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/pR², 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.