авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

УДК 537.52;

621.316.5;

629.7.03

ГРНТИ 29.27.49;

44.29.31;

45.53.43

Инв. № 266.10.03

УТВЕРЖДЕНО:

Исполнитель:

Учреждение Российской академии наук

Институт сильноточной электроники

Сибирского отделения РАН

От имени Руководителя организации

/Ратахин Н.А./

М.П.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 3 этапа Государственного контракта № 14.740.11.0317 от 17 сентября 2010 г.

Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.

Проект: Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов Руководитель проекта:

/Батраков Александр Владимирович (подпись) Томск 2011 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту 14.740.11.0317 от 17 сентября 2010 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН Руководитель темы:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник подпись, дата Батраков А. В.

Исполнители темы:

кандидат физико-математических наук, Попов С. А.

без ученого звания подпись, дата кандидат физико-математических наук, Нефёдцев Е. В.

доцент подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Прядко Е. Л.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Зюлькова Л. А.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Шнайдер А. В.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Петров В. И.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Яковлев Е.В.

подпись, дата кандидат физико-математических наук, Панченко А. Н.

старший научный сотрудник подпись, дата кандидат физико-математических наук, Тельминов А. Е.

без ученого звания подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Шулепов М. А.

подпись, дата без ученой степени, без ученого звания Романченко И.В.

подпись, дата Реферат Отчет 132 с., 1 ч., 62 рис., 107 табл., 12 источн., 0 прил.

Диагностика низкотемпературной плазмы, вакуумная дуга, вакуумные сетевые выключатели В отчете представлены результаты исследований, выполненных по этапу Государственного контракта № 14.740.11.0317 "Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов" (шифр "2010-1.2.2-230-009") от 17 сентября 2010 по направлению "Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук", направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

В отчёте рассмотрены результаты исследований по динамике плазменной границы при обрыве сильноточной вакуумной дуги переменного тока в результате перехода тока дуги через ноль. Основным процессом, происходящим в разрядном промежутке после нуля тока дуги, является восстановление вакуумной изоляции за счёт расширения катодного слоя плазмы в условиях растущего переходного восстанавливающегося напряжения. В катодном слое возникает электрическое поле, измерение которого неосуществимо прямыми измерениями, но которое можно вычислить, зная скорость движения плазменной границы, измерение которой и является основной задачей данного этапа проекта.

Поскольку поведение плазмы подвержено многим случайным процессам, все измеряемые величины имеют большой разброс, носящий случайный характер. В этой связи все величины, а именно, электронная температура, электронная концентрация, положение плазменной границы в различные моменты времени, измерялись путём проведения статистических экспериментов с большим числом однотипных измерений и последующей обработки результатов измерений в соответствии с ГОСТ 8.207-76. В качестве метода измерений на предыдущем этапе выполнения проекта был выбран метод двойного зонда Ленгмюра, способного измерять электронную температуру и концентрацию плазмы, и одиночного зонда Ленгмюра в режиме электронной ветви тока насыщения для измерения концентрации разреженной плазмы, ожидаемой в условиях перехода тока дуги через ноль.

Для снижения разброса измеряемых величин зондовые эксперименты сопровождались наблюдением за промежутком с использованием скоростной камеры HSFC-Pro, что позволяло определять положение источников плазмы и исключать те измерения, которые соответствовали зажиганию дуги вдали от оси разрядного промежутка. Для выявления возможных закономерностей поведения плазменной границы в условиях промышленно используемой вакуумной коммутационной аппаратуры эксперименты проводились для варьируемых в широких пределах амплитуде тока разряда 6-15 kA и скорости нарастания переходного восстанавливающегося напряжения 0.4- кВ/мкс.

В результате выполнения экспериментов были построены двумерные диаграммы положения плазменной границы во времени, а также диаграммы распределения концентрации плазмы в окрестности разрядного промежутка в момент перехода тока дуги через ноль. На основе анализа данных диаграмм установлено, что скорость расширения катодного слоя падает с ростом тока дуги. В условиях переходного восстанавливающегося напряжения эта скорость растёт, но не успевает вырасти настолько, чтобы компенсировать полностью замедление границы при росте концентрации плазмы с увеличением тока дуги. Как результат баланса процессов электрическое поле под плазмой, вычисляемое как отношение скорости роста напряжения к скорости расширения слоя, растёт как с ростом тока дуги, так и сростом скорости роста переходного восстанавливающегося напряжения после обрыва дуги при переходе тока через ноль.

Вычисленные на основании измерений значения средней напряжённости электрического поля в восстанавливающемся после обрыва дуги вакуумном промежутке по порядку величины близки к 10 кВ/см. При таких полях пробой по механизму пробоя высоковакуумных промежутков с холодными электродами происходить не может. Но эти поля достаточно велики для инициирования роста конуса Тейлора на жидкометаллических выступах, усиливающих поле, и имеющихся в изобилии на расплавленной поверхности электродов после нуля тока дуги. Рост конуса Тейлора неминуемо завершается взрывом вершины в конечной стадии роста из-за интенсивной автоэлектронной эмиссии и инициированием пробоя восстанавливающегося изолирующего промежутка.

Другим, альтернативным механизмом пробоя восстанавливающегося промежутка является механизм пробоя газонаполненного промежутка низкого давления газа. Применительно к рассматриваемой системе, условия изоляции после нуля тока дуги соответствуют минимуму кривой Пашена, что связано с относительно высоким давлением паров металла, достигающим Па и даже выше.

Полученные результаты исследования позволят лучше понимать процессы, происходящие в вакуумных сетевых выключателях после прерывания токов короткого замыкания сети, и более целенаправленно искать пути по подавлению пробоев после выключения тока.

При выполнении данного этапа проекта выполнена учебно методическая работа, заключающаяся в подготовке к изданию учебного пособия по курсу «электрическая изоляция и разряд в вакууме» для подготовки магистрантов по программе «Физическая электроника»

направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском Томском политехническом университете.

СОДЕРЖАНИЕ Сокращения и обозначения................................................................................. Введение............................................................................................................... Основная часть. ПРОВЕДЕНИЕ СЕРИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ДИНАМИКЕ ПЛАЗМЕННОЙ ГРАНИЦЫ ПРИ ОБРЫВЕ СИЛЬНОТОЧНОЙ ВАКУУМНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.................................................................................... 3.1. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по исследованию параметров плазмы сильноточного вакуумно-дугового разряда до нуля тока с визуализацией разрядной области, в том числе в узких спектральных диапазонах, проводимые при различной амплитуде тока разряда, как с электродами из CuCr (основного материала серийных вакуумных выключателей), так и с модельными медными электродами.......................................................... 3.1.1. Общие требования к проведению измерений........................................ 3.1.2. Визуализация разрядного промежутка................................................... 3.1.3. Результаты измерения электронной температуры плазмы вакуумной дуги в промежутке с электродами из меди медно-хромового композиционного материала..................................................................... 3.1.3. Выводы по разделу 3.1............................................................................ 3.2. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по исследованию параметров плазмы и динамики расширяющегося прикатодного слоя после перехода тока через ноль, в условиях возрастающего переходного напряжения на разрядном промежутке с визуализацией разрядной области, в том числе в узких спектральных диапазонах при изменяемых в широких пределах параметрах электрической цепи - амплитуде тока разряда 6-15 kA, скорости изменения тока вблизи перехода через ноль 1.5-3.5 А/мкс, и скорости нарастания переходного напряжения 0.4-2 кВ/мкс. Анализ влияния параметров разряда на возникновение пробоя и его причины и механизмы................................................................................ 3.2.1. Результаты экспериментов по динамике катодного слоя в нуле тока дуги с электродами из меди....................................................................... 3.2.2. Результаты экспериментов по динамике катодного слоя в нуле тока дуги с электродами из контактного материала Cu0.75Cr0.25....................... 3.2.3. Анализ процесса восстановления вакуумного промежутка после перехода тока дуги через ноль................................................................. 3.2.4. Выводы к разделу 3.2............................................................................ 3.3. Написание учебного пособия «Физические основы электрической изоляции и разряда в вакууме» для подготовки магистрантов по программе «Физическая электроника» направления «Электроника и микроэлектроника» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском Томском политехническом университете............................................................................................. 3.3.1. Автореферат учебного пособия «Физические основы электрической изоляции и разряда в вакууме»................................................................ 3.3.2. Рабочая программа курса «Электрическая изоляция и разряд в вакууме».................................................................................................... Заключение....................................................................................................... СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ В отчёте использованы следующие сокращения:

ВАХ – вольтамперная характеристика.

НТ – ноль тока.

ПДТ – последуговой ток.

ПВН – переходное восстанавливающееся напряжение.

СКО – среднеквадратическое отклонение.

ВВЕДЕНИЕ Настоящий отчёт посвящён выполнению третьего этапа проекта: Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов», выполняемого в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2. Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук». Целью данного этапа является проведение статистических экспериментов по исследованию динамики плазменной границы катодного слоя после обрыва дуги в результате перехода тока разряда через ноль.

