СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОГО РАЗРЯДА Советский патент 1994 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к физике низкотемпературной плазмы, в частности к измерениям параметров газового разряда, и может быть использовано в электрофизических приборах и аппаратах, в которых используют низкотемпературную плазму в качестве рабочей среды, например, в коммутационной технике, в плазмотронах, источниках заряженных частиц и т.д.

Цель изобретения - повышение точности за счет обеспечения точного определения плотности тока в электродном пятне.

На чертеже изображена схема устройства для определения параметров дугового разряда.

Устройство содержит исследуемый электрод 1, полый электрод 2, цилиндрический электрод 3, систему возбуждения дугового разряда, включающую поджигающий электрод 4, соединенный с якорем электромагнита 5, керамические изоляторы 6, установленные между электродами изолированный экран 7, источник питания 8, измерительный блок 9. Электроды установлены в вакуумной камере 10. При измерении параметров анодного пятна вакуумной дуги исследуемый электрод 1 и полый электрод 2 является анодами, а цилиндрический электрод 3 - катодом.

Полый электрод 2, подключенный к тому же или одноименному полюсу источника питания 8, что и исследуемый электрод 1, установлен соосно последнему, охватывая его нерабочую поверхность, причем размеры и расстояния между электродами выбраны из соотношений
3r_o > r₁> r_o
r₂-r₁> d (1)
h > r₃ > r₄, где r_o - радиус зоны эрозии исследуемого электрода при формировании на нем электродного пятна в режиме, соответствующем минимальному току образования этого пятна:
r₁ - радиус рабочей поверхности исследуемого электрода;
r₂ - внутренний радиус полого электрода, охватывающего исследуемый электрод;
r₃ - внешний радиус указанного полого электрода;
r₄ - радиус рабочей поверхности электрода, подключенного к противоположному полюсу источника питания по отношению к исследуемому электроду;
d - максимальный диаметр капельной фракции эрозии электродов в исследуемом диапазоне токов;
h - расстояние между исследуемым электродом и электродом, подключенным к противоположному полюсу источника питания.

Соотношение 3r_o > r₁> r_o обусловлено установленными экспериментально закономерностями, согласно которым, если r₁ < r_o, то электродное пятно, не успев сформироваться, сразу же перебрасывается на полый электрод, что не позволяет зафиксировать динамику развития процесса заполнения пятном рабочей поверхности исследуемого электрода, а при 3r_o ≅ r₁ образовавшееся пятно не может мгновенно заполнить всей торцовой поверхности исследуемого электрода и, как следствие, не может переброситься на полый электрод.

Соотношение h > r₃ > r₄ определено экспериментально и позволяет обеспечить более высокое приэлектродное падение потенциала в приэлектродной области, чем потенциал ионизации паров материала исследуемого и полого электрода, и тем самым достичь условия формирования электродного пятна.

Соотношение h > r₃ обуславливает формирование положительного приэлектродного (анодного) падения потенциала до величины, превышающей потенциал ионизации газа - одного из главных условий образования анодного пятна при токах разряда менее 10 А, когда можно пренебречь действием собственного магнитного поля разряда.

Выбор размеров из соотношения r₂-r₁>d исключает короткое замыкание между исследуемым и полым электродами каплями, выбрасываемыми из электрода противоположной полярности при горении дуги.

Преимущественное формирование электродного пятна на исследуемом электроде 1 можно обеспечить, выполняя средство локализации приэлектродного пятна в виде нагревателя исследуемого электрода 1, так как при повышенной температуре последнего по отношению к температуре полого электрода 2 обеспечивается привязка к нему электродного пятна.

Способ определения параметров дугового разряда реализуется следующим образом.

Измерение параметров дугового разряда проводят в вакуумной камере 10, в которой зажигают разряды между тремя электродами 1-3, два из которых 1 и 2 заряжены одноименно. Все электроды выполнялись из бескислородной меди.

