WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 5 04 О физической модели обратного движения катодного пятна © Ю.К. Бобров, В.П. Быстров, А.А. Рухадзе Институт общей физики РАН, 119991 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 23 марта 2005 г.) Предложена физическая модель обратного движения катодного пятна дуги постоянного тока как процесс распространения плазмы навстречу потоку электромагнитной мощности противоположно направлению силы Лоренца.

PACS: 52.80.-s Краткий обзор существующих моделей максимален вектор [EH], и следовательно, имеет большую величину нормальный поток частиц к катоду, что При исследовании движения во внешнем магнитном приводит в свою очередь к большей вероятности появполе катодного пятна ртутной дуги у выступающего ления новых центров со стороны обратного движения“.

из ртути молибденового катода оказалось, что при В этом выводе опять предлагаемая авторами модель определенном значении магнитного поля катодное пятно „появления новых центров“ отличается от всех других, дуги перемещается в противоположном силе Ампера хотя утверждение о существованиии максимального понаправлении. Это необычное явление, не имеющее в тока Пойнтинга может оказаться вполне достаточным настоящее время удовлетворительного объяснения, быдля распространения плазмы в среде в обратном направло названо обратным, или ретроградным, движением лении даже без предварительного образования „новых катодного пятна (ОДКП). Задача авторов заключается центров“. Основанием для такого утверждения может в том, чтобы показать, что это явление не относится к служить хорошо известное распространение плазмы необычным. Об этом свидетельствует как само описание лазерного пробоя газа навстречу электромагнитному явления (retrograde motion) катодного пятна, так и потоку мощности лазерного луча.

основной вывод, что обратное движение катодного пятна Обращает на себя внимание также работа [15], где „все еще остается недостаточно ясным“ прикатодным предложена амбиполярная модель самоформирующейся явлением [1,2].

у катода стационарной плазменной линзы, фокусируОбратное движение пятна было впервые обнаружено ющей потоки ионов к катоду, предпринята попытка Штарком в 1903 г. и описано в 1928 г. Минорским [3], объяснения ОДКП и многих других непонятных явлеа позднее наиболее точно изучено Смитом [4–6], а ний, таких как четочные, шаровые и линейные молнии, также Сент-Джоном и Уинансом [7]. ОДКП обнаружено на основе модели „амбиполярный дрейф-ионизация“ также в дугах с различными твердыми катодами в исходя из главной синергетической концепции о возможряде газов с отсутствием ртути [8,9]. Применительно ности самоорганизации среды из хаоса.

к угольным дугам термическая теория элементарных Наиболее обстоятельное описание явления обратного процессов у катода была развита Штарком [10] и затем движения катодного пятна дано в [1] в основном с более полно — Комптоном [11]. Предлагаются различиспользованием экспериментов [7], а также в [2] с опиные физические модели этого явления. В работе [12] санием как экспериментов, так и теоретических моделей была предложена идея о волновом ионизационном расОДКП.

пространении ОДКП. Авторами [13] развивается мысль Если в качестве катода дугового разряда низкого о том, что ОДКП есть следствие не распространедавления в парах ртути использовать молибденовый или ния, а возникновения нового катодного пятна из-за танталовый цилиндр, слегка выступающий над поверхобнаруженного (с помощью численного моделирования) ностью ртути (рис. 1), то он весь оказывается покрытым „процесса разлета плазменной струи из эмиссионного ртутью, и катодное пятно возникает преимущественно в центра катодного пятна“, показавшего, „что в окресткруговом желобе между металлическим цилиндром и гоности центра существует кольцевой ток движущихся ризонтальной поверхностью ртути. Прикатодная область из плазмы на катод обратных электронов, замыкаюразряда на некотором участке оказывается перпендикущийся через эмиссионную зону центра“ со ссылкой на работу [14]. Физическая интерпретация обнаружен- лярной направленному вдоль оси электрода внешнему магнитному полю, напряженность которого в опытах ного численным моделированием существования тока „обратных электронов“ отсутствует, хотя вследствие находилась в пределах от 1000 до 12 000 Oe. По правилу дальнейших обсуждений в [13] дается, на наш взгляд, Ампера, прикатодная область дуги должна вращаться верное утверждение, что ОДКП „происходит в сторону в определенном направлении вокруг металлического максимального магнитного поля“, „со стороны которого цилиндра.