Данная работа имеет отношение к проблеме пробоя вакуумных выключателей переменного тока среднего класса напряжений после прерывания токов короткого замыкания. В этой связи условия экспериментов были максимально приближены к реальным условиям вакуумных сетевых выключателей. Варьируемые параметры токов дуги и скорости роста ПВН соответствовали условиям короткого замыкания в реальных распределительных сетях без перекоса фаз.

Отчёт состоит из трёх разделов. Первый раздел посвящён диагностике плазмы вакуумной дуги в процессе её горения, как в максимуме тока, так и вблизи нуля тока. Исследуемыми параметрами являлись концентрация плазмы и электронная температура плазмы. Данные измерения не являются оригинальными и проводились с целью использования результатов измерений при анализе оригинальных экспериментальных данных, полученных во второй части данного этапа выполнения проекта.

Второй раздел отчёта по выполнению третьего этапа проекта посвящён описанию результатов измерений положения плазменной границе после нуля тока в различные моменты времени при различных параметрах разрядной цепи. Поскольку поведение плазмы подвержено многим случайным процессам, все измеряемые величины имеют большой разброс, носящий случайный характер. В этой связи все величины, а именно, электронная температура, электронная концентрация, положение плазменной границы в различные моменты времени, измерялись путём проведения статистических экспериментов с большим числом однотипных измерений и последующей обработки результатов измерений в соответствии с ГОСТ 8.207-76. В качестве метода измерений на предыдущем этапе выполнения проекта был выбран метод двойного зонда Ленгмюра, способного измерять электронную температуру и концентрацию плазмы, и одиночного зонда Ленгмюра в режиме электронной ветви тока насыщения для измерения концентрации разреженной плазмы, ожидаемой в условиях перехода тока дуги через ноль.

Для снижения разброса измеряемых величин зондовые эксперименты сопровождались наблюдением за промежутком с использованием скоростной камеры HSFC-Pro, что позволяло определять положение источников плазмы и исключать те измерения, которые соответствовали зажиганию дуги вдали от оси разрядного промежутка. В результате выполнения экспериментов были построены двумерные диаграммы положения плазменной границы во времени, а также диаграммы распределения концентрации плазмы в окрестности разрядного промежутка в момент перехода тока дуги через ноль и проведён анализ полученных данных на предмет выявления возможных механизмов пробоя.

Третий раздел отчёта посвящён описанию учебного пособия «Физические основы электрической изоляции и разряда в вакууме», подготовленного к изданию в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском Томском политехническом университете в качестве учебно-методического сопровождения дисциплины «Электрическая изоляция и разряд в вакууме», читаемого магистрантам ТПУ по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника».

В завершение отчёта анализируются возможные механизмы пробоя, ожидаемые в восстанавливающемся изолирующем промежутке вакуумного выключателя после нуля тока дуги.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ПРОВЕДЕНИЕ СЕРИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ДИНАМИКЕ ПЛАЗМЕННОЙ ГРАНИЦЫ ПРИ ОБРЫВЕ СИЛЬНОТОЧНОЙ ВАКУУМНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 3.1. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по исследованию параметров плазмы сильноточного вакуумно-дугового разряда до нуля тока с визуализацией разрядной области, в том числе в узких спектральных диапазонах, проводимые при различной амплитуде тока разряда, как с электродами из CuCr (основного материала серийных вакуумных выключателей), так и с модельными медными электродами 3.1.1. Общие требования к проведению измерений Целью настоящих измерений является определение температуры и концентрации плазмы методом одиночного и двойного зонда. Поскольку значения данных параметров плазмы зависит от случайных факторов, связанных с состоянием электродов и неустойчивостями в плазме, измерения должны проводиться в соответствии со стандартной процедурой статистических измерений.

Измерения проводились в следующей последовательности операций:

(а) Проверка схемы измерения и аппаратуры на исключение систематических погрешностей, связанных с изменением температурного режима задающих генераторов управления синтетической схемой, источников питания зондов и контуров синтетической схемы, осциллографов.

(б) Кроме систематических погрешностей, перечисленных выше, в настоящем эксперименте возможны случайные погрешности, связанные со случайным характером положения дугового канала в переделах вакуумного промежутка и с возможным дрожанием зондов. Для исключения данной погрешности в экспериментах одновременно с зондовыми измерениями осуществлялась визуализация промежутка и положения зондов. При восстановлении динамики плазменной границы расстояния между дуговым каналом и зондами измерялось по цифровым изображениям для каждого акта горения дуги.

вычислить среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимаемое за результат измерения;

(в) Вычисление средних величин и среднеквадратичных отклонений. Для каждой серии экспериментов (набор входных параметров: амплитудное значение тока дуги, время наблюдения относительно точки перехода тока дуги через ноль, положения зондов) проверялось соответствие набора выборок нормальному распределению с уровнем значимости 5% и доверительной вероятности 95%.

A Среднеквадратическое отклонение результата измерения оценивалось по формуле n x A i A i, (1) n n где xi – i-й результат наблюдения;

A – результат измерения (среднее n арифметическое исправленных результатов наблюдений);

- число результатов наблюдений. Доверительные границы случайной погрешности результата измерения находят по формуле t S A, (2) где t – коэффициент Стьюдента. При выполнении измерений проверялось выполнение условия, что систематическая погрешность не превосходит уровня 0,8. Суммарное среднеквадратическое отклонение результата измерения вычислялось по формуле i m 3 2 A.

S (3) i Поскольку число результатов наблюдений в настоящих экспериментах n 50, нормальность их распределения проверялась по двум критериям.

Согласно критерию №1 вычислялось отношение d n x A i i d, (4) nS * где S* вычисляется по формуле:

n x A i S* i. (5) n Результаты наблюдений группы можно считать распределенными нормально по критерию №1, если d1 q1 / 2 d d q1 / 2, (6) где квантили распределения d1 q / 2 и d q1 / 2 приведены в таблице 1 по n.

Согласно критерию № 2 полагалось, что результаты наблюдений xi A принадлежат нормальному распределению, если не более m разностей превзошли значение zP/2 S, где S – оценка среднеквадратического отклонения, вычисляемая по формуле n x A i i S n 1, (7) где zP/2 – верхняя квантиль распределения нормированной функции Лапласа, отвечающая вероятности P/2. Значения P определялись из табл. 2 по числу результатов наблюдений n. В случае, если хотя бы один из критериев не соблюдается, полагалось, что распределение результатов наблюдений группы не соответствует нормальному и подлежит анализу на выяснение причин несоответствия, их устранению и повторному воспроизведению.

Таблица 1. Параметры уравнения (6) для различного числа выборок.

d q1 / 2 d1 q1 / n Уровень значимости Доверительная вероятность 5% 95% 3 0,93427 0, 5 0,92496 0, 7 0,91658 0, 10 0,90555 0, 12 0,89911 0, 15 0,89063 0, 20 0,87916 0, 25 0,87034 0, Таблица 2. Значения P для вычисления zP/2.

n m Уровень значимости 5% 3-7 1 0, 7-9 1 0, 10 1 0, 11-14 1 0, 15-20 1 0, 21-22 2 0, 23 2 0, 24-27 2 0, 28-32 2 0, 3.1.2. Визуализация разрядного промежутка Одной из случайных ошибок, возникающих при диагностике плазмы вакуумной дуги, является случайный характер локализации возбуждения дугового канала и его возможного перемещения в процессе горения дуги.

Для исключения погрешности измерений, связанной с таким поведением дуги, регистрировались изображения с высоким временным разрешением разрядного промежутка. Изображения регистрировались 4-х канальной сверхскоростной (3 нс минимальная экспозиция) 12-разрядной камерой HSFC-Pro. Камера укомплектовывалась узкополосными интерференционными фильтрами для регистрации спектрально дифференцированных изображений. Данная мера в ряде случае позволяла более точно определять положение анодного пятна. Серия изображений для различных длин волн приведена на рисунке 1. Анодные факелы, наблюдаемые при горении дуги на медно-хромовых электродах, излучают практически весь свет тонкой оболочкой, тогда как внутри оболочек пространство выглядит практически тёмным. Для оценки соотношения интенсивности свечения оболочки и пространства внутри было выполнено обратное преобразование Абеля исходных изображений. Пример такого преобразования для изображения серии Сп3 на линии 425 нм приведён на рисунке 2. В нашем случае использование изображения лишь в одной плоскости проекции является обоснованным, т.к. анализировались объекты, форма которых близка к осесимметричной.

Восстановленная интенсивность свечения вблизи оси объекта падает практически до нуля. Таким образом, можно утверждать, что пространство внутри факела является тёмным, а факел представляет собой светящуюся оболочку. Основной свет оболочки эмитируется нейтральными атомами.

Оболочка окружена диффузным свечением, эмитируемым ионами. Такие оболочки, появляющиеся в сильноточной дуге, могут иметь отношение к ударному фронту, возможное появление которого в вакуумной дуге предсказано теоретически [1]. Согласно модели, фронт формируется в результате столкновения потока катодной и анодной плазмы, при этом анодная плазма является полностью ионизованной. В результате столкновения потоки плазмы практически полностью останавливаются, формируя стабильный фронт.

