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»

    Профессор Ефим Михайлович Окс комментирует свежие данные лабораторных исследований катодных пятен вакуумной дуги. Интерес к изучению феномена катодного пятна обусловлен необыкновенно широким применением вакуумного дугового разряда в сильноточных коммутаторах, ионно-плазменных напылительных устройствах, источниках ионов металлов и других устройствах.

    Катодным пятном называется небольшая сильно разогретая область на катоде, которая характеризуется ярким свечением. Через нее осуществляется перенос тока между катодом и межэлектронным пространством в дуговом разряде. Катодное пятно вакуумной дуги представляет собой объект интенсивных исследований на протяжении уже более 100 лет. Интерес к изучению феномена катодного пятна обусловлен необыкновенно широким применением вакуумного дугового разряда в сильноточных коммутаторах, ионно-плазменных напылительных устройствах, источниках ионов металлов и других устройствах. Несмотря на то, вакуумная дуга интенсивно используется в промышленности, на сегодняшний день не существует единой замкнутой физической модели этого феномена, окончательно признанной научным сообществом. В недалеком прошлом ученые полагали, что катодные пятна все одинаковые. Однако в результате относительно недавних исследований стало ясно, что катодные пятна могут обладать абсолютно разными свойствами, что позволило разделить их на группы и глубже понять их природу.

    Заведующий лабораторией плазменных источников ИСЭ СО РАН (Институт сильноточной электроники Сибирского Отделения Академии Наук), доктор технических наук, профессор, Ефим Михайлович Окс, рассказал нам о совместной научной работе с ФИАН в области исследований фундаментальных процессов в катодном пятне вакуумного дугового разряда и о том, почему эти исследования так важны. Сотрудничество лаборатории плазменных источников ИСЭ и ФИАН началось уже давно и сейчас находится в активной стадии развития. Инициатором такой активности со стороны ФИАН выступил Месяц Г.А., который принимает непосредственное участие в исследованиях.

   Ефим Михайлович говорит о руководителе школы исследований электрической дуги: «Геннадий Андреевич  использует результаты наших экспериментальных исследований для верификации собственных физических моделей функционирования катодного пятна дуги. Его понимание феномена катодного пятна вакуумной дуги (взрывная электронная эмиссия) во многом определяет сегодняшний мировой уровень развития этого направления науки. »

    Различают два подхода к описанию модели катодного пятна: стационарный классический и нестационарный взрывной, лежащий в основе механизма, предложенного и развиваемого Г.А. Месяцем. Основная причина сложности изучения этого явления заключается в экспериментальных трудностях исследования катодного пятна вакуумной дуги, характеризующейся нестационарными цикличными процессами наносекундного временнóго диапазона с плотностью тока порядка 10⁸ А/см² и температурой порядка 10⁴ К. При этом вопросы, касающиеся измерений ключевых параметров катодного пятна (плотность тока в пятне, скорость ионной эрозии и др.) и объяснения наблюдаемых явлений (существование направленных скоростей ионов, обратное движение катодного пятна) остаются дискуссионными.

    Е.М. Окс: «По мере развития и совершенствования экспериментальной техники, позволяющей проводить исследования с большей точностью и с лучшим временным разрешением, надежность результатов экспериментального исследования катодного пятна повышается. Но это также приводит и к появлению новых и ранее неизвестных явлений. В данном случае уместно перефразирование известного выражения о неисчерпаемости катодного пятна, так же как и ленинского электрона. Именно поэтому получение достоверных экспериментальных данных для верификации физических моделей катодного пятна представляет собой одно из важнейших направлений исследования.»

    Лаборатория плазменных источников ИСЭ получает информацию о параметрах и явлениях в катодном пятне на основе эмиссионных методов исследования. Эмиссионный метод заключается в анализе параметров и характеристик ионных пучков, извлеченных из плазмы вакуумного дугового разряда. Уже сегодня работа лаборатории в рамках данного исследования ознаменовалась очень интересными результатами, рассказывает Е.М. Окс:

    «Среди наиболее важных результатов, полученных в нашем коллективе, можно назвать: установление факта равенства направленных скоростей ионов в плазме вакуумной дуги для различных зарядовых состояний; повышение доли многозарядных ионов в плазме вакуумной дуги в результате нагрева электронного компонента плазмы внешним ускоренным пучком электронов, а также мощным СВЧ излучением в условиях ЭЦР (электронно циклотронного резонанса); измерение скорости эрозии материала катода для различных материалов катода, а также измерение углового распределения ионного потока из катодного пятна для различных материалов катода, включая композиционные катоды, и при повышенном давлении газа».