Для обеспечения большей надежности формирования пятна на исследуемом электроде в цепь исследуемого электрода подключен резистор, величина сопротивления R₁ которого выбирается из соотношения
R₂ > R₁ , что позволяет при протекании тока разряда через резисторы R₁ и R₂, включенные последовательно с этими электродами, создать более высокий потенциал на исследуемом электроде, чем на одноименно заряженном с ним электроде. Это обеспечивает привязку анодного пятна на исследуемом электроде 1, где R₁ - величина сопротивления в цепи исследуемого электрода; R₂ - величина сопротивления в цепи одноименно заряженного с ним электрода; S₁ - площадь рабочей поверхности исследуемого электрода; S₂ - площадь рабочей поверхности одноименно заряженного с ним электрода.

Так, при токах разряда 2,0 кА - 6,0 кА сопротивление исследуемого электрода было от 2,1˙10^-2 Ом до 71,0˙10^-2 Ом, а в цепи одноименно заряженного с ним электрода от 1,0˙10^-2 Ом до 3,0˙10^-2 Ом. Увеличивая напряжение источника питания до 1400 В, увеличивают ток разряда до 4,5 кА. При этом начинается формирование анодного пятна и на электроде, одноименно заряженным с исследуемым электродом. Подавая сигнал с исследуемого электрода на один из каналов двухлучевого запоминающего осциллографа, регистрируют максимальное значение величины тока в цепи первого из указанных электродов, которая равна l_u= 1,5 кА. Площадь поверхности исследуемого электрода S₁= 0,5˙10^-2 см². Отсюда плотность тока в анодном пятне
J_u = = 3,0·10⁵A/см² .

Кроме того, одновременно с регистрацией указанного максимального значения силы тока в цепи исследуемого электрода, измеряют общий ток дугового разряда и по отношению указанных величин тока судят о доле тока электродного пятна в общем токе разряда
α = · 100 % , где α - доля тока анодного пятна в общем токе разряда;
l_u - ток, измеренный в цепи исследуемого электрода;
l_p - общий ток разряда.

В интервале токов дуги 1,8-6,0 кА для заданной геометрии электродной системы значение доли тока анодного пятна в общем токе разряда было 20-30%. Также посредством предлагаемого способа, можно измерить плотность тока в катодном пятне и долю тока катодного пятна в общем токе разряда при условии, что исследуемый электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника питания, будет обладать исчезающим малым сопротивлением, для этого, например, можно использовать высокотемпературный сверхпроводник.

Знание величины доли тока анодного пятна в общем токе разряда дает возможность управлять оптимальным режимом работы плазмотронов и других устройств, а также позволяет выбирать материал электродов и конструкции приборов.

П р и м е р. Вакуумная камера 10, в которой установлено устройство, подвергались высокотемпературному обезгаживанию и откачивалась до давления ниже 5х10⁶ Па с помощью средств безмасляной откачки. Затем на электромагнит 5 системы возбуждения дуги подавался импульс тока, в результате чего поджигающий электрод 4 замыкался катодом 3, а при их размыкании возникал маломощный искровой разряд, который стимулировал развитие дугового разряда между электродами 1 и 3.

Перед началом эксперимента проводилась очистка поверхности электродов от адсорбированного газа в диффузном режиме горения разряда при токах дуги до 1,0 кА. После этого, постепенно увеличивая амплитуду импульса тока разряда, определяли пороговый ток формирования анодного пятна для данной геометрии электродной системы. При этом увеличение тока разряда осуществлялось изменением напряжения на входе источника питания 8. Экспериментально был определен пороговый ток формирования анодного пятна для исследуемого электрода 1 диаметром 0,75 мм, который был равен 1,8 кА, а ток в цепи исследуемого электрода 1 при этом составлял 91,4 А.

При дальнейшем повышении тока дуги монотонно увеличивались сила тока в цепи исследуемого электрода 1 и площадь анодного пятна на этом электроде, а разность потенциалов между исследуемым 1 и полым 2 электродами составляла 1-3 В. Наконец, при токе дуги 4,5 кА анодное пятно заполнило всю рабочую поверхность исследуемого электрода, после чего на полом электроде 2 сформировалось второе анодное пятно, о чем свидетельствовало скачкообразное уменьшение разности потенциалов между исследуемым 1 и полым 2 электродами до нуля. При этом величина тока в цепи исследуемого электрода 1 достигала максимального значения 1,5 кА. По отношению этой величины тока к площади рабочей поверхности исследуемого электрода было установлено, что плотность тока в анодном пятне вакуумной дуги на медных электродах составляет 1-3 ˙10⁵ А/см².