В отличие от модели [1], наши результаты указывают на то, что анодная плазма является слабоионизованной. В этом случае при столкновении потоков плазмы и замедления скорости её распространения должен начаться интенсивный процесс перезарядки ионов, эмитированных катодными пятнами, и нейтралов, испарённых с анода. В результате такой перезарядки может образовываться практически неподвижный слой возбуждённых нейтралов и медленно движущийся от анода к катоду слой возбуждённых ионов (рис. 3).

Номер экспериментальной серии Сп1 Сп2 Сп3 Сп4 Сп5 Сп 425 нм атомы нм атомы ионы нм ионы Рис. 1. Спектрально-дифференцированные изображения серии из 6-ти наблюдения с целью идентификации компонент плазмы анодного пятна. Анод сверху. Межэлектродный промежуток 1 см. Амплитудное значение тока 10 кА. Время наблюдения 0.95 мс от начала импульса тока.

Рис. 2. Результат восстановления профиля интенсивности свечения факела, изображение которого приведено на рис.унке 1 для серии СП3 на линии 425 нм.

Эти рассуждения полностью соответствуют результатам наших наблюдений, что даёт основание считать их адекватно описывающими действительность. В отличие от модели [1], более точным является определение наблюдаемых светящихся оболочек как ионизационно рекомбинационных фронтов. Обычно оболочки имеют толщину, L, порядка мм. Можно полагать, что L -1Na-1, где – сечение резонансной перезарядки ионов и атомов (~10-14 см-2 [2]) и Na – концентрация нейтральных атомов. В этом случае Na может быть оценена равной 1015 cm3, что соответствует давлению порядка 10 Па в области границы факела. Данная оценка является вполне резонной для сильноточной вакуумной дуги [3].

В случае электродов из чистой меди характер анодного пятна изменялся, становясь менее регулярным. Плазменные оболочки наблюдались исключительно вокруг жидкометаллических выступов или летящих капель (рис. 4), т.е. вокруг сильно перегретого металла. Данный факт свидетельствует о том, что в условиях вакуумной дуги тепловой режим на гладких электродах из CuCr аналогичен тепловому режиму перегретых жидких медных выступов. Этот факт может быть объяснён существованием двух жидкостей – меди и хрома, которые не перемешиваются, и за счёт существования границ раздела реализуется режим затруднённого теплоотвода.

Поток анодной плазмы А Na Ni Область расплава Ионизационно рекомбинационный фронт Катодные пятна Поток К катодной плазмы Na Ni Рис. 3. Модельное представление структуры наблюдаемых объектов.

Ni – концентрация ионов, Na – концентрация атомов.

Рис. 4. Две различные серии последовательных изображений анодного факела над жидкометаллическим выступом (вверху) и светящаяся оболочка вокруг летящей в промежутке капли (внизу) в дуге на медных электродах.

Для достижения режима формирования анодного факела анод должен испаряться настолько интенсивно, чтобы электронного потока, эмитированного катодными пятнами, было недостаточно для ионизации паров в непосредственной близости от поверхности анода. Именно поэтому анодный факел с оболочкой формируется только вокруг теплоизолированных выступов в случае медного анода. С другой стороны, формирование подобного факела является частым событием в случае плоского медно хромового анода при прочих равных условиях. Это означает, что тепловой режим поверхности массивного медно-хромового анода в дуге характеризуется таким же затруднённым теплоотводом, как и в случае теплоизолированного выступа на медном аноде. Причиной такого затруднённого уноса тепла может быть существование области на диаграмме состояний системы медь-хром [4], в которой жидкая медь и жидкий хром не образуют раствора. Это приводит к существованию большого числа чередующихся границ разделов двух жидкостей, создающих препятствие для отвода тепла. Подобная ситуация возникает в вакуумной дуге с накалённым анодом [5], где такой режим горения дуги целенаправленно используется для формирования потоков испарённого материала с предельно низкой концентрацией капель.

Другим, не менее важным, назначением регистрации изображений промежутка являлось наблюдение за положением зондов и отсутствием или наличием катодного пятна на зонде(ах) и экране. Результаты измерений для актов горения дуги, при которых возникало катодное пятно в любом другом месте, кроме катодного электрода контактного промежутка, не включались в статистику.

Кроме контроля за достоверностью данных, наблюдения использовались для регистрации точного положения анодного пятна относительно зондов (рис. 5). В последующем анализе динамики плазменной границы учитывалось расстояние между фактическим положением анодного пятна и зондами.

Рис. 5. Изображения различных актов горения дуги с идентичными параметрами разряда и осциллограммами тока и напряжений, отличающие местом положения анодного пятна.

3.1.3. Результаты измерения электронной температуры плазмы вакуумной дуги в промежутке с электродами из меди медно хромового композиционного материала В качестве двойного зонда использовались 1-й и 2-й одиночные зонды из линейки зондов. Техника питания и регистрации тока и напряжения описана в отчёте по второму этапу настоящего проекта. Частота переменного напряжения подаваемого на зонды была 100400 кГц.

Набор осциллограмм тока и напряжения двойного зонда, фотографии разрядного промежутка, а также результаты обработки отдельных участков осциллограмм представлены на рис. 6 и 7.

Как и ранее, электронная температура плазмы была реконструирована путем подгонки ВАХ зонда выражением:

e(V V ) i p (V ) iis th (8) 2kTe (b) (c) (d) (e) (а) b) c) d) e) (б) Рис. 6. Набор осциллограмм сигналов (a), включая ток и напряжения зонда и синхроимпульсы камеры, соответствующие кадрам (б).

где Te – электронная температура плазмы, определяющая наклон кривой в переходной области, ies – ионный ток насыщения, V – напряжение и V – разница в потенциалах плазмы в окрестности зондов. Для уменьшения ошибки вычисления проводились по десяти периодам.

(а) (б) (в) Рис. 7. Фрагмент набора осциллограмм (a), представленного на рис. 6, и вольтамперные характеристики зонда (б, в), полученные из обработки различных участков, подобных изображённому на рис. 7,а. Сплошные цветные линии соответствуют аппроксимации ВАХ выражением (8) для различных значений iis, Te, и V.

Измеренная таким образом в плазме электронная температура практически не зависела от частоты напряжения двойного зонда, амплитуды тока разряда и момента измерения и составила величину 3±0,42 эВ для дуги на медных электродах. Электронная температура составила 2.1±0,34 эВ для дуги на электродах из контактного материала Cu0,75Cr0,25. Результат для меди, полученный в настоящей работе, отличается от опубликованного для катодной дуги в вакууме значения 3,5 эВ [6] электронной температуры.

Различие объясняется тем, что, отличие от реферативного источника, измерения делались при высокой температуре катода, характерной для сильноточной дуги.

Для восстановления концентрации плазмы, исходя из величины ионного тока насыщения, необходимо знать функцию распределения ионов по скоростям. Данный вопрос не является тривиальным. С одной стороны, известно, что ионы в потоке плазмы, генерируемой катодным пятном на протяжении горения вакуумной дуги, имеют направленную компоненту скорости vd~106 см/с, намного превосходящую тепловые скорости и даже Бомовскую скорость ионов в окрестностях отрицательного зонда. В этом случае ток на зонд будет составлять величину (9) iis = i dir = Scs e Znivd= Scs e nevd, где площадь собирающей поверхности зонда в плазменном потоке представляет собой площадь проекции зонда в направлении катода (нижнего электрода):

Scs 2 R a 1.2 5.1 mm2 6.1 mm2. (10) В этом случае электронная концентрация плазмы ne = iis / (Scs·e vd) 1.01014 cm-3 iis (A). (11) С другой стороны, необходимо учитывать взаимодействия потока ионов катодной плазмы с плотным нейтральным паром материала электродов в разрядном промежутке. В частности, в ряду ионно-атомных взаимодействий наибольшим сечением обладает процесс резонансной перезарядки. В результате таких взаимодействий в плазме появится значительная доля ионов с энергиями, характерными для паров (с Максвелловским распределением, kTi 1 eV). В этом случае ионный ток насыщения на отрицательный зонд и концентрация плазмы связаны между собой формулой Бома:

iis = iB = 0.4 SЗонд e ne (2kTe /Mi)1/2, (12) в которой собирающей поверхностью является полная поверхность зонда SЗонд 19 см. Подставляя измеренную электронную температуру kTe = 3 эВ, получаем для восстановления концентрации плазмы выражение ne = iis / (0.4 SЗонд e (2kTe /Mi)1/2 ) 2.71014 cm-3 iis (A). (13) Как видим, данные оценки отличаются менее чем в 3 раза. В реальности функция распределения ионов по скоростям в плазме представляет собой некоторую комбинацию рассмотренных крайних случаев, причем, доля низкоэнергетических ионов должна возрастать с ростом давления нейтральных паров и уменьшении тока катодных пятен. Задолго до нуля тока необходимо использовать для восстановления плотности плазмы скорее выражение (11), чем (13). Так, для конкретных коротких интервалов времени на рис. 7 плотность плазмы согласно выражению (11) составила величину 31014 см-3 (при токе дуги 6 кА, рис. 7,б), и 61013 см-3 (ток дуги 1.2 кА, рис. 7,в). Характерные отрезки осциллограмм двойного зонда, включающие ноль тока, показаны на рис. 8. В момент нуля тока амплитуда сигнала тока двойного зонда была сравнима с шумом.

