Новые интересные экспериментальные результаты получены в исследовании электрического разряда. Стоит, однако, обратить внимание и на историю вопроса, о которой рассказывает директор ФИАН, академик Геннадий Андреевич Месяц. В тот момент, когда вы включаете свет в комнате, в выключателе «оживают» мириады микросгустков электронов – эктоны.
Вакуумный разряд – это появление в вакуумном промежутке между двумя электродами, к которым приложено электрическое напряжение, тока, т.е. движения электронов от катода к аноду. Начинается такой разряд с пробоя, небольшой ток которого незаметен глазу и может быть зарегистрирован приборами. Увеличение напряжения между электродами приводит сначала к появлению искры, а затем и электрической дуги. Дуга возникает тогда, когда искровой разряд заполняет плазмой весь меэжэлектродный промежуток.
Считается, что первую электрическую дугу получил Владимир Петров в 1802 году: он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, затем их слегка раздвинуть, то между кусочками возникает яркая дугообразная полоска ослепительного света.
С явлением электрического разряда человек сталкивается десятки раз в день – такой разряд возникает каждый раз в выключателе, когда вы включаете свет. Вакуумная дуга широко используется для нанопокрытий на поверхности металлов, для сварки и плавки металлов, в вакуумных выключателях в энергетике и т.д. Его изучению посвящены многие книги, экспериментальные исследования и практические руководства. Однако, как и во всяком сложном явлении, оказалось не так просто построить целостную его картину. Фактически такая картина сложилась только к началу XXI века как раз стараниями Г.А.Месяца и его школы.
Геннадий Андреевич пишет: «Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерны низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, наличие субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~1−4 мкм) кратерах внутри значительно больших…»
Примитивная оценка показывает, что для получения электрической дуги катод должен был бы разогреваться чуть ли не до миллиона градусов – этого, однако, не происходит. Разряд возникает при существенно меньших напряженностях электрического поля, чем следует из упомянутых примитивных оценок. Суть проблемы – в принципиальной неоднородности процесса в пространстве и времени. На поверхности катода происходят микровзрывы, которые и становятся источником процесса. В результате и ток разряда – импульсный, движение электронов от катода к аноду происходит порциями. Длительность этих порций наносекунды, а количество электронов в них порядка ста миллиардов. Порции выбрасываемых каждым микровзрывом электронов Г.А.Месяц назвал «эктонами», соответственно, вся концепция такого описания вакуумного разряда называется эктонной. Эта концепция подтверждена прямыми экспериментами – например, как и любой направленный взрыв, микровзрыв поверхности катода дает отдачу, которая была измерена и составляет 20 дин/А.
«Вакуумный пробой происходит тогда, когда достигается такая высокая концентрация энергии в микрообъеме поверхности катода, которая приводит к микровзрыву. Концентрирование энергии в микрообъеме катода, достаточной для взрыва, происходит из-за несовершенства поверхности катода, так как невозможно получить абсолютно гладкую и чистую поверхность металла. Пробой определяется следующими основными факторами, приводящими к концентрированию энергии в микрообъеме катода и возникновению взрывной эмиссии электронов. Это микроскопические выступы на катоде, диэлектрические и полупроводниковые пленки и включения на нем, адсорбированный газ, а также микрочастицы металла, диэлектрика или полупроводника, которые свободно лежат на поверхности. Однако одним из наиболее эффективных методов создания катодного микровзрыва и взрывной эмиссии электронов является джоулев разогрев микровыступов на катоде током автоэлектронной эмиссии…»
Ученики Г.А.Месяца работают над практическими проблемами электрического разряда, решение которых необходимо при создании новых ускорителей, электрических генераторов, СВЧ-источников и других устройств в ФИАНе, ИОФАНе, Институте сильноточной электроники РАН в Томске, в Институте электрофизики в Екатеринбурге и других научных центрах.
Недавние эксперименты по исследованию состава плазмы вакуумной дуги при различных токах ее горения дали еще одно прямое подтверждение эктонной модели вакуумной дуги. Параметры плазмы вакуумной дуги формируются микровзрывом на катоде, при котором происходит взрывная эмиссия электронов и выброс плазмы в межэлектродный промежуток. Рост тока дуги сопровождается увеличением количества этих микровзрывов, происходящих одновременно, а параметры плазмы не зависят от тока дуги.
2 – времяпролетный масс-зарядный спектрометр,
3 – криогенный насос, 4 – сухой спиральный форвакуумный насос.
Весьма изящные результаты дало применение гидродинамических представлений к явлению дугового разряда. Дело в том, что микровзрыв катода оказался подобен всплеску на поверхности воды. Гидродинамический анализ поведения жидкометаллической фазы катодного пятна позволил идентифицировать пороговый ток горения дуги с током, при котором происходит выплеск жидкометаллической фазы катодного пятна в виде жидкометаллической струи. Разряд становится самоподдерживающимся, когда эти струи взрываются и вызывают новые «всплески». Если «первый» микровзрыв можно считать флуктуационным, он возникает там, где в результате неоднородности поверхности катода электрическое поле максимально, то «следующие» микровзрывы уже инициируют друг друга. Образно: как пороховые газы выстрела обеспечивают подачу следующего патрона.
Эктонная концепция Месяца дает для конструирования сильноточных генераторов, ускорителей и других устройств основу, аналогичную циклу Карно для конструирования стрелкового оружия.
Вот ссылки на наиболее интересные свежие результаты:
1. Г.А. Месяц, Е.М. Окс Зарядовое распределение ионов в плазме вакуумной дуги при малых токах Письма в журнал технической физики, 2013, т. 39, вып. 15, стр. 40-46
2. G.A. Mesyats Ecton Mechanism of the Cathode Spot Phenomena in a Vacuum Arc IEEE Transaction on Plasma Science 2013, vol. 41 pp. 676-694
3. G.A. Mesyats, N.M. Zubarev Hydrodynamics of the molten metal in a vacuum arc cathode spot at near-threshold currents Journal of Applied Physics 2013, vol 113, p203301
По материалам АНИ «ФИАН-Информ»
