Исследование процессов в катодном пятне

Плотность тока

Определение плотности тока (ПТ) в катодном пятне вакуумной дуги является ключевой проблемой при установлении механизма ее функционирования. Экспериментальные оценки плотности тока с годами претерпевали изменения. По мере развития экспериментальной техники с более высоким временным и пространственным разрешением, начиная с 1920-х годов была тенденция к увеличению экспериментально измеренной плотности тока от 10³ до 10⁸ А/см² в настоящее время. Столь широкий разброс в измерениях указывает, с одной стороны, на дефекты в измерениях ПТ, а с другой - на неопределенность самого понятия плотности тока КП.

Например, используя зависимость радиуса кратера от тока была рассчитана зависимость зависимость j (i)(рис 4.4). Эта кривая имеет максимум при токе 50 А.

Рис.4.4 Зависимость плотности тока пятна от тока пятна для вакуумной дуги с медным катодом

Был проведен очень корректный эксперимент по оценке плотности тока в дуге с использованием острийного вольфрамового катода. Эксперименты проводились в вакууме 10^-8 торр. Катод предварительно прогревался до температуры 2000 К. Длительность горения дуги не превышала одного или нескольких циклов, а ток менялся в пределах 0.5-5 А. В качестве анода использовался шарик из вольфрама диаметром 0.3 мм, полученный методом импульсного нагрева до плавления кончика проволоки. При осмотре острия не было обнаружено каких-либо следов воздействия плазмы на боковую поверхность. Это означает, что ток протекал только через вершину острия. Плотность тока j = i/pR ², где R - радиус оплавленной вершины. Оказалось, что величина j» (2-10)× 10⁷ А/см².

Плазменные струи

Было найдено что сила, которая давит на катод, стремится увеличить длину вакуумного промежутка. Для медного катода эта сила составила ~ 20 дин/А. Такая же сила действовала на подвешенный перед катодом электрод, отталкивая его от катода Был сделан вывод, что обнаруженный им эффект обусловлен реакцией струи пара, которая вырывается из катода с большой скоростью. При измерении импульса отдачи была определена скорость струи, которая оказалась равной 1.6× 10⁶ см/с. Позднее исследовали зарядовый состав и распределение энергий ионов для девяти материалов катодов. Энергетический спектр ионов представляет собой широкие линии, почти симметричные относительно максимумов. Он может быть охарактеризован тремя параметрами: максимальная интенсивность; энергия, соответствующая максимальной интенсивности (наиболее вероятная или средняя энергия); и полная ширина линии на половине высоты пика интенсивности. Наиболее вероятные энергии ионов зависели от заряда но зависимость не является линейной.

Общий ионный ток измеренный для различных материалов катодов и условий разряда практически всегда остается равным 10% от общего тока дуги.