Рис. 8. Набор осциллограмм двойного зонда вблизи точки перехода тока дуги через ноль. Амплитуда тока дуги 10 кА. Сплошные прямые линии являются экстраполяцией амплитуды сигнала тока в область нуля тока.

В связи с этим измерение плотности плазмы по току двойного зонда было затруднительно. Часто за 1020 мкс до нуля тока амплитуда зондового тока обрывалась скачкообразно в течение 23 мкс. Это может быть обусловлено двумя причинами. Наиболее простое объяснение такого скачка заключается в скачкообразном уменьшении плотности плазмы в окрестностях зондов. Второй причиной может оказаться резкое изменение функции распределения ионов по скоростям. Предположим, что момент начала срыва тока двойного зонда соответствует моменту гибели катодного пятна. До этого момента ионный ток насыщения на отрицательный зонд определяется в значительной степени ионным потоком, генерируемым катодным пятном, т.е. выражением (9). В течение 23 мкс происходит уход быстрых ионов из разрядного промежутка, после чего ионный ток насыщения будет чисто Бомовским, т.е. определяться выражением (12). При одной и той же концентрации плазмы Бомовский поток ионов на зонд почти в 3 раза менее интенсивен по сравнению с потоком быстрых ионов, что и обуславливает резкое снижение тока.

Попытки экстраполяции уменьшения амплитуды ионного тока насыщения со временем в момент нуля тока также не позволили однозначно и надежно определить ионный ток в этот момент. Относительно надежно можно произвести лишь верхнюю оценку ионного тока насыщения (0.010.015 A), на основании которой плотность плазмы может быть оценена как 31012 см при амплитуде тока дуги до 10 кА включительно. Существенно более аккуратные измерения плотности плазмы выполнены путем измерения электронного тока насыщения.

Измерения концентрации плазмы с использованием одиночного зонда. В отличие от измерений электронного тока насыщения, выполненных в рамках исследования динамики слоя, когда было актуально измерение времени срыва электронного тока на зонды после нуля тока, в данной экспериментальной серии было выполнено измерение электронного тока насыщения в более широком временном интервале, включая несколько десятков микросекунд до нуля тока. Поскольку электронные токи на зонд в этот период могут достигать нескольких ампер, импеданс генератора смещения потенциала зонда был уменьшен до 9 Ом. С целью уменьшения влияния отбираемого зондом тока на параметры разряда вблизи нуля тока, использовался лишь один зонд в линейке (№ 1), остальные были изолированы.

Электронная концентрация, как и ранее, восстанавливалась исходя из соотношения:

4 je (t ) ne (t ) ee, (14) где ve=(8 e kTe / me)=1.16 108 см/с – тепловая скорость электронов при kTe=3 эВ, а плотность электронного тока насыщения из плазмы принимается равной плотности тока на поверхность зонда je jЗонд = iЗонд/SЗонд.

Данное приближение есть приближение тонкого призондового слоя объемного заряда. Как показал анализ, проделанный в рамках предыдущего контракта, данное приближение удовлетворительно выполняется в нашем случае при токах на зонд 0.1 А. С учетом данных предположений получаем простое соотношение для оценки плотности плазмы ne :

ne (cm-3) 1.131012 · iЗонд(A). (15) Типичный набор осциллограмм вместе с восстановленной по выражению (15) плотностью плазмы приведены на рис. 9. Цикл измерений проводился при наличии изолированного (плавающего) большого экрана.

При наличии провала тока зонда, обусловленного всплеском напряжения горения дуги и потенциала плазмы непосредственно перед погасанием, ток зонда в момент нуля тока дуги определялся исходя из линейной интерполяции, как схематически показано на рис. 20 зеленой линией.

Измерения проводились на двух расстояниях от разрядного промежутка:

минимальном (3 мм) и на удалении 18 мм, а при токе дуги 12 кА дополнительно на расстоянии 4.5 мм. Набор экспериментальных данных приведен в Приложении М10. Средняя плотность плазмы на различных расстояниях от разрядного промежутка при различных амплитудах тока дуги приведена в таблице 3.

Рис. 9. Набор осциллограмм зонда №1 и результат обработки ВАХ зонда с использованием (15). Амплитуда тока дуги 8 кА. Времена регистрации изображений совпадает с рис. 6.

Таблица. 3. Средняя плотность плазмы и стандартное отклонение на различных расстояниях от разрядного промежутка при различных амплитудах тока дуги. Вертикальное положение зонда относительно кромки верхнего электрода – 3.2 мм.

х, 3 4.5 мм ne ), ne ), ne ), ne, см–3 ne, см–3 ne, см– Ток см–3 см–3 см– дуги, кА 8 9.65E+11 2.33E+11 3.63E+11 2.25E+ 10 2.51E+12 1.55E+12 1.23E+12 5.30E+ 12 5.50E+12 3.54E+12 2.69E+12 2.83E+12 3.85E+11 2.12E+ Полученные значения ne с учётом расстояния до источника плазмы хорошо согласуются с выводами из взрывоэмиссионной модели вакуумного разряда [7], что свидетельствует о том, что основным источником плазмы в настоящих экспериментах являются катодные пятна вакуумной дуги.

3.1.3. Выводы по разделу 3. 1.1. Выполнены эксперименты в соответствии с методикой, предназначенной для многоканальных зондовых измерений температуры и концентрации плазмы в диапазоне концентраций от 1011 до 1014 см-3 и с возможностью восстановления динамики плазменной границы, согласно пункту 4.1 ТЗ настоящего контракта.

1.2. Измеренные значения температуры зависят от материала электродов и не зависят от параметров разряда и составляют 3±0,42 эВ для меди и 2,1±0,34 эВ для контактного материала Cu0.75Cr0.25, что несколько ниже, чем в случае катодной дуги. Различие объясняется охлаждением вызрывоэмиссионной плазмы потоком анодной плазмы.

1.3. Измеренные значения концентрации плазмы находятся в соответствии со взрывоэмиссионной моделью вакуумного разряда, что свидетельствует о том, что основным источником плазмы являются катодные пятна.

3.2. Проведение серии статистических экспериментов согласно ГОСТ 8.207-76 по исследованию параметров плазмы и динамики расширяющегося прикатодного слоя после перехода тока через ноль, в условиях возрастающего переходного напряжения на разрядном промежутке с визуализацией разрядной области, в том числе в узких спектральных диапазонах при изменяемых в широких пределах параметрах электрической цепи - амплитуде тока разряда 6-15 kA, скорости изменения тока вблизи перехода через ноль 1.5-3.5 А/мкс, и скорости нарастания переходного напряжения 0.4-2 кВ/мкс. Анализ влияния параметров разряда на возникновение пробоя и его причины и механизмы 3.2.1. Результаты экспериментов по динамике катодного слоя в нуле тока дуги с электродами из меди 3.2.1.1. Общие условия экспериментов Типичный набор осциллограмм токов и напряжений представлен на рис.

10. Момент начала размыкания электродов был установлен с задержкой 0. мс от начала тока 50-Гц контура. Скорость размыкания была настроена так, чтобы к моменту нуля тока зазор составлял 10 мм. Фактически начало размыкания контактов менялось от импульса к импульсу в интервале 0.30.8 мс, что, по-видимому, было связано с изменениями геометрии электродов от импульса к импульсу. Набор осциллограмм для каждого измерения сохранялся в виде массива полной длины (125 тыс. точек на канал). Период оцифровки составлял 100 нс. Детально анализировались участки осциллограмм вблизи нуля тока.

В данной серии экспериментов следующие условия были общими:

длительность инжектируемого импульса тока 500-Гц контура – 0.95 мс;

скорость падения тока при переходе через ноль – 1.9 А/мкс;

скорость роста ПВН – 0.82 кВ/мкс поддерживаемая квазипостоянной в пределах 0.80.85 кВ/мкс от нуля тока и вплоть до 15 мкс.

Данные условия были реализованы при параметрах 500-Гц контура: C1= 12 мкФ, L1=8.34 мГн, R12=200 Ом, C2=27 нФF, Vch=17 кВ.

Два медных электрода диаметром 20 мм образовывали исследуемый промежуток. Система координат, используемая при анализе, показана на рис. 11.

