Способ зажигания вакуумной дуги" Советский патент 1978 года по МПК H01J37/00 

Изобретение относится к способам зажигання вакуумной дуги в ионных приборах с твердым холодным катодом для ком мутации больишх импульсн4,1Х токов, в ; электродуговых испарителях металлов, в источниках металлической плазмы. Известны способы зажигания вакуумloft дуги, основанные на возбуждении дуги путем пробоя вспомогательного искрового промежутка с диэлектриком или разрывом контакта между катодом и вспомо: гательным электродом l . Известные способы не обеспечивают той надежности и долговечности, которые требуются от поджигающих устройств. Это объясняется тем, что для реализации известных способов поджигающие устройства необходимо располагать непосредственно на рабочей поверхности катода, где они подверга ются сильному разрушительному действию мошной импульсной или стационарной дуги. Известны бесконтактные способы зажигания ayrBj заключающиеся в том, что на рабочую поверхность катода направляют из инжектора струю достаточно плотной плазмы 2J. Однако при таком способе необходимо ориентировать инжектор таким Образом, что его выход обращается в сторону рабочей поверхности катода, что,в свсно очередь, ведет к тому, что в условиях стационарного дугового разряда изоляторы н выходное отверстие токектора быстро за растают конденсируклднмся металлом катода. В результате работа инжектора и, следовательно, зажигание дуги становятся ненадежными. Известны способы зажигания вакуумной дуги, в которых возбуждение катодного пятна производят подачей плаэмевной струи на нерабочую поверхность катода и зажигают стартовую дугу между этой поверхностью и электродом поджига с последукядим переводом разряда в рабочий промежуток за счет ускорения плазмы в стадия горения стартовой дуги ДЗ. Этот способ находит п шмененяе в импульсных ускорителях плазмы с высоким напряжением иа аноде и жидкометалличеоКИМ,. либо легко испэряюшимся катодом.. Что же касается устройств с катодами из твердых и тугоплавких металлов в условиях, когда напряжение на аноде в момент зажигания невелико (порядка нес кольких десятков вольт, это характерно для электропуговых испарителей и стационарных источников металлической плазмы), . то в этом случае зажечь дугу данным способом практически невозможно.

Для стабильного возбуждения катодно- го пятна в таких условиях энергия плазменных сгустков должна быть столь велика (порядка килоджоуля), ;что уже формирование самих сгустков превращается в самостоятельную достаточно сложную проблему.

С целью иовышения надежности зажигания вакуумной дуги с йомощью плазмеИной струи при использовании латодов из твердых тугоплавких .металлов ток стар- ТОБОЙ дуги увелидавают до уровня, превышающего ток дуги, и налагают внешнее магнитное попе для перемещения катодного пятна на рабочую поверхность катода.

Плазменную струю направляют на нерабочую поверхность катода, у которой предварительно создают электрическое поле с напряжённостью, .превышающей напряженность поля у рабочей поверхности, Возбужденное таким образом катодное пятно с помошью магнитного поля перемещают на рабочую поверхность катода, На время указатчого перемещения ток пятна увеличивают до уровня, превышаюшего рабочий ток дуги.

Инициирование катодного пятна плазмекг Hbbvi сгустком происходит с тем большей вероятностью, чем выше напряженность электрического йоля в разрядном проме- жутке. Toi. напрязкенности, которая сущесвует в испарителях при больших межэлект родных расстояниях и низ.кнх напряженйях источника питания (десятки вольт), оказывается недостаточнодля устойчивого зажигания пятна пчазменным сгустком обычным способом. Местное усиление поля без изменения условий в основном разрядном промежутке можно получить, например, с помощью специального электрода, находящегося под потенциалом анода, но расположенного на гораздо более близком расстоянии, чем анод (1-2 мм).

Размещать этот электрод целесообразно за пределами рабочей поверхности ка-i тода, это позволяет ориентировать плазменный инжектор так, что на него не попадает материал эродирующего катода. , Организованные таким образом условия

обеспечивают достаточно большую вероятность возбуждения катодного пятна при умеренных энерги5гх плазменных сгустков.

Однако для зажигания разряда между катодом и анодом необходимо пятно переместить на рабочую поверхность катода с помощью внещнего магнитного поля.

Для того, чтобы в процессе перемещения катодное пятно в силу своей природной неустойчивости не погасло, в этот период необходимо ток через него увеличить до уровня, превышающего (желательно в несколько раз) минимальное значение тока устойчивого горения дуги, характерного для данного материала катода, что можно сделать, например, с помощью конденсатора, заряжаемого предварительно от источника питания.

При увеличении тока через катодное пятно происходит также ускорение процеоса перемещения пятна на рабочую поверхность за счет его дробления. Образова&щиеся в результате дробления вторичные пятна отталкиваются одно от другого, при этом часть из них неизбежно попадает на рабочую поверхность катода и служит инициирующим началом для основного дугового разряда.

На катодах из. меди, титана и молибдена в опытном устройстве, скриструиро-. ванном с учетом изложешшх принципов, дуга надежно зажигается при затратах энергии на формирование поджигающего плазменного Сгустка, равных примерно 30 Дж, в то время .как зажечь дугу обы ным способом в тех же условиях не удается даже при энергиях сгустка 12001500 Дж, при этом элeктpичecJcoe поле, усиленное с помощью дотюлнительного электрода в области, охватывакяцей рабочую поверхность катода по примеру, coot тавляет л/ 4 ОО В/см, ток через пятно в период его дрейфа от места инвоинрования к рабочей поёерхности равняется 80О-15ОО А при напряжении на аноде 6S В и рабочем токе дуги 130 А.

Таким образом, предлагаемый способ озволяет при сравнительно небольших энергетических затратах на формирование лазменного сгустка зажигать дугу в ваууме на твердых катодах, в том числе и а катодах из тугоплав.ких металлов в словиях :низкого напр5шенвя питания дуги. Формула изобретения

Способ зажигания вакуумной дуги возбуждения катодного пятна подачей лазменной струн на нерабочую поверхость катода и зажигания стартовой дуэги между нерабочей поверхностью катода и электродом поджига, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения надежности зажигания, ток стартовой дуги увеличивают до уровня, превышающего рабочий ток дуги, и налагают внешнее маг-j нитное поле для перемещения катодного пятна на рабочую поверхность катода. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Кесаев И. Г. Катодные процессы,д эпектрической дуги, М., Наука, 1968. 55094 3 о 2. Беляев В. Б, и др. Возбуждение катодного пятна на ртутном электроде концентрированной плазмой, Электронная техника , серия 3, вып. 2 (18;, с. 45-51, 1970, 3. Лесневский Л. Н. и др. Вли5шие расположения источников плазкты на распределение магнитных полей и токов в канале ускорителя, Материалы 2-й Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям;, Минск, с. 4.1-42, 1974.