научная статья по теме МАЛОГАБАРИТНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Физика

Текст научной статьи на тему «МАЛОГАБАРИТНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 2, с. 216-220

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9... 15

МАЛОГАБАРИТНЫМ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВАКУУМНЫЙ РАЗРЯДНИК

ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ © 2015 г. В. И. Асюнин, С. Г. Давыдов, А. Н. Долгов, А. А. Пшеничный, Р. Х. Якубов

Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, Россия

е-таИ:а$У1@таИ.ги, alnikdolgov@mail.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г. Окончательный вариант получен 26.06.2014 г.

С целью управления режимом протекания разряда малогабаритный управляемый разрядник был помещен во внешнее однородное магнитное поле. В магнитном поле столь простой пространственной конфигурации оказалось возможным подавить эффект локализации области протекания коммутируемого тока при многократном повторении рабочего цикла разрядника.

БОТ: 10.7868/80367292115020018

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из часто встречающихся проблем, которая требует решения для обеспечения большого ресурса и высокой стабильности работы вакуумного разрядника, является локализация области развития разряда. Указанное явление приводит к тому, что при многократном срабатывании коммутирующего устройства разряд происходит в ограниченной области его рабочего пространства. Тем самым воздействию разряда подвергаются только отдельные участки электродной системы, что приводит к увеличению скорости эрозии их поверхностей и снижает тем самым ресурс и стабильность работы разрядника.

Повлиять на режим протекания разряда с целью предотвращения локализации области его развития можно, например, с помощью внешнего магнитного поля. Известно, что при наличии тангенциального к поверхности катода магнитного поля происходит смещение катодного пятна. В искровом разряде наблюдается преимущественное возникновение новых центров электронной эмиссии и, соответственно, движение катодного пятна в направлении действия силы Ампера, в дуговом — в "аномальном" направлении, т.е. в направлении, противоположном действию силы Ампера [1].

2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

А.А. Бришем [2] была предложена идея применения вспомогательного пробоя вакуумного промежутка по поверхности диэлектрика для создания высоковольтного малогабаритного разрядника. Им же был разработан первый вариант

конструкции подобного разрядника, имеющего большую область рабочего напряжения от 100 В до 10 кВ [3]. Применение пробоя по поверхности диэлектрика позволяет снизить пробивное напряжение поджигающего промежутка, а тем самым и амплитуду пускового импульса. В настоящее время управляемые малогабаритные вакуумные разрядники данного типа широко и успешно применяются в аппаратуре, предназначенной для фоторегистрации быстропротекающих процессов, формирования импульсов зондирующего электромагнитного излучения с различной длиной волны, нефтяного каротажа [3]. Используемый в представленных исследованиях управляемый вакуумный разрядник представляет собой трехэлектродную коаксиальную систему (катод, анод, поджигающий электрод), которая расположена внутри герметичной откачанной оболочки, выполненной из диэлектрического материала (рис. 1). Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая шайба толщиной 100 мкм, выполненная из слюды, образуют систему поджига. Величина зазора в промежутке катод—анод составляет 1 мм. Диаметр катода, выполненного из алюминия, равен 5 мм. Катод заземлен, анод до начала процесса коммутации находится под положительным потенциалом 2—3 кВ. Срабатывание разрядника происходит при подаче на поджигающий электрод положительного относительно катода импульса напряжения амплитудой 3.5 кВ и крутизной переднего фронта (1—2) х 1010 В/с. Коммутируемый в промежутке катод—анод ток имеет продолжительность 3 х 10-5 с и амплитуду 200—300 А. В ходе проведения экспериментов для контроля режима срабатывания разрядника регистрировались осциллограммы тока в промежутке катод—анод с

Рис. 1. Схема управляемого вакуумного разрядника: 1 — анод, 2 — катод, 3 — уплотняющая металлическая прокладка, 4 — диэлектрическая шайба, 5 — поджигающий электрод, 6 — герметичная диэлектрическая оболочка, 7 — постоянные магниты.

Рис. 2. Осциллограммы импульса напряжения, подаваемого на промежуток поджигающий электрод—катод, и импульса тока, протекающего между катодом и анодом.

помощью калиброванного пояса Роговского и осциллограммы напряжения на промежутке поджигающий электрод—катод с помощью калиброванного делителя напряжения (рис. 2).

При подаче импульса напряжения на поджигающий электрод по мере роста напряжения напряженность электрического поля у кромки ка-

тода, прилегающей к диэлектрической шайбе, достигает значений, при которых возникают токи автоэлектронной эмиссии, достаточные для испарения микроострий на поверхности катода, ионизации образующихся паров вещества катода и молекул сорбированного на поверхности катода и диэлектрической шайбы газа. Формируется катодное пятно и облако плазмы, которое, расширяясь в окружающее пространство одновременно под действием приложенного к промежутку катод—анод напряжения и благодаря большой подвижности электронов, распространяется в направлении анода. Образуется катодный факел, который замыкает промежуток катод—анод, и искровая стадия разряда переходит в дуговую стадию [4]. Недостатком описанного коммутирующего устройства является несимметричность по периметру системы воздействия протекающего в нем разряда на поверхность электродов и диэлектрической шайбы или так называемая привязка катодных пятен разряда, приводящая к неравномерной эрозии поверхности электродов (в первую очередь их кромок, прилегающих к диэлектрической шайбе) и диэлектрической шайбы.

