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.