - 7 мм, 3 - 11 мм.
I, А
г, мс
Рис. 4. Осредненные осциллограммы тока дуги I для
двух режимов протекания тока: 1 - обрыв тока, 2 - восстановление тока; 10 = 200 А, и0 = 125 В, 1маг = 40 А.
радиальной Вгм составляющих индукции магнитного поля для различных расстояний от оси. Значения Вт и Вгм нормированы на амплитуду тока в катушке. Видно, что осевая составляющая имеет максимальное значение в плоскости катода на оси промежутка и монотонно уменьшается в осевом и радиальном направлениях. Радиальная составляющая равна нулю на оси системы, возрастает при удалении от нее и достигает максимума примерно на расстоянии 10 мм от оси. В осевом направлении максимальное значение Вгм в пределах межэлектродного зазора соответствует плоскости катода. Отметим, что обе составляющие примерно равны друг другу на расстоянии, равном радиусу анода, а на больших расстояниях радиальная составляющая превышает продольную.
Результаты экспериментов. Экспериментально исследовались особенности протекания тока вакуумной дуги при воздействии внешнего импульсного магнитного поля. Питание разряда осуществлялось от конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью 100 мФ, которая через балластное сопротивление подключалась к электродам камеры. Начальное напряжение на промежутке изменялось в пределах 100-250 В, ток дуги - в диапазоне 100-600 А.
Ток дуги измерялся осциллографическим методом с помощью коаксиального шунта, напряжение на дуге - компенсированным делителем, ток, подаваемый в катушку магнитной системы, -поясом Роговского. Установка была оснащена скоростным фоторегистратором (СФР), который через иллюминаторы камеры осуществлял пока-
дровую фотосъемку свечения разрядного промежутка и поверхности электродов.
В отсутствие магнитного поля ток дуги соответствовал режиму апериодического разряда конденсатора и экспоненциально спадал вплоть до момента обрыва тока на уровне 20-40 А. Напряжение на дуге при этом практически не менялось и составляло примерно 25 В.
При включении магнитного поля одновременно с поджигом разряда в зависимости от комбинации значений начального напряжения, тока дуги и магнитного поля наблюдались два режима протекания тока. В одном случае при увеличении магнитного поля происходило уменьшение тока и рост напряжения на дуге. Ток при этом достигал весьма низкого уровня, однако при уменьшении магнитного поля ток дуги увеличивался до значения, соответствующего току при отсутствии магнитного поля. В другом случае во время воздействия магнитного поля происходило уменьшение тока и его обрыв с одновременным восстановлением напряжения на промежутке практически до начального значения (постоянная времени разряда цепи источника питания была много больше длительности импульса магнитного поля). Отметим, что процесс носил вероятностный характер. При заданном значении магнитного поля и постоянстве других параметров (ток разряда, начальное напряжение на промежутке) мог реализоваться как тот, так и другой режим. Характерные осциллограммы тока для этих случаев приведены на рис. 4. Эти осциллограммы являются результатом осреднения по 20 импульсам.
В случае реализации режима обрыва тока типичное время составляло 1.5 мс, что соответствовало времени достижения максимума поля в промежутке. С увеличением амплитуды импульса магнитного поля наблюдалось уменьшение времени обрыва тока.
Эксперименты показали, что вероятность обрыва тока зависит от трех параметров: начального тока дуги, величины магнитного поля и ЭДС источника питания. В результате экспериментов для различных токов разряда были получены вероятности отключения дуги в зависимости от величины ЭДС и магнитного поля.
На рис. 5 приведены зависимости вероятности обрыва тока дуги Р от амплитуды тока в катушк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.