(a) (б) Рис. 10. Типичные осциллограммы, общие для экспериментов при амплитуде тока дуги 10 кА.

t2 t t1 t,half-opening time CZ Arc voltage, V Probe- current onset of current fall Probe- current Electrode Screen Total current current current TRV, kV a) b) probe- x y 20 mm probe- (б) Рис. 11. Набор осциллограмм процесса (а) вблизи нуля тока дуги и соответствующее изображение (б), полученное за 950 мкс до нуля тока. Дуга без экрана с током 10 кА в амплитуде. Питание зондов +35 В.

3.2.1.2. Результаты экспериментов по динамике слоя без экрана вокруг промежутка На рис. 11 представлен типичный набор осциллограмм и соответствующее изображение разрядного промежутка при амплитудном значении тока 10 кА, соответствующие случаю отсутствия большого экрана.

Следует отметить, что здесь и далее была произведена коррекция электродного тока и общего ПДТ, которая заключалась в вычитании тока через делитель напряжения. Амплитуда общего ПДТ была 1.41.8 А. Как правило, доля ПДТ, приходящаяся на открытую поверхность электрода, была в 34 раза меньше по сравнению с током на малый экран (примерно 0.30. A на электрод и 1.21.4 А на малый экран).

Нестабильность ПДТ от измерения к измерению усиливалась с увеличением амплитуды тока. При амплитуде тока 8 кА амплитуда ПДТ была близка к 1 A (примерно 0.2 A на электрод, 0.8 А – на малый экран, см.

рис. 12). При амплитуде тока 12 кА амплитуда ПДТ составляла обычно более 1.8 A (0.350.6 А на электрод, 1.4 А и более – на малый экран, см. два типичных случая на рис. 13). Прослеживалась корреляция между яркостью канала разряда на фотографиях и величиной ПДТ. При ПДТ на электрод выше 0.5 А вероятность пробоя после НТ резко увеличивалась.

(б) Рис. 12. Набор осциллограмм процесса (а) вблизи нуля тока дуги и соответствующее изображение (б), полученное за 950 мкс до нуля тока. Дуга без экрана с током 10 кА в амплитуде. Питание зондов +30 В кс.

Времена обрыва зондового тока измерялись так же, как в предыдущей работе. Обрывом тока считался момент спада тока до значения, соответствующего половине тока, характерного для начала его срыва, как проиллюстрировано на рис. 11,а. Следует отметить, что в отличие от случая Cu-Cr электродов, момент начала спада тока был выражен значительно слабее. Особенно это касается зондов 4 и 5. В связи с этим надежность измерения времен обрыва тока на эти зонды была несколько хуже.

(а) (б) (г) (в) Рис. 13. Набор осциллограмм процесса (а, в) вблизи нуля тока дуги и соответствующее изображение (б, г), полученное за 950 мкс до нуля тока. Дуга без экрана с током 12 кА в амплитуде. Питание зондов +45 В.

Амплитуды ПДТ (и соответствующие значения концентрации плазмы) проявляют высокую степень нестабильности от импульса к импульсу.

Иногда токи на зонды падали в значительной степени до НТ, при этом токи на все зонды падали одинаковым образом. Это означает, что концентрация плазмы столь низка, что зонды уже не ведут себя как одиночные.

Вероятность таких падений концентрации плазмы увеличивается с увеличением x координаты. Такие измерения были исключены из статистики.

При проведении экспериментов при амплитуде тока дуги 8 кА произошло закорачивание зонда 5 на землю (пример на рис. 14), что проявило себя в виде аномально большого тока в цепи зонда. В дальнейшем данный зонд не использовался в эксперименте вплоть до открытия камеры и обслуживания зондов. Если закорочивание зонда происходило не напротив промежутка, то измерения продолжались.

Аномально большой ток в цепи зондов иногда наблюдался вследствие случайных пробоев между зондом и металлизированной поверхностью керамической трубки (см. рис. 13,в, зонды 4 и 5). Вероятность таких пробоев повышалась с ростом тока дуги и в тех случаях, когда канал разряда локализован на стороне электродов, обращенной к зондам. Одной из наиболее вероятных причин таких пробоев могут быть попадания капель.

Если в измерении возникал аномальный ток в цепи зондов, расположенных напротив промежутка, то такое измерение не участвовало в статистике.

Рис. 14. Зонды после проведения измерений. Зонд №5 признан вышедшим из строя ввиду короткого замыкания между электродом и экраном (отмечено стрелкой).

Величина зондовых токов сильно зависела от положения горячего пятна на верхнем электроде (см. рис. 13,а,б и 13,в,г). В связи с этим положение канала разряда перед НТ заносилось в таблицу результатов. Кроме того, наблюдалась корреляция величины зондовых токов и ПДТ (это видно на том же рисунке).

Исходные данные, используемые для восстановления динамики слоя, и графики изолиний времени полуоткрытия зондов приведены в Приложении М1 для амплитуды тока дуги 8 кА, 2 для 10 кА и 3 для 12 кА.

3.2.1.3. Результаты экспериментов по динамике слоя с экраном, находящимся под плавающим потенциалом При наличии большого экрана под плавающим потенциалом потенциал экрана измеряется резистивным делителем. Сопротивление делителя было достаточно велико для выполнения условия плавания в плазме после НТ.

При этом постоянная времени делителя была не хуже 200 нс. Типичные наборы осциллограмм с соответствующими изображениями представлены на рис. 15 для амплитуды тока дуги 8 (a, б) и 10 кА (в, г).

(а) (б) (в) (г) Рис. 15. Набор осциллограмм (a, в) вблизи нуля тока и соответствующие им изображения (б, г), полученные за 950 мкс до нуля тока дуги с экраном под плавающим потенциалом. Амплитуда тока дуги 8 кА (а, б) и 10 кА (в, г). Питание зондов +50 В.

В течение горения дуги потенциал экрана следует за напряжением горения дуги, оставаясь на 612 В ниже напряжения горения дуги. В процессе всплеска напряжения горения дуги перед обрывом тока потенциал экрана также испытывает всплеск. Такое поведение отражает потенциал плавания в плазме дуги. При переходе напряжения дуги через ноль потенциал экрана снижается до величины –(24 В) с некоторым запаздыванием (обычно 15 мкс). Это запаздывание существенно превышает аппаратное время делителя и коррелирует с изменениями зондового тока.

Через некоторое время после прекращения зондового тока потенциал экрана резко снижется, становясь ниже –80 В. По предварительным наблюдениям данное время тем меньше, чем выше ПДТ в цепи электрода. По-видимому, причиной резкого снижения является эмиссия высокоэнергетических электронов ПВН катодом.

Каких либо ярко выраженных особенностей ПДТ при наличии плавающего экрана по сравнению с его отсутствием не наблюдалось.

Типичные величины ПДТ и их длительность были приблизительно те же.

Критическим для развития обратного пробоя был уровень ПДТ в цепи ПВН катода 0.50.6 А (случай развития пробоя, нетипичный для амплитуды тока дуги 8 kA, можно видеть на рис. 15,а,б).

При токе 12 kA стабильно от импульса к импульсу происходил обратный пробой за времена, при которых токи зондов не успевали оборваться.

Поэтому времена полуоткрытия зондов не определены для этого случая.

Пример поведения ПДТ при этом приведен на рис. 16.

Рис. 16. Набор осциллограмм вблизи НТ при плавающем потенциале экрана. Ток дуги 12 кА в амплитуде. Питание зондов +20 В.

Исходные данные, используемые для восстановления динамики слоя, и графики изолиний времени полуоткрытия зондов приведены в Приложении М4 для амплитуды тока дуги 8 кА и 5 для 10 кА.

3.2.1.4. Результаты экспериментов по динамике слоя с экраном, находящимся под потенциалом земли В данной экспериментальной серии большой экран был соединен с заземленным нижним электродом через резистор R10 = 4 Ом. В этих условиях измерение потенциала этого электрода, т.е. падения напряжения на резисторе, несло информацию о токе на большой экран. Наборы осциллограмм, включая потенциал большого экрана и ток, измеренный поясом Роговского G4, приведены на рис. 17 для случая амплитуды тока дуги 10 кА и на рис. 18 для 8 кА. На этих же рисунках приведены четырехкадровые серии фотографий разрядного промежутка в различные моменты времени (здесь и далее использовалась 4-канальная камера).

(а) (б) Рис. 17. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) при заземлённом экране.

Амплитуда тока дуги 10 кА, питание зондов +30 В, и изображения (б), полученные за 600 мкс до НТ (b), 10 мкс до НТ (c), 40 мкс после НТ 40 мкс после НТ (d) и 190 мкс после НТ (е).

Общий ПДТ в цепи верхних электродов составлял обычно 1.12 A (0.40.7 A на электрод, 0.61.2 A на малый экран) при амплитуде тока дуги 10 kA, и 0.91.4 A (0.20.5 А на электрод, 0.70.9 А на малый экран) при амплитуде дугового тока 8 кA. По сравнению со случаями других потенциалов большого экрана в данном случае несколько увеличилось отношение ток электрода к току на малый экран до величины 1/21/3.

Причем, произошло это в большей степени за счет уменьшения тока на малый экран.