3 36 Ю.К. Бобров, В.П. Быстров, А.А. Рухадзе ОДКП, а затем и к инверсии движения, т. е. к изменению направления движения в соответствии с силой Лоренца (рис. 3 и 4). Критическое давление газа, соответствующее инверсии движения, является функцией тока, напряженности поля и природы газа. Как правило, увеличение напряженности поля и уменьшение тока сопровождается увеличением критического давления.

ОДКП наблюдалось на всех подвергнутых испытаниям металлах при низких давлениях окружающей среды. При очень малых расстояниях между электродами (0.05 cm) ОДКП может наблюдаться даже при атмосферном давлении.

Физические модели ОДКП обычно могут быть разРис. 1. Схема экспериментального исследования обратного делены на две группы [2]. К наиболее многочисленной движения ртутной дуги со стабилизацией катодного пятна относятся модели, утверждающие, что первичной привыступающим молибденовым катодом (Сент-Джон Уинанс) [7].

чиной ОДКП является отклонение приложенным извне a —схема [1,7], b — конфигурация силовых линий магнитных магнитным полем заряженных частиц непосредственно полей (внешнего He) и собственного (Hi) с направлениями в катодной области разряда. Так как направление отсилы Ампера FA и потока электромагнитной мощности S.

клонения зарядов при их естественном дрейфе в дуге соответствует нормальному движению пятна, то объяснение ОДКП при данном подходе должно основываться на отрицании естественного направления дрейфа частиц либо на поисках промежуточных механизмов обращения движения.

Ко второй группе относятся модели, связывающие ОДКП с явлениями в поверхностном слое самого катода с привлечением известных термомагнитных, гальванических и капиллярных эффектов, как, например, эффекта Ригги-Ледака и Эттингсгаузена. Согласно им, в металле в области пятна, под действием тангенциального магРис. 2. Скорость обратного движения катодного пятна в функции напряженности поля для двух значений силы тока [1,7].

Наблюдения показывают, что в дугах без катодного пятна прикатодная область движется вокруг добела раскаленного металлического цилиндра со скоростью нескольких метров в секунду и в теоретически ожидаемом направлении.

В дуге же с катодным пятном вращение последнего вокруг холодного металлического цилиндра происходит со скоростью, увеличивающейся нелинейно с ростом тока и напряженности магнитного поля приблизительно до 104 cm/s в обратном направлении.

В ртутной дуге низкого давления скорость этого обратного движения при постоянной силе тока растет с напряженностью магнитного поля, после чего наступает кажущееся насыщение кривой (рис. 2). При измерениях в полях до 20 kOe и более удалось обнаружить новое скачкообразное увеличение скорости примерно Рис. 3. Скорость движения катодного пятна в функции пардо 2 · 104 cm/s. Увеличение давления ртутного пара и циального давления аргона для двух значений напряженности введение газа приводят во всех случаях к замедлению магнитного поля. Сила тока 0.2 A, кривая 1 — 2000, 2 — 3800.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. О физической модели обратного движения катодного пятна полностью компенсироваться на обратном участке пути ионов при их стремлении к катоду.

Аналогичным образом выглядит модель в предположении о дырочном характере проводимости в области плотного пара у основания струи с вытекающим отсюда неправильным отклонением тока. В обоих случаях для объяснения ОДКП потребовалось постулировать движение зарядов против сил электрического поля за счет их переноса силами неэлектрического происхождения.

В качестве основной причины ОДКП рассматривалось также различие в ларморовских радиусах электронов и ионов плазмы дуги, что должно было приводить к смещению области положительного объемного заряда, это, однако, не наблюдается в действительности в достаточно сильных полях и свидетельствует о несостоятельности модели.

Не останавливаясь на всех выдвигавшихся гипотезах происхождения ОДКП, подвергнутых в свое время справедливой критике, можно все же остановиться на представлениях, выдвинутых Сент-Джоном и Уинансом [7].

Модель ОДКП строится на предположении, что катодное пятно следует рассматривать как ансамбль положиРис. 4. Напряженность магнитного поля, соответствующая тельного объемного заряда у катода, индуцируемого им переходу от обратного движения к нормальному, в функции в металле поверхностного отрицательного заряда и элексилы тока для различных значений парциального давления тронного облака, находящегося над областью катодного аргона [1,7]. Давление аргона, mm Hg: 1 — 50, 2 — 75, падения потенциала. Далее, согласно представленной 3 — 100, 4 — 125, 5 — 150, 6 — 175, 7 — 200.

схеме, рассматриваются траектория электронов эмиссии с отклонением их силой Лоренца с ионизацией паров металла и траектория ионов по направленияю к катоду.

