Дугу с холодным катодом обычно зажи- гают путем кратковременного контакта подвижного анода (или вспомогательно- го электрода-игнитора) с холодным катодом. Хорошо известным примером может служить зажигание дуги при электросварке. В месте контакта — при достаточно больших токах, происходит сильный разогрев электродов, начинается испарение контактирующих участков, образующиеся пары ионизуются, и зажигается дуга. Если разряд длительный, то эволюция катодного пятна существенно зависит от того, может ли катод нагреться до температур, при которых термоэмиссия обеспе- чивает разрядный ток, или его температура кипения слишком низка и необходимые значения термоэмиссии не достижимы. В первом случае спустя некоторое время возникает стационарная более или менее однородная эмиттирующая зона с малой скоростью эрозии, а во втором — на катоде появляются мелкие пятна, сохраняю- щиеся все время. Всюду ниже, говоря о длительных разрядах, будем иметь в виду катоды с низкой температурой кипения. Эти пятна наблюдаются в очень широком диапазоне разрядных токов — от деся- тых долей ампера до тысяч ампер и выше, как в классических устройствах (например, в ртутных выпрямителях или на разрываемых сильноточных электроконтактах), так и в плазменных ускорителях с холодными катодами (см.ниже). Пятна вызывают сильную эрозию материала катода, причём продукты эрозии выбрасываются в виде ионизованного пара и капель с характерным диаметром порядка нескольких мик- рон 0. Генерация плазмы катодным пятном приводит к тому, что его характеристики сравнительно слабо зависят от давления окружающей среды, по крайней мере, в пределах от 0 до 1 атм. В связи с широким распространением в свое время ртутных выпрямителей процессы на холодных катодах изучались часто на приборах с ртутным катодом. В зависимости от разрядного тока и скорости перемещения катодной зоны по электроду (или времени, прошедшего с момента начала разряда) можно говорить о трех типах пятен, которые наблюдаются на катоде [184]. "Быстрые" пятна ("ячейки" по И. Г. Кесаеву) — это структуры с характерными размерами ~ 1-10мкм и током в каждом пятне ~ 0,1-1 А. Они быстро переме- щаются по поверхности катода со скоростью несколько десятков метров в'секунду, оставляя специфические неглубокие (~ 0, 1-0,3 мкм) повреждения в виде "елочек" или "веточек" (рис. 7.6.76,в). "Медленные" пятна наблюдаются при разрядных токах более 100-300 А. Они имеют размер ~ 0, 1 мм и перемещаются со скоростью нескольких метров в секунду. На рис. 7.6.7а изображены следы медленных пятен. При разрядных токах ~ 1000 А характерные значения тока в одном пятне ~ 200-500 А (медь). 1) То есть здесь мы имеем взрывную эмиссию. 410 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел а 10 мм б ¦ ^^—••> - 1 мм в 1ММ Рис. 7.6.7. Различные типы следов эрозии холодного катода дугового разряда при разных скоростях движения катодного пятна: а — v = 0.2 м/с, Jp = 400 А; б — v = 20.2 м/с, Jp = 40 А; в — v = 60 м/с, Jp = 100 А "Неподвижные" пятна наблюдаются в условиях, когда дуга при токе ~ 100 А и бо- лее стационарно горит между двумя достаточно близко расположенными электрода- ми. Существование неподвижной дуги сопровождается образованием расплавленного пятна. Эти типы пятен хорошо видны на рис. 7.6.8 [185]. Рис. 7.6.8. Фотография медленных катодных пятен на цинковом электроде при силе тока Jp ~ « 103А. Межэлектродный зазор — 2 мм По своим свойствам наиболее любопытными являются быстрые пятна. Отметим некоторые из их особенностей. 1. Размеры пятен по разным оценкам лежат в пределах 1-10 мкм. 2. Движение пятен хаотично, и смещение их подчиняется стохастическому закону х2 ~t. 3. "Квантование" тока. В широком диапазоне разрядных токов ток в одной ячейке изменяется в сравнительно узких пределах от некого минимального Jo до максимального < 3Jo. Если разрядный ток становится меньше Jo, то разряд погасает, а если больше 3Jo, то пятно делится на два. Величина Jo зависит от температуры кипения материала катода и его теплопроводности. Характерные значения Jo следующие 7.6. Примеры приэлектродных процессов 411 Hg- 0,07 А, А1 - 1А, Fe- 1,5 А, Си - 1,5 А. 4. Оценки показывают, что характерные плотности тока в ячейках ~ 105- 106А/см2. Такие большие плотности тока указывают на взрывной характер эмиссии. 5. Время жизни ячеек (время пребывания на одном месте) ~ 10~4—10~6. 6. Катодное падение потенциала лежит обычно в пределах ~ 10—15 В. 7. Парадоксально, но факт: при наложении магнитного поля параллельно по- верхности катодные пятна движутся не по направлению амперовой силы, а в противоположном направлении.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Пятна на холодном катоде» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