Ток в цепи большого экрана был относительно невелик, что легко объясняется удаленностью его от промежутка и, главным образом, наличием ограничивающего резистора в его цепи. Необходимо отметить особенность в поведении тока в цепи большого экрана на этапе непосредственно перед НТ, в период положительного (прямого всплеска напряжения). На этом отрезке ток большого экрана составляет до 4050% по отношению к току дуги (см.

рис.17.). Данная величина в несколько раз превосходит известную долю ионного тока в токе дуги (10 %), измеренную Кимблином [8]. Столь высокие ионные токи на большой экран означают, что в период всплеска напряжения происходит соответствующий всплеск потенциала плазмы и интенсивная эрозия плазмы на границе с поверхностью большого экрана (и, разумеется, с поверхностью нижнего электрода).

(а) (б) Рис. 18. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) при заземлённом экране.

Амплитуда тока дуги 8 кА, питание зондов +40 В, и изображения (б), полученные за 600 мкс до НТ (b), 10 мкс до НТ (c), 40 мкс после НТ 40 мкс после НТ (d) и 190 мкс после НТ (е).

Исходные данные, используемые для восстановления динамики слоя, и графики изолиний времени полуоткрытия зондов приведены в Приложении М6 для амплитуды тока дуги 8 кА и М7 для 10 кА.

3.2.1.5. Результаты экспериментов по динамике слоя с экраном, находящимся под ПВН потенциалом В данной экспериментальной серии большой экран был соединен с потенциальным выходом формирователя ПВН через резистор R9 = 300 Ом.

Измерялся потенциал большого экрана как на стадии горения дуги в диапазоне –60 +60, так и диапазоне киловольт, и ток на большой экран вблизи НТ. Наборы осциллограмм и фотографий приведены на рис. 19 и для случая амплитуды тока дуги 8 кА, и на рис. 21 для случая амплитуды тока дуги 10 кА.

(а) (б) Рис. 19. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) при экране под ПВН.

Амплитуда тока дуги 8 кА, питание зондов +40 В, и изображения (б), полученные за 600 мкс до НТ (b), 10 мкс до НТ (c), 40 мкс после НТ 40 мкс после НТ (d) и 190 мкс после НТ (е).

ПДТ токи на верхний электрод и малый экран остались практически на прежнем уровне (0.30.4 А на электрод и 0.50.6 А на малый экран при амплитуде тока дуги 8 кА, 0.30.5 А на электрод и 0.61 А на малый экран при амплитуде тока дуги 10 кА). ПДТ ток на большой экран составлял 1.53 А при амплитуде тока дуги 8 кА и мог превышать 5 А при амплитуде дугового тока 10 кА.

Исходные данные, используемые для восстановления динамики слоя, и графики изолиний времени полуоткрытия зондов приведены в Приложении М8 для амплитуды тока дуги 8 кА и М9 для 10 кА.

(а) (б) Рис. 20. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) при экране под ПВН.

Амплитуда тока дуги 8 кА, питание зондов +40 В, и изображения (б), полученные за 600 мкс до НТ (b), 10 мкс до НТ (c), 40 мкс после НТ 40 мкс после НТ (d) и 190 мкс после НТ (е).

(а) (б) Рис. 21. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) при экране под ПВН.

Амплитуда тока дуги 10 кА, питание зондов +30 В, и изображения (б), полученные за 600 мкс до НТ (b), 10 мкс до НТ (c), 40 мкс после НТ 40 мкс после НТ (d) и 190 мкс после НТ (е).

3.2.2. Результаты экспериментов по динамике катодного слоя в нуле тока дуги с электродами из контактного материала Cu0.75Cr0. 3.2.2.1. Общие условия экспериментов В данной серии экспериментов устанавливались следующие параметры экспериментальной установки:

1. Неизменная скорость падения тока дуги вблизи момента НТ 1,93±0,2 А/мкс.

2. Скорость роста ПВН 1,0 кВ/мкс при диаметре охранного экрана катода 30 мм и 0,4 кВ/мкс при диаметре охранного экрана катода мм.

В целом параметры установки, использовавшиеся в сериях экспериментов с 1 кВ/мкс и 0,4 кВ/мкс, были подобны. Малые электроды из Cu0.75Cr0. использовались диаметром 20 мм. Также вокруг контактного промежутка использовался цилиндрический экран высотой 95 и внутренним диаметром 96 мм.

Основное различие экспериментальных серий заключалось в различной скорости нарастания ПВН. Различные скорости нарастания достигались изменением параметров элементов и соединений в электрической схеме Гц генератора импульсных напряжений. Скорость нарастания ПВН в кВ/мкс достигалась при L1=8,3 мГн, C2=21 нФ, R12= 520 Ом. Типичный набор осциллограмм тока и напряжения для этого случая приведен на рис. 22.

Реализация скорости нарастания ПВН в 0,4 кВ/мкс описана в разделе 3.2.1.

Типичный набор соответствующих осциллограмм приведен на рис. 23.

(a) (b) Рис. 22. Набор осциллограмм для дуги с экраном под плавающим потенциалом в течение горения дуги (а) и вблизи НТ (б) при скорости роста ПВН 1 кВ/мкс.

(b) (a) Рис. 23. Набор осциллограмм для дуги с экраном под потенциалом земли (через 4,25 Ом) в течение горения дуги (а) и вблизи НТ (б) при скорости роста ПВН 0,4 кВ/мкс.

Принимая во внимание опасность короткого замыкания электрода зонда на экран зонда, конструкция зондов была изменена, как показано на рис. 24.

При этом собирающая площадь зонда подбиралась таким образом, чтобы оставаться без изменения относительно собирающей площади зонда в предыдущих экспериментальных серия. Зонды новой конструкции действительно оказались более устойчивыми к забрызгиванию каплями жидкого металла при горении дуги.

(а) (б) Рис. 24. Фотографии зондов модифицированной конструкции (а) после эксперимента и предыдущей конструкции (б) в исходном состоянии.

3.2.2.2. Динамика катодного слоя при скорости роста ПВН 1 кВ/мкс и незаземлённом экране Данные экспериментальные серии выполнялись при амплитуде тока дуги 8 кА. Типичные осциллограммы вблизи НТ и экрана под плавающим потенциалом представлены на рис. 25 и для экрана под потенциалом ПВН на рис. 26. ПДТ имели небольшой разброс по амплитуде и длительности от импульса к импульсу. Уровни ПДТ составляли 0,170,2 А в цепи контактного электрода и 0,40,5 A на охранном экране катода. Измеренный общий ПДТ составлял 0,550,65 A. Значения ПДТ практически не зависели от способа включения общего экрана.

Потенциал экрана при его включении в цепь в режиме плавания приходил в момент НТ к уровню, близкому к нулевому, и оставался таким на протяжении 3050 мкс. Затем потенциал экрана уходил в отрицательную область ниже 80 100 В, и затем отрицательный потенциал экрана плавно снижался по модулю с временным декрементом порядка 1 мс, составляя спустя 2 мс после НТ величину 10 50 В.

Токи зондов имели обрыв, выраженный более резко по сравнению с таковым при использовании медных электродов. Обработанные данные по динамике катодного слоя представлены в Приложении МХ1 для экрана под плавающим потенциалом и в Приложении МХ2 для экрана под потенциалом ПВН. Заметим, что хотя распределения были получены с использованием измерений в 6-ти горизонтальных позициях зондов, максимальная горизонтальная позиция составляла лишь 24 мм, что не позволило выявить движение плазменной границы со стороны экрана при его подключении к источнику ПВН.

Фотографии разрядного промежутка имели сложную структуру свечения анодного пятна в период 950850 мкс до НТ. Данное явление подробно обсуждалось в разделе 3.1 настоящего отчёта.

a) b) Рис. 25. Набор осциллограмм для дуги (8 кА) с экраном под плавающим потенциалом вблизи НТ (б) и фотография разрядного промежутка (б) в момент 950 мкс до НТ. Расстояние до зондов 24,19 мм.

Рис. 26. Набор осциллограмм для дуги (10 кА) с экраном под плавающим потенциалом вблизи НТ. Расстояние до зондов 24,19 мм.

3.2.2.3. Динамика катодного слоя при скорости роста ПВН 0,4 кВ/мкс и экране под потенциалом ПВН Осциллограммы напряжения дуги и потенциала экрана в течение дуги приведены на рис. 27 для случаев различных амплитуд токов. При различных подключениях экрана (ПВН через 75 Ом, заземление через 4,25 Ом) потенциал экрана близок к плавающему на протяжении сильноточной стадии горения дуги. С ростом амплитуды тока дуги с 8 до 15 кА напряжение горения дуги возрастает не более чем на 5 В (c 50 до 55 В). Потенциал экрана также практически не меняется.

(а) (б) (в) (г) Рис. 27. Наборы осциллограмм при горении дуги при различных амплитудных значениях тока и экране, подключенном к источнику ПВН через 75 Ом.

