научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАБОТУ МАЛОГАБАРИТНОГО ВАКУУМНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДНИКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАБОТУ МАЛОГАБАРИТНОГО ВАКУУМНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДНИКА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 70-73

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.385

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАБОТУ МАЛОГАБАРИТНОГО ВАКУУМНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДНИКА

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

ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова Россия, 127055, Москва, ул. Сущёвская, 22 E-mail: vniia@vniia.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г. После доработки 21.04.2014 г.

Продемонстрирована возможность исключения привязки катодных пятен разряда в малогабаритном вакуумном импульсном разряднике путем помещения последнего в магнитное поле. Приведен вероятный физический механизм данного явления.

DOI: 10.7868/S0032816215010140

Идея применения управляемого пробоя вакуумного промежутка для создания высоковольтного малогабаритного вакуумного импульсного разрядника, а также первый вариант конструкции и схема включения прибора в коммутируемую цепь были предложены в работе [1]. В настоящее время управляемые малогабаритные разрядники применяются в каротажной аппаратуре, высокоскоростной фотографии, устройствах подсветки быстропротекающих процессов импульсами оптического и рентгеновского излучения, а также в ряде других областей, где определяющими требованиями являются отсутствие накальных цепей, миниатюрность, широкий диапазон коммутируемых токов, устойчивость к внешним воздействиям.

Авторы настоящей работы изучали возможность воздействия на режим протекания разряда в малогабаритном вакуумном разряднике магнитным полем, создаваемым в объеме прибора внешними источниками, с целью увеличения ресурса и повышения стабильности работы разрядника. В проведенных исследованиях использовался управляемый вакуумный разрядник, представляющий собой трехэлектродную коаксиальную систему (катод, анод, поджигающий электрод), расположенную внутри герметичной откачанной и отпаянной оболочки, выполненной из диэлектрического материала (рис. 1).

Катод, поджигающий электрод и плотно сжатая между ними диэлектрическая шайба толщиной 0.1 мм, выполненная из слюды, образуют систему поджига. Диэлектрик, заполняющий промежуток между катодом и поджигающим электродом, служит для снижения и стабилизации напряжения

поджигающего пробоя, инициирующего пробой между катодом и анодом, который приводит к срабатыванию разрядника в качестве коммутирующего элемента внешней электрической цепи. 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. Напряжение самопробоя при этом составляет не менее 10 кВ. Срабатывание разрядника происходит с частотой ~1 Гц (т.е.

N

S

N

S

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; 8 — блок управляющих импульсов напряжения; 9 — формирующая линия в цепи разрядного тока.

(а)

(б)

Рис. 2. Осциллограммы управляющего импульса напряжения на поджигающем электроде (1) и разрядного тока в промежутке катод—анод (2) при различных временных развертках: 5 мкс/деление (а) и 0.5 мкс/деление (б).

практически это означает, что разрядник работает в режиме одиночных импульсов) при подаче на поджигающий электрод положительного относительно катода импульса напряжения амплитудой 3.5 кВ и крутизной фронта (1—2) • 1010 В/с. Разброс времени задержки пробоя промежутка катод—анод относительно момента подачи управляющего импульса напряжения на поджигающий электрод не превышает 50 нс.

Коммутируемый в промежутке катод—анод ток имеет продолжительность 3 • 10-5 с и амплитуду 200—300 А. Параметры импульса тока определяются формирующей линией, по отношению к которой разрядник выступает в качестве замыкающего электрическую цепь ключа. Схема управляемого вакуумного разрядника приведена на рис. 1, осциллограммы управляющего импульса напряжения на поджигающем электроде и раз-

рядного тока в промежутке катод—анод — на рис. 2.

При подаче импульса напряжения на поджигающий электрод по мере роста напряжения напряженность электрического поля у кромки катода, прилегающей к диэлектрической шайбе, достигает значений, при которых возникают токи автоэлектронной эмиссии. Величина этих токов достаточна для испарения микроострий на поверхности катода, а также ионизации образующихся паров вещества катода и молекул сорбированного на поверхности катода и диэлектрической шайбы газа. Формируются катодное пятно и облако плазмы, которое, расширяясь в окружающее пространство как под действием приложенного к промежутку катод—анод напряжения, так 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 [2].