нитного поля на распространяющиеся вглубь тепловые Модель предполагает, что равнодействующая всех сил, и электрические токи, образуется поперечный гради- действующих на заряды, направлена так, что принуждает ент температуры, способный сместить температурный ионы пролететь над объемным зарядом и попасть на максимум пятна вдоль поверхности металла. Вместе с катод с противоположной стороны пятна, вызвав здесь температурным максимумом должен смещаться макси- образование новых центров эмиссии. Такое чисто балмум термоэлектронной эмиссии катода, если темпера- листическое движение ионов в пространстве с большой тура высока для появления достаточной эмиссии. Легко плотностью нейтральных и заряженных частиц кажется заметить, что такая модель может относиться лишь к многим малоправдоподобным.

дуге с термоэлектронной эмиссией, тогда как ОДКП Предложен также механизм ОДКП, связанный с иснаблюдается исключительно в „холодной“ дуге. Все кривлением пути разряда под действием стороннего магже необходимо отдать должное модели второй группы, нитного поля и усиления со стороны изгиба собствентак как в ней фактически развивается представление о ного магнитного поля дуги. В модели считается, что возможности волнового перемещения фронта некоторой при некоторых условиях напряженность собственного поверхностной тепловой волны. поля образующейся петли тока может оказаться больше Пытаясь объяснить явление ОДКП в радиальном напряженности поля, вызвавшего искривление дуги. Так магнитном поле, Минорский [3] допускал, что такому как направление первого противоположно направлению движению способствует кольцеобразный поток элек- стороннего поля, под его действием катодное пятно тронов, причем в последовавшей критике его подхода должно двигаться в обратном направлении. Эксперимент указывалось, что такое объяснение несостоятельно уже показал, однако, что ОДКП осуществляется без искривпо той причине, что „обратный“ тип движения не ления дуги, что указывает на несостоятельность модели.

требует в качестве обязательного условия замкнутости Можно также отметить, что существует объяснение траектории пятна. Вместе с критикой высказывалось ОДКП, в котором существенным фактором является предположение, что аномалия отклонения пятна связана наличие некоторой оптимальной температуры плазмы, с тем, что возникающие в струе пара положительные соответствующей наибольшей скорости ионизации. По ионы движутся сначала по инерции против сил поля этой модели наиболее благоприятные условия для иониот катода, отклоняясь на этой части пути в аномальном зации создаются в области, смещенной по отношению направлении силой Лоренца. Однако если даже это име- к пятну в обратном направлении, вследствие чего в ет место в действительности, такое смещение должно последующие моменты времени пятно должно сместитьЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. 38 Ю.К. Бобров, В.П. Быстров, А.А. Рухадзе ся в том же направлении. Указанный эффект получа- — вывод, сделанный в [1] об отсутствии теории ется в предположении о термической ионизации газа дуги с катодным пятном, был основан, в частности, на в условиях постоянного давления в области катодного неудовлетворительном объяснении ОДКП;

пятна и сводится к понижению плотности среды с по- — диаметр пятна оценивался в несколько десятых вышением температуры. По представлениям [2], такого долей миллиметра;

рода предпосылки и „незначительность самого эффекта“ — в спектрах излучения катодного пятна обнаруделают указанную модель малоубедительной, тем более живаются ионы ртути при увеличении напряженности что существует настоятельная необходимость обосно- внешнего магнитного поля.

вать асимметрию ионизации с ее преимущественным осуществлением в направлении ОДКП.

Ионизационно-энергетическая модель Особо можно выделить принципиально отличную от всех других гипотетическую модель „принципа максиМы полагаем, что, в общем случае, движение плазмы мума поля“, выдвинутую в [2] и обозначенную прежде с током во внешнем магнитном поле можно рассматвсего как гипотезу. Автор [2] рассматривает в качестве ривать как проявление двух возможных физических основной причины ОДКП асимметрию суммарного магмеханизмов.

нитного поля, собственного и внешнего, с указанием на 1. Перемещение плазмы как целого недеформируемото, что плазма у катодного пятна должна распростраго твердого проводника пондеромоторной силой Ампера няться в направлении максимального магнитного поля.

(плазма фактически моделируется только твердым недеОставляя без внимания обоснование своего принципа формируемым проводником).

„максимального поля“, автор все же констатирует, что 2. Распространение плазмы в окружающей газовой с его принятием возникает удивительное соответствие среде обусловлено ионизацией газа на границе плазмы с между данными эксперимента и предсказаниями такой газом и поглощением на этой границе потоков электромодели. Эта модель очень близка по своей идее к предламагнитной мощности.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.