Изобретение относится к физике низкотемпературной плазмы, в частности к измерениям параметров газового разряда. Цель изобретения - повышение точности определения параметров дугового разряда за счет обеспечения точного определения плотности тока в электродном пятне. Способ включает формирование электродного пятна на части поверхности одной из секций исследуемого электрода путем поддержания разности потенциалов между выбранной и остальными секциями исследуемого электрода. Исследуемый электрод выполняется в форме коаксиальных цилиндрических секций, при этом привязку осуществляют на торцовой поверхности центральной секции. Разность потенциалов между секциями электрода задают с помощью резисторов, последовательно включенных в электрические цепи питания соответствующих электродов, или путем нагрева выбранной секции электрода, термоизолированной от остальных секций. Ток дуги увеличивают до значений, соответствующих формированию электродного пятна, по крайней мере, на одной из остальных секций исследуемого электрода и регистрируют максимальное значение тока в электрической цепи выбранной секции. Величину тока через электродное пятно определяют по величине максимального тока в цепи выбранной секции. По измеренным величинам определяют параметры разряда. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОГО РАЗРЯДА, включающий возбуждение дугового разряда в электродной системе, один из электродов которой секционирован в режиме, соответствующем формированию электродного пятна на одной из секций исследуемого электрода, измерение тока в цепи электрода, на которой сформировалось пятно и общего тока разряда и определение параметров разряда по измеренным величинам, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет обеспечения точного определения величины тока в электродном пятне, разряд возбуждают в режиме формирования пятна на части поверхности одной из секций электрода, осуществляют привязку пятна на выбранной секции электрода путем поддержания разности потенциалов между выбранной секцией и остальными секциями исследуемого электрода, затем увеличивают ток дуги до значений, соответствующих формированию электродного пятна по крайней мере на одной из остальных секций исследуемого электрода, и при этом регистрируют максимальное значение тока в цепи выбранной секции, причем о формировании пятна на секции электрода судят по скачкообразному уменьшению разности потенциалов между изолированными секциями исследуемого электрода, а величину тока через электродное пятно определяют по величине максимального тока в цепи выбранной секции, а о доле тока разряда, протекающего через пятно судят по отношению величины тока, протекающего через пятно, к величине тока разряда. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что привязку электродного пятна осуществляют на торцовой поверхности центральной секции коаксиального электрода, нерабочая поверхность которой охвачена внешней полой секцией электрода, причем размеры секций электродов выбираются из следующих соотношений:
r₀ < r₁ < 3r₀,
r₂ < r₄ < r₃ < h,
где r₀ - радиус зоны эрозии секции электрода при формировании на ней электродного пятна в режиме, соответствующем минимальному току образования электродного пятна;
r₁ - радиус торцевой поверхности центральной секции электрода;
r₂, r₃ - соответственно внутренний и внешний радиусы внешней полой секции электрода;
r₁ - радиус рабочей поверхности электрода, подключенного к противоположному по отношению к исследуемому электроду полюсу источника разрядного напряжения;
h - межэлектродное расстояние. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что разность потенциалов между центральной секцией и внешней полой секцией электрода задают с помощью резисторов, последовательно включенных в электрические цепи питания соответствующих электродов, при этом величины сопротивлений резисторов выбираются из соотношения
R₂ > R₁,
где R₁,R₂ - величины сопротивления соответственно резистора, включенного последовательно с центральной секцией исследуемого электрода, и резистора, включенного последовательно с внешней полой секцией исследуемого электрода;
S₁, S₂ - площади рабочих поверхностей соответственно центральной и внешней полой секций исследуемого электрода. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддержание разности потенциалов между выбранной секцией и остальными секциями исследуемого электрода осуществляют путем нагрева выбранной секции электрода, термоизолированной от остальных секций.