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. Данное явление, кроме того, вызывает повышенный перенос проводящего вещества электродов на поверхность диэлектрической шайбы на локализованном участке ее периметра. В свою очередь все эти процессы в комплексе приводят к нарушению стабильности работы разрядника. Следует отметить, что тщательная предварительная очистка поверхности электродов и их центровка по оси симметрии разрядника не позволяет избавиться от привязки разряда.

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 другу (см. рис. 1). Магниты создавали в объеме разрядника магнитное поле с индукцией ~0.1 Тл, силовые линии которого параллельны оси симметрии разрядника.

Для двух идентичных разрядников были проведены испытания — две серии включений по тысяче срабатываний как в отсутствие магнитного поля, так и при его наличии. Визуальное обследование разрядников, подвергшихся испытаниям, было выполнено с помощью оптического микро-

------- "2

1

1,

К

л —-

2

1

; г

1

и

1

1*

72

Рис. 3. Фотографии катодов: а — до начала испытаний; б — после испытаний в отсутствие магнитного поля; в — после испытаний в присутствии магнитного поля.

скопа МБС-9 при 14х—100х увеличении. Получены следующие результаты (рис. 3).

В отсутствие магнитного поля заметной эрозии было подвержено от одной четверти до одной трети боковой поверхности катода. То же самое можно сказать о диэлектрической шайбе. Локализация областей наиболее интенсивной эрозии катода и диэлектрической шайбы пространственно совпадает. Наблюдается перенос вещества катода в направлении диэлектрической шайбы и частично на ее поверхность. На торцевой поверхности катода эрозия не наблюдается.

При наличии магнитного поля эрозия наблюдалась по всей боковой поверхности катода и визуально была равномерной. Эрозия диэлектрической шайбы была однородна по периметру. Эро-

и др.

Рис. 4. Фотография внутренней цилиндрической поверхности анода, подвергшегося воздействию разряда.

зия плоской торцевой поверхности катода не наблюдалась и в этом случае, но зато появилась эрозия (в основном, в виде отдельных кратеров — следов катодных пятен, возникавших на стадии дугового разряда) на границе, разделяющей боковую цилиндрическую и плоскую торцевую поверхности катода, т.е. там, где поверхность электрода заметно выступает в область электрического поля и напряженность электрического поля у поверхности катода имеет повышенную величину. Наблюдаемая в наших экспериментах эрозия анода оказалась несущественной (рис. 4).

Таким образом, размещение малогабаритного управляемого вакуумного разрядника в магнитном поле с технически легко реализуемой напряженностью и конфигурацией позволило создать условия для повышения симметричности воздействия вакуумного разряда на электроды и диэлектрическую шайбу системы поджига разрядника и, как следствие, привело к более низкой и более равномерной их эрозии, что в свою очередь повысило ресурс и стабильность работы прибора.

Рассмотрим возможный механизм воздействия магнитного поля на условия протекания разряда. Согласно данным работы [3], скорость распространения катодного факела в промежутке катод—анод в условиях наших экспериментов (малый зазор, наличие поперечного магнитного поля) может составлять ~104 м/с. Таким образом, ожидаемое время замыкания промежутка катод-анод окажется ~10-7 с.

Под действием магнитного поля катодное пятно на стадии искрового разряда будет перемещаться в направлении действия силы Ампера со скоростью ~104 м/с [3]. За время ~10-7 с смещение составит порядка миллиметра. С переходом к дуговой стадии разряда скорость перемещения катодного пятна снизится на два порядка величины

(при этом направление движения катодного пятна в магнитном поле сменится на противоположное). Однако продолжительность дуговой стадии (~3 • 10-5 с) такова, что величина смещения окажется порядка нескольких миллиметров, что сопоставимо с линейными размерами катода.

Кроме того, так как продолжительность цикла центров взрывной электронной эмиссии (10-8 с) [3] много меньше времени развития искрового разряда в промежутке катод—анод, то под действием, например, излучения, испускаемого плазмой катодного факела и бомбардирующего поверхность катода, возможно формировани

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»