Наборы осциллограмм вблизи НТ представлены на рисунках 28, 29, 30 для токов дуги амплитудой 10, 12 и 15 кА соответственно. На этих же рисунках представлены 4-кадровые серии фотографий для иллюстрации динамики свечения в разрядном промежутке.

Осциллограммы ПДТ имели небольшой разброс от импульса к импульсу.

Амплитуды ПДТ, усредненные по всем импульсам серий с токами 815 кА представлены в таблице 4. Уровни ПДТ даже для наиболее сильноточных режимов были заметно ниже того, что наблюдалось в случае с медными электродами. Кроме того, оказалось, что с ростом амплитуда тока разряда с до 15 кА, только ПДТ на охранный экран катода растет приблизительно линейно с током дуги, а вот уровни ПДТ на контактный электрод и экран практически не увеличиваются.

Таблица 4. Амплитудные значения ПДТ, усреднённые по числу импульсов дуги для всех положений зондов.

Ток дуги, кА 8 10 12 ПДТ на катод, A 0,198 0,202 0,204 0, Среднеквадратичное отклонение, A 0,016 0,006 0,008 0, ПДТ на охранный 0,213 0,282 0,357 0, экран, A 0, Среднеквадратичное 0,035 0,037 0, отклонение, A ПДТ на экран, A 1,1843 1,447 1,888 1, Среднеквадратичное отклонение, A 0,144 0,129 0,190 0, Еще одним отличием поведения ПДТ от такового с медными электродами явилось отсутствие каких либо особенностей на осциллограммах ПДТ, даже при наличии обратного пробоя промежутка. Не было замечено ни спонтанного возрастания ПДТ, подобного тем, которые часто предшествуют пробою при использовании медных электродов. Зондовые токи имели явно выраженные обрывы. Результаты обработки данных представлены в Приложении МХ4 для тока амплитудой 8 кА, МХ6 для 10 кА, МХ7 для 12 кА и МХ9 для 15 кА.

(а) (б) Рис. 28. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) в случае экрана под потенциалом ПВН. Ток дуги 10 кА, питание зондов +40 В, положение зондов 10 мм, изображения (б) получены в моменты 605 мкс до НТ (b), за 5 мкс до НТ (c), 45 мкс после НТ (d) и 195 мкс после НТ (e).

(а) (б) Рис. 29. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) в случае экрана под потенциалом ПВН. Ток дуги 12 кА, питание зондов +40 В, положение зондов 17,5 мм, изображения (б) получены в моменты 605 мкс до НТ (b), за 5 мкс до НТ (c), 45 мкс после НТ (d) и 195 мкс после НТ (e).

(а) (б) Рис. 30. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) в случае экрана под потенциалом ПВН. Ток дуги 15 кА, питание зондов +40 В, положение зондов 3,5 мм, изображения (б) получены в моменты 605 мкс до НТ (b), за 5 мкс до НТ (c), 45 мкс после НТ (d) и 195 мкс после НТ (e).

3.2.2.4. Динамика катодного слоя при экране под потенциалом земли При проведении данной экспериментальной серии экран был подключен к земле через сопротивление R10 = 4.25 Ом. Поэтому потенциал экрана относительно земли, приведенный на нижеследующих осциллограммах, является фактически падением напряжения на резисторе и определяется током в цепи экрана. Осциллограммы процесса при токах дуги амплитудой и 12 кА представлены на рисунках 31 и 32.

Рис. 31. Набор осциллограмм вблизи НТ в случае экрана под потенциалом земли. Ток дуги 8 кА, питание зондов +40 В, положение зондов 2,5 мм.

(а) (б) Рис. 32. Набор осциллограмм вблизи НТ (а) в случае экрана под потенциалом земли. Ток дуги 12 кА, питание зондов +40 В, положение зондов 11 мм, изображения (б) получены в моменты 600 мкс до НТ (b), за 10 мкс до НТ (c), 50 мкс после НТ (d) и 200 мкс после НТ (e).

Уровень ПДТ оказался близок к ПДТ при экране под потенциалом ПВН.

Как и в случае медных электродов, ПДТ экрана оказался близок к нулю. В отличие от медных электродов, никакого роста тока в период предшествующий пробою не наблюдалось. Амплитуды ПДТ в цепи контактного электрода и охранного экрана вокруг него, усредненные по всем импульсам серий с токами 815 кА представлены в таблице 5. Уровни токов коррелируют с приведенными в таблице 4.

Таблица 5. Амплитудные значения ПДТ, усреднённые по числу импульсов дуги для всех положений зондов.

Ток дуги, кА 8 10 ПДТ на катод, A 0,187407 0,183333 0, Среднеквадратичное 0,033695 0,024398 отклонение, A ПДТ на охранный 0,24037 0,302941 0, экран, A 0,049729 0,032933 0, Среднеквадратичное отклонение, A Обработанные данные по динамике катодного слоя приведены в Приложении МХ3 для амплитуды тока дуги 8 кА, МХ5 для 10 кА и МХ8 для 12 А.

Приложение M Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран отсутствует.

Амплитуда тока дуги 8 кА.

Внешний диаметр охранного экрана 30 мм.

Таблица 6. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 y, мм -2.64 2.08 6.76 11.89 16. Таблица 7. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 2,13 мм.

Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N 1.4 2.5 7 10 * 1.3 2.4 7.5 14.5 * 0.5 1.4 3.4 5.1 left 1.6 2.2 6 9.7 справа 2 3.1 8.3 14.5 * 1.9 2.7 6.9 10 centre 1.5 2.2 7.4 14.5 справа среднее 1.46 2.36 6.64 11. СКО 0.49 0.56 1.59 3. Таблица 8. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 9,63 мм.

Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N 6.3 7.9 10.5 14.3 left 6.2 7.3 9.8 * centre 2.1 2.1 3.3 5 справа 8.5 10.3 13.3 17.4 справа 4.8 5.8 7.7 10.8 centre 2.3 2.4 3.9 6 centre 8 10.5 14.5 19.5 left среднее 5.46 6.61 9 12. СКО 2.54 3.41 4.32 5. Таблица 9. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 20,13 мм Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N 13.7 15.7 18.4 22.4 * 16 17.5 20 23.5 centre 13.3 14 16 18.5 * 15.8 17 19.2 22.2 centre среднее 14.7 16.05 18.4 21. СКО 1.4 1.56 1.73 2. Рис. 33. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 8 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран отсутствует.

Амплитуда тока дуги 10 кА.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 10. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 y, мм -2.64 2.08 6.76 11.89 16. Таблица 11. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 4.2 мм.

Время, мкс Зонд Анодное пятно N1 N2 N3 N4 N 1 1.5 6 17 справа 2.8 5.5 15 28 справа-centre 1.2 2.6 7 17 centre 0.5 1.7 4.5 9 справа 2.7 4.9 1.8 4.5 10 1.2 3 7.5 18 справа 1.6 3.5 11.8 18 front-справа среднее 1.6 3.4 9.6 17. СКО 0.809 1.473 4.026 5. Таблица 12. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 10.2 мм.

Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 14 18.5 25.5 left centre 9 12 27 40 справа 7.5 9.5 12 16 20 справа 12 16 28 9.5 12.5 18 25.5 35 left среднее 10.4 13.7 18.5 24.13 32. СКО 2.58 3.55 6.76 5.51 8. Таблица 13. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 20.7 мм.

Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 24 26.5 30 35.5 41 left 22 26 31 40 50 left 23 27.5 32 40 50 centre 13 15 18.5 24 30 справа 12 14.5 19 25.5 33 справа среднее 18.8 21.9 26.1 33 40. СКО 5.81 6.567 6.75 7.77 9. Рис. 34. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 10 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран отсутствует.

Амплитуда тока дуги 12 кА.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 14. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 y, мм -1.56 3.1 7.83 12.86 17. Таблица 15. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 4.2 мм.

Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 1.2 2.6 13.5 24 справа * * * front-back 1 2.5 11.5 21.5 справа 0.5 1.7 7 справа среднее 0.9 2.27 10.78 22. СКО 0.29 0.4 2.72 1. Таблица 16. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =8.18 мм.

Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 3 5.3 13 24 справа front 3.2 5.7 17.7 26.7 справа 4 6 16 27 справа front 6.5 9.5 22.5 33.5 справа 4.8 6.8 18.8 33 справа среднее 4.3 6.66 17.6 28. СКО 1.42 1.68 3.51 4. Таблица 17. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =19.5 мм.

Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N5 пятно 19.3 23 36 43 справа front 13 15.7 27.5 34.5 справа 10.5 12.5 22 30 справа 21.5 26.5 40 15 18.5 27 32 centre(big) среднее 15.86 19.24 30.5 37. СКО 4.51 5.6 7.31 8. Рис. 35. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 12 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран под плавающим потенциалом.

Амплитуда тока дуги 8 кА.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 18. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 y, мм -3.74 1 5.89 10.58 15. Таблица 19. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 3.69 мм.

