Эрозия катода складывается из паровой (нейтральные пары и ионы) компоненты и капельной компоненты. Соотношение паровой и капельной компонент эрозии (скоростей эрозии) зависит от материала катода. Для медного катода, например, паровая компонента эрозии составляет ~ 40% от полной эрозии.
Слаботочная вакуумная дуга.
Слаботочная вакуумная дуга.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Катодное пятно вакуумной дуги. Эрозия катода. Капельная эрозия.
ВД генерирует капли, размер которых меняется в широких пределах от долей микрона до сотен микрон (недавно удалось обнаружить капли размером ~ 10 нм). Количество капель растёт с уменьшением их размера. Основная масса переносится каплями размером более 10 мкм. Капли эмитируются под небольшими углами к поверхности катода. Скорость капель может достигать ~ 104 см/с.
Капли отрываются при высокой температуре и парят при пролёте через межэлектродный промежуток. Потери энергии на испарение частично компенсируются потоком тепла, приносимым ионами на поверхность капли при пролёте её сквозь плазму (каплю можно рассматривать, как сферический зонд, находящийся под плавающим потенциалом). Поэтому капли являются источником пара в ВД. Причём, в отличие от электродов, – объёмным источником. Капли пролетают несколько см, прежде, чем их температура падает ниже точки плавления.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Катодное пятно вакуумной дуги. Эрозия катода. Паровая и ионная компонента эрозии (плазменная струя катодного пятна вакуумной дуги).
Экспериментально показано, что КП является источником пара и струи быстрых ионов (плазмы). Источником пара являются периферийные области КП, не несущие тока, но разогретые до высоких температур, а также следы отмирающих КП. Это подтверждается измерениями энергетического распределения атомной компоненты, показавшими, что средняя энергия распределения составляет несколько тысяч К и близка к температуре кипения материала катода. Результаты этих измерения можно рассматривать как экспериментальную оценку (снизу) температуры поверхности в КП (измерения были выполнены для ряда не тугоплавких металлов). Источником струи быстрых ионов (плазмы) является непосредственно КП. Средняя скорость ионов в струе зависит от материала катода и составляет > 106 см/с. При повышении интегральной температуры поверхности средняя скорость падает. Средний заряд иона в струе Z > 1 ( для тугоплавких металлов Z > 2). При I < 100 А угловое распределение струи близко к косинусному. Максимум распределения совпадает с нормалью к поверхности катода. Максимальный ионный ток, который можно собрать на экран, окружающий ВД и находящийся при потенциале, близком к потенциалу катода, составляет ≤ 10 % от тока дуги (f = Iimax / I ≤ 10 %).
Первые измерения доли ионного тока на катод были сделаны в работе: C. W. Kimblin, “Erosion and ionization in the cathode spot regions of vacuum arc” , J. Appl. Phys., 1973, v. 44, No. 7, pp.3074 – 3081. здесь X – эрозия (г/Кл), L – длина межэлектродного промежутка, R – радиус анода. При L >> R достигается максимум ионного тока.
Блок- схема измерений ионного тока.
Максимальный ионный ток на экран в зависимости от тока дуги для катодов из различных металлов.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Катодное пятно вакуумной дуги. Эрозия катода. Ионная компонента эрозии.
Измерения с помощью электростатических анализаторов с задерживающим полем. (Подобные измерения проводятся на значительных расстояниях от катода ( ~ 10 см). )
Влияние интегральной температуры катода на энергетическое распределение ионов объясняется следующим образом. Измерения проводятся на значительных расстояниях от катода. Ионы, достигшие анализатора, пролетели через облако нейтрального пара, концентрация которого тем выше, чем выше интегральная температура катода. Взаимодействие потока ионов с медленными атомами пара вследствие реакций перезарядки типа: Xz+ + X = X(z-1)+ + X+ приводит к уменьшению содержания многозарядных ионов в потоке, изменению энергетических спектров и снижению средней энергии ионов.
Слаботочная вакуумная дуга.
Дуга с холодным катодом.
Катодное пятно вакуумной дуги. Основные подходы к теоретическому описанию процессов в КП и в истекающей из него плазменной струе.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.