Было обнаружено, что в процессе вакуумного дугового разряда, в структуре катодного пятна, возникают отдельные ячейки, живущие миллиардные доли секунды, но определяющие все основные свойства дугового разряда. Серии экспериментов подтвердили выдвинутое академиком Г.А. Месяцем предположение о том, что в основе механизма функционирования ячеек катодного пятна лежит электрический взрыв жидкометаллических струй.
Вакуумная дуга была открыта в начале 19-го века русским ученым академиком В. Петровым. Несмотря на широкое практическое использование и долгую историю исследований вакуумного дугового разряда механизм его функционирования и в настоящее время остается предметом дискуссии и споров.
Разряд этого типа обладает такими характерными свойствами, как низкое напряжение горения разряда, большая плотность тока в области катодной привязки разряда, высокая концентрация заряженных частиц в прикатодной области, наличие порогового тока зажигания, самопроизвольное погасание разряда и т.д.
Многочисленными экспериментами установлено, что все своеобразие вакуумной дуги практически целиком связано с процессами в небольшой, ярко светящейся области на катоде, посредством которой осуществляется токоперенос между катодом и межэлектродным промежутком. Эта область получила название катодного пятна и включает в себя активную часть поверхности катода, нагретую до температур, намного превышающих температуру плавления материала катода, и плотную прикатодную плазму, образующуюся в результате испарения активной части.
Трудности исследования процессов в катодном пятне объясняются тем, что катодные пятна чрезвычайно быстро, со скоростью 100 м/c, перемещаются по поверхности катода, а размеры пятна составляют миллионные доли метра. При этом вещество катода в зоне пятна находится в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях. Кроме этого, само катодное пятно обладает внутренней структурой, проявляющейся в существовании отдельных ячеек пятна, время жизни которых составляет миллиардные доли секунды. Именно процессами в отдельной ячейке пятна определяются все основные свойства вакуумного дугового разряда.
Г.А. Месяцем было высказано предположение о том, что в основе функционирования ячейки катодного пятна лежит электрический взрыв жидкометаллических струй, приводящий к инициированию взрывной электронной эмиссии. Это предположение лежит в основе предложенной им эктонной модели катодного пятна вакуумной дуги.
Непосредственное наблюдение процесса формирования и взрыва жидкометаллических струй при горении вакуумной дуги представляет собой очень сложную задачу ввиду малых временны′х и пространственных масштабов этих процессов. В связи с этим учёными ФИАНа и Института электрофизики Уральского отделения РАН было проведено исследование эрозионных структур на катоде, образующихся в результате функционирования катодного пятна, для того, чтобы идентифицировать застывшие струи, определить их среднюю массу и сравнить с массой, образующейся плазмы, величина которой известна из экспериментов.
Эксперименты проводились при малых токах горения дуги, чтобы количество одновременно функционирующих ячеек катодного пятна было минимальным. Результаты экспериментов приведены на рисунках 1-4.
Рисунок 1. Типичные геометрические размеры и форма застывших жидкометаллических струй при токах дуги, близких к пороговым
Из рисунка 1 видно, что след катодного пятна содержал достаточно большое количество застывших жидкометаллических микронеоднородностей, в том числе в виде струй.
То, что струи микронного размера представляют собой финальную стадию их формирования, иллюстрирует рисунок 2, на котором видны неоторвавшиеся капли.
Рисунок 2. Застывшие жидкометаллические струи с не оторвавшимися каплями
Длина наиболее развитых струй имеет микронные размеры. На рисунке 3 приведено их распределение по массе, оцененной из геометрических размеров.
Рисунок 3. Распределение жидкометаллических струй по их массе
Обработаны изображения 50 струй, застывших на поверхности вольфрамового катода при околопороговых токах. При этом учитывались микронеоднородности именно в виде струй, не сглаженных под действием силы поверхностного натяжения.
Оказалось, что средняя масса жидкометаллической струи составляет примерно 2 триллионные доли грамма, что соответствует массе катода, перешедшего в плазменное состояние при функционировании отдельной ячейки катодного пятна, определенной другими независимыми методами.
Геометрическая форма и размеры струй, приведенные на рисунках 1 и 2, таковы, что инициирование нового взрывоэмиссионного центра или ячейки пятна происходит в течение достаточно короткого времени (миллиардные доли секунды) при ее взаимодействии с плотной прикатодной плазмой.
Параллельно с анализом эрозионных структур на катоде учеными было проведено исследование свечения катодного пятна с высоким временным разрешением (миллиардные доли секунды).
На рисунке 4 приведены результаты этого исследования для условий эксперимента по изучению эрозионных структур на катоде.
Рисунок 4. Свечение катодного пятна при околопороговых токах
Хорошо видно, что генерирование плазмы (вспышки света) имеет циклический характер. Эти вспышки различаются по интенсивности и длительности вследствие различной массы взрывающихся жидкометаллических струй. Среднее время цикла составляет 25 нс, что и является средним временем жизни ячейки катодного пятна.
Какова же тогда причина гибели ячейки?
Дело в том, что на жидкометаллическую прослойку в зоне катодного пятна действует реактивная сила испускаемой струи плазмы. Причем, давление, оказываемое струей, может достигать нескольких тысяч атмосфер. Под действием этого давления жидкометаллическая фракция катодного пятна и выбрасывается в виде струй и капель из зоны функционирования ячейки. Выброс жидкого металла приводит к резкому падению температуры в этой области и прекращению процесса генерации катодной плазмы.
Скорость роста струй, оцененная по результатам экспериментов, составляет величину порядка 100 м/c.
Возникновение этих жидкометаллических струй, приводящее к гибели ячейки пятна, является одновременно и инициированием новой ячейки катодного пятна, поскольку ее взаимодействие с плазмой, рожденной в процессе функционирования погибшей ячейки, приводит к инициированию нового микровзрыва. Следовательно, ячейка пятна, прежде чем погибнуть, готовит условия для рождения новой.
Таким образом, горение вакуумного дугового разряда представляет собой последовательный процесс рождения и гибели ячеек катодного пятна вакуумной дуги.
По словам старшего научного сотрудника Лаборатории вакуумной и плазменной электроники ФИАН Сергея Александровича Баренгольца,
«…проведенный анализ эрозионных структур на катоде вакуумной дуги подтвердил высказанное ранее Г.А. Месяцем предположение о ключевой роли жидкометаллической фазы катодного пятна в функционировании и самоподдержании дугового разряда».
В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