    Когда мы говорим о результатах тех или иных исследований, всегда важно понимать каким образом эти результаты могут быть применены на практике в обычной жизни. Практическое применение результатов исследований вакуумного дугового разряда имеет необыкновенно широкие перспективы. В качестве примера, можно привести создание на основе вакуумной дуги сильноточных источников многозарядных ионов металлов. Такие устройства востребованы для инжекторов ускорителей тяжелых ионов и ионных имплантеров, поскольку позволяют при относительно низких значениях ускоряющего напряжения получить высокоэнергетичные ионные пучки. 

    «Инновационный выход — это главная наша задача. В моем понимании это требование к науке сегодняшнего дня. Такой подход совершенно не снижает важности и необходимости проведения «чисто» фундаментальных исследований. Однако эти исследования кроме научной новизны должны иметь и практическую ценность. Мы надеемся, что наши совместные исследования с ФИАН в области изучения феномена катодного пятна вакуумной дуги продолжатся и дальше и впереди нас ждут новые хорошие результаты».

Е. Барчугова, АНИ «ФИАН-информ»

    Казалось бы, что может быть проще электрической дуги? Она уже давно и прочно вошла в нашу жизнь. Однако, на деле все не так просто: физика этого явления до сих пор таит в себе немало тайн и загадок. Пообщавшись с ведущим специалистом ФИАН, доктором физико-математических наук Николаем Михайловичем Зубаревым, мы узнали, насколько сложен и не изведан мир электрической дуги.

    Впервые явление электрической дуги было описано русским ученым В.В. Петровым еще в 1802-1803 гг. Однако более широко ее стали исследовать только 10 лет спустя. И, несмотря на столь почтенный возраст, это явление так до сих пор и остается изученным не до конца.

    Н.М. Зубарев: «Дуговой разряд – это очень распространенное явление, которое не так сложно реализовать даже в комнатных условиях, если не говорить, конечно, о вакуумной дуге. И, тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту, она до сих пор не получила должного теоретического описания.

    Связано это с тем, что данное явление представляет собой сложное пересечение различных областей физики: здесь и квантовая механика, и гидродинамика, и физика плазмы… В процессе рождения и жизни электрической дуги параллельно происходит сразу несколько фазовых переходов: первоначальное твердое тело превращается в жидкость, далее происходит испарение и, наконец, образуется плазма. Все взрывается, во все стороны летят капли. И именно то обстоятельство, что все это происходит одновременно, делает задачу чрезвычайно сложной для теоретического исследования.

    А для экспериментаторов исследование усложняется еще и тем, что характерный пространственный масштаб явления – микроны, а характерные времена – наносекунды, т.е. это все быстропротекающие процессы. Увидеть что-либо,  в основном,  удается уже после того, как дуга потухла, например кратеры на поверхности катода размером в несколько микрон. А вот что было в динамике – это до сих пор непонятно».

    Казалось бы, процесс образования электрической дуги на сегодня достаточно хорошо известен. В результате эмиссии электронов с катода, возникающей по той или иной причине, происходит ионизация газовой среды в прослойке между контактами. Этот процесс ионизации, нарастая лавинообразно, приводит, в свою очередь, к образованию плазмы, которая по сути представляет собой проводник, замыкающий электрическую цепь: катод – плазма – анод. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/см²) и возможен только при определенных значениях тока (от единиц ампер и выше) и давлениях газа (не менее 10^-5 мм.рт.ст.).

    Особенностью вакуумного дугового разряда является то, что изначально в межэлектродном промежутке нет заряженных частиц, необходимых для протекания электрического тока. Вещество поступает в промежуток в результате взрывных процессов на катоде.

    Но так легко все выглядит только на первый взгляд. Если же посмотреть на весь процесс глазами физика, то можно увидеть картину невероятной сложности. Изначально в наличии имеется лишь 2 твердых тела со своей кристаллической решеткой – катод и анод. Независимо от первопричины электронной эмиссии, это всегда будет квантовомеханический процесс, с довольно сложными законами протекания.