С целью управления условиями протекания разряда и для повышения симметричности его воздействия на электроды и диэлектрическую шайбу снаружи герметичной оболочки разрядника были размещены коаксиально два цилиндрических постоянных магнита размерами 012 х 15 мм, разноименными полюсами навстречу друг к другу (рис. 1). Магниты создавали в объеме разрядника практически однородное магнитное поле порядка 10-1 Тл, силовые линии которого параллельны оси симметрии разрядника.

Были осуществлены две серии испытаний для двух идентичных разрядников — в каждой серии включений по тысяче срабатываний — в одном варианте в отсутствие магнитного поля, в другом варианте при наличии магнитного поля указанной выше конфигурации и величины индукции. Визуальное обследование разрядников, подвергшихся испытаниям, выполненное с помощью оптического микроскопа МБС-9 при 14—100 кратном увеличении дало следующие результаты. В отсутствие магнитного поля заметной эрозии было подвержено примерно 20—30 процентов периметра боковой поверхности катода. То же самое можно сказать о диэлектрической шайбе. Локализация областей наиболее интенсивной эрозии катода и диэлектрической шайбы пространственно совпадает. На рис. 3 представлены изображения областей с максимальной и минимальной степенью эрозии промежутка катод—диэлектрическая шайба—поджигающий электрод после испытаний, полученные с помощью электронного микроскопа JSM-35F. На торцевой поверхности катода эрозия не наблюдается. При наличии магнитного поля эрозия наблюдалась по всему пери-

218

АСЮНИН и др.

Рис. 3. Изображения промежутка катод — диэлектрическая шайба — поджигающий электрод после испытаний в отсутствие магнитного поля, полученные с помощью электронного микроскопа: а) в области минимальной визуально наблюдаемой эрозии, б) в области максимальной визуально наблюдаемой эрозии. В конструкцию электродной системы, представленную на рисунке, введены дополнительные элементы. На рис. а) указаны: 1 — катод, 2 — прокладка из титана, 3, 5 — прокладки из ковара, 4 — диэлектрическая шайба, 6 — поджигающий электрод. На рис. б) видна значительная эрозия поверхности катода, диэлектрической шайбы и перенос вещества катода на поверхность примыкающих к нему шайб из титана и ковара. Поверхность данных прокладок полностью скрыта под слоем вещества катода. Фактически она превратилась в поверхность катода, на которой видны сливающиеся друг с другом кратеры от воздействия катодных пятен. На изображении видны следы плавления и механического разрушения диэлектрической прокладки.

метру боковой поверхности катода и визуально была равномерной. Эрозия диэлектрической шайбы однородна по периметру. Эрозия торцевой поверхности катода не наблюдалась и в этом случае (рис. 4). Таким образом, размещение малогабаритного управляемого вакуумного разрядника в магнитном поле, технически легко реализуемой величины и конфигурации, позволило создать условия для повышения однородности воздействия вакуумного разряда на электроды и диэлектрическую шайбу системы поджига. Следствием более равномерной эрозии стало замедление процесса разрушения диэлектрической шай-

бы и снижение потока проводящего вещества электродов на поверхность шайбы. Это в свою очередь приводит к увеличению ресурса и повышению стабильности работы прибора. Наблюдается значительное замедление изменения импульсного напряжения пробоя по поверхности диэлектрической шайбы с ростом числа включений прибора (рис. 5). На переднем фронте регистрируемого с помощью пояса Роговского тока, протекающего через разрядник, и на переднем фронте сигнала с делителя напряжения присутствует высокочастотная наводка. Поэтому мы можем сказать, что если и существует задержка формирования импульса тока при наложении магнитного поля, то она не превышает 0.1 мкс.

Рассмотрим возможный механизм воздействия магнитного поля на условия протекания разряда, приводящие к наблюдаемым результатам. При подаче на поджигающий электрод импульса напряжения присутствие магнитного поля, описанной выше пространственной конфигурации, не влияет на процесс пробоя по поверхности диэлектрической шайбы, т.к. направление вектора индукции магнитного поля параллельно направлению распространения заряженных частиц из катодного пятна. Скорость распространения катодного факела для плазмы алюминия можно оценить как 4 х 104 м/с [5]. При толщине диэлектрической шайбы 10-4 м получим для длительности искровой стадии разряда по ее поверхности величину порядка 2 х 10-9 с. Напротив,

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»