    Образовавшаяся в результате микровзрывов плазма нагревается, – ее температура может достигать до 50 тыс. К, – что неизбежно приводит к плавлению металла на поверхности контактов. И вот уже мы получили фазовый переход из твердого тела в жидкость. Здесь процесс электронной эмиссии изрядно «подпорчивается» наличием жидкой фазы, которая под давлением плазмы к тому же начинает расплескиваться и взрываться, образуя новые центры взрывов. А далее, новый фазовый переход – жидкий металл с поверхности контактов начинает испаряться, превращаясь в газ… 

    Добавьте ко всему этому еще и сложный характер электромагнитных взаимодействий: столб электрической дуги представляет собой не просто хороший проводник, но подвижный и легко деформируемый под воздействием магнитных полей. К тому же постоянно протекающие процессы ионизации и деионизации плазмы приводят к изменениям характеристик самого электромагнитного поля, что также не добавляет простоты…

     На сегодняшний день не вызывает сомнений, что все эти превращения играют огромную роль в самом процессе образования и поддержания дугового разряда. Немалую роль в понимании этого сыграли ученые школы под руководством акад. Г.А. Месяца , уже долгие годы занимающиеся исследованием этого невероятно сложного явления. Результатом этих работ стало, в частности, понимание огромной роли именно жидкой фазы, что, в свою очередь, привело к необходимости использования гидродинамических методов исследования.

    Н.М. Зубарев: «На протяжении последних нескольких лет Геннадием Андреевичем (акад. Г.А. Месяцем – прим. ред.) с сотрудниками говорилось, что жидкая фаза играет существенную роль в процессе горения дуги, потому что для того, чтобы дуга самоподдерживалась, надо, чтобы появилось микроострие либо микроструя, которая затем может взорваться, и это обеспечит условия для дальнейшего горения дуги. Но конкретный сценарий долго оставался непонятным… В настоящее время мой вклад в общую картину исследований состоит как раз в изучении этой гидродинамической фазы, ее динамики.»

    Для того, чтобы подтвердить, или же опровергнуть, свои предположения группа ученых под руководством Г.А. Месяца в первую очередь занялась оценкой гидродинамических параметров – чисел Вебера и Рейнольдса, определением порога расплескивания расплавленного метала и т.п. – применительно к вакуумной электрической дуге. И первые же исследования привели, с одной стороны, к радости от подтверждения первоначальных догадок, а с другой – к удивлению. Учеными ФИАН была обнаружена весьма очевидная связь между порогом расплескивания жидкого металла и величиной порогового тока, ниже которого существование дуги невозможно.

    Н.М. Зубарев: «Я сильно удивлен тем, что у нас получилось. Вполне могло так оказаться, что этот порог расплескивания будет приходиться на десятки ампер или на какие-нибудь миллиамперы. И тогда… в другом месте нужно было бы искать причины, объясняющие наличие порогов в процессах вакуумного дугового разряда. А тут они как бы совпали. Это позволяет предположить, что действительно наличие порогового тока может быть связано с гидродинамическими процессами, хотя, конечно, там помимо гидродинамики есть очень много другого.

    Конечно, это не может не радовать. Но, с другой стороны, это не упрощает, а скорее усложняет задачу описания процесса дуговых разрядов.»

    Сейчас ученые планируют новую серию экспериментов по исследованию уже сингулярных режимов, циклических процессов в гидродинамической фазе. Такой переход позволит учесть в поисках связи между гидродинамическими показателями и характеристиками дугового разряда не только пространственные, но и временные параметры. Уже первые полученные результаты показывают правильность выбранного направления.

    Н.М. Зубарев: «Существует масса приложений, связанных с применением плазмы, которая получается в результате горения дуги. Но это уже потом. Сначала все-таки надо понять, что там происходит, почему так, а не иначе. Почему именно такие значения токов необходимы для поддержания дуги. Почему такие энергозатратные процессы, как эмиссия электронов и т.п., требующие в других условиях полей до 10⁷ В/см и выше, в плазме «работают» на катодном падении потенциала в 10 В. И таких «почему» великое множество.

    Конечно, наш объект исследования – это не океан, а маленькая лужица, диаметром в 4-5 микрон, в которой все бурлит и выплескивается. Но она дает нам информации к размышлению ничуть не меньше».

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»