Время, мкс Анодное Зонд N5 пятно N1 N2 N3 N 3.9 7.3 10.9 13 13.8 centre-справа 8.8 11.3 13.3 справа 4 14.5 15.6 19.7 20. 13.5 17.7 centre 2.6 4.3 7 9.6 10. среднее 3.5 8.725 11.66 14.66 14. СКО 0.78 4.28 3.21 4.03 5. Таблица 20. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 9.69 мм Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 6 7.9 10.3 12.8 15. 5.9 7.1 9.8 12 13.1 справа 12 15 19.7 25. 6.2 7.2 9 11.2 left-centre 9.5 13.4 18.4 23.3 centre среднее 7.92 10.12 13.44 16.9 14. СКО 2.73 3.78 5.16 6.771 1. Таблица 21. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x = 20.19 мм.

Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N 17.8 24 27 31 centre-left 9.4 10.8 12.5 12.8 14 centre 15 17.7 21 23.5 25 centre 7.9 8.6 10.1 11.1 12 справа 13.8 15.6 18.1 20.6 21.8 справа среднее 12.78 13.18 17.14 19 20. СКО 4.07 4.2 5.79 6.85 7. Рис. 36. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 8 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран под плавающим потенциалом.

Амплитуда тока дуги 10 кА.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 22. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 y, мм -1.75 2.79 7.59 12.23 17. Таблица 23. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =4.2 мм.

Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 2,9 5,3 14 19 centre 3,8 7,5 16,9 29,9 справа 3,5 13 16,1 справа 1,5 3,6 left-centre среднее 2,93 5,47 13 15,67 24, СКО 1,02 1,96 1,5 7, Таблица 24. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =11.7 мм.

Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 10,5 14 18 справа 10,7 14,7 19 23,6 справа 11,3 15,1 19,5 23,4 centre-справа 10,7 13,9 17,8 21 справа 21 28 centre среднее 12,84 17,14 18,58 22, СКО 4,57 6,09 0,81 1, Таблица 25. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =22.2 mm Время, мкс Анодное Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 17,4 20,5 23,9 27,1 31,4 centre-left 18 21,9 26,1 30,1 35, 17,2 19,7 22,8 26,2 29,7 left 19,2 23 28,5 33,1 41,5 справа среднее 17,95 21,28 25,33 29,13 34, СКО 0,9 1,47 2,52 3,13 5, Рис. 37. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 10 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран заземлен.

Амплитуда тока дуги 8 кА.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 26. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 x, мм 3.71 3.61 3.88 3.88 4. y, мм -4.56 0.34 5.1 9.56 14. Вертикальная позиция была изменена из-за эрозии медных электродов.

Измеренный темп эрозии составил 33 мкм за 1 акт горения дуги амплитудой 8 кА, что находится в согласии с литературными данными [8]. Позиция каждого из зондов вычислялась индивидуально путём линейной интерполяции между событиями, сопровождающимися измерениями промежутка.

Таблица 27. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =3.61 мм.

Время, мкс Зонд Анодное пятно N1 N2 N3 N4 N 4.4 6.2 9.9 13.4 16.4 справа 3.5 4.1 5.5 7.5 11.7 центр 5.5 7 10.7 15.6 19.9 центр 3.3 4.2 6.1 7.7 13.2 центр 3 4 7.4 11 13.5 центр среднее 3.94 5.1 7.92 11.04 14. СКО 1.02 1.4 2.34 3.54 3. Таблица 28. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =11.11 мм.

Время, мкс Зонд N2 N3 N4 N5 Анодное пятно N 10.9 13.7 17.9 19.5 справа 9.6 11.5 центр 8.8 9.3 11.9 15.9 центр 8 9 10.4 центр-справа 8.2 11 12.3 16.7 21.2 центр среднее 9.1 10.9 13.125 17.37 21. СКО 1.18 1.9 3.29 1. Таблица 29. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =18.61 мм.

Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N5 Анодное пятно 11.5 13.3 14.3 16.4 центр-справа 12.1 13.7 15 18.6 21.5 центр 10 13.2 15.8 19 22.8 центр-справа 11.9 14.1 16.8 19.3 23.2 центр-справа 12.8 14.8 17.6 20.1 23.3 справа среднее 11.66 13.82 15.9 18.68 22. СКО 1.04 0.65 1.33 1.39 0. Таблица 30. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =26.11 мм.

Время, мкс Зонд Анодное N1 N2 N3 N4 N5 пятно 13.3 13.6 15.3 16.4 17.5 центр-справа 18.6 20.5 23.1 25.3 27.7 справа 20.5 23.4 27.5 33.3 39 центр-справа 14.6 16.1 18.2 20 22.1 справа 15.9 17.2 19.3 21.5 23.5 центр-справа среднее 16.58 18.16 20.68 23.3 25. СКО 2.94 3.84 4.73 6.44 8. Рис. 38. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 8 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Рис. 39. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 8 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями. Данные для зонда № 5 в положении х=11.11 мм были исключены из статистики.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран заземлен.

Амплитуда тока дуги 10 кA.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 31. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 x, мм 3.78 3.64 4.05 4.05 4. y, мм +2.72 7.45 12.25 16.67 21. Таблица 32. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =3.64 мм.

Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 9.2 12 8.5 13.5 19.5 27. 5.1 8.5 10.8 12 справа 9 16 19. среднее 7.95 12.5 16.025 19. СКО 1.92 3.14 4.39 10. Таблица 33. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =11.14 мм.

Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 12.4 17 21 27 справа 24 28.2 30.5 32 33. 10.5 13.5 17.2 31 39. 13.5 20 26 33. среднее 15.1 19.68 23.68 30.95 36. СКО 6.06 6.27 5.80 2.88 4. Таблица 34. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =18.64 мм.

Время, мкс Зонд Анодное N2 N3 N4 N5 пятно N 29.5 35.5 39.5 43.5 ц.-слева 17.7 24.5 34.3 49.5 65.5 справа 14.2 16.5 19.1 22 14 17 22.8 31 среднее 18.85 23.38 28.93 36.5 42. СКО 7.30 8.87 9.57 12.36 21. Таблица 35. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =26.14 mm Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N5 Анодное пятно 27.5 31 34.5 38.5 42.8 ц.-слева 24.5 27.1 29.2 32.8 35.8 центр 23.5 28 34 43 29.5 35 40.4 47.5 54. среднее 26.25 30.28 34.525 40.45 45. СКО 2.75 3.56 4.59 6.298 7. Рис. 40. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 10 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран соединен с потенциальным ПВН электродом.

Амплитуда тока дуги 8 кA. Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 36. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 x, мм 3.27 3.1 3.47 3.47 3. y, мм -2.93 1.91 6.6 11.16 15. Таблица 37. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =3.1 мм.

Время, мкс Зонд Анодное N1 N2 N3 N4 N5 пятно 5 7.6 13.8 14.5 15.5 центр 4.7 7.9 13.5 16.1 20.9 центр 4.5 6.5 10.8 13.4 14. 4.8 7 11.4 13.5 14.3 справа 4.8 7.2 10.6 13.3 14.8 центр среднее 4.76 7.24 12.02 14.16 16. СКО 0.18 0.54 1.52 1.19 2. Таблица 38. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =10.6 мм.

Время, мкс Зонд Анодное N1 N2 N3 N4 N5 пятно 10 11.6 13.2 15.7 16.7 центр 7.7 8.8 10.8 12.3 13. 9.4 11.1 12.9 14.5 14.6 справа центр 10.1 11.8 13.5 16.1 16.1 справа 9 10.1 13 14.3 14.9 справа Среднее 9.24 10.68 12.68 14.58 15. СКО 0.97 1.248 1.08 1.49 1. Таблица 39. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =18.1 мм.

Время, мкс Зонд пятно N1 N2 N3 N4 N 14.8 16.1 17.1 18 17.1 центр-справа 17.5 19 21.1 22.5 22.6 справа 14.1 16.1 18.5 20.3 21. среднее 15.47 17.07 18.9 20.27 20. СКО 1.84 1.67 2.03 2.25 2. Таблица 40. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =25.6 мм.

Время, мкс Анодное Зонд N1 N2 N3 N4 N5 пятно 14.9 15.5 справа среднее 14.9 15. СКО Рис. 41. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 8 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению расширения прикатодного слоя.

Большой экран соединен с потенциальным ПВН электродом.

Амплитуда тока дуги 10 кA. Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 41. Вертикальные положения зондов.

№ зонда 1 2 3 4 x, мм 3.44 3.44 3.78 3.78 3. y, мм -2.28 2.62 7.35 11.91 16. Таблица 42. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =3.44 мм.

Время, мкс Анодно Зонд N1 N2 N3 N4 N5 е пятно 5.5 7.9 12.9 17.5 4.4 6.6 10.1 13. 7 11.3 17 21.5 справа среднее 5.63 8.6 13.33 17.37 СКО 1.31 2.43 3.47 4. Таблица 43. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =10.94 мм.

Время, мкс Анодное Зонд N1 N2 N3 N4 N5 пятно 10 12.3 15.5 17 18.5 справа 8.9 11.5 15.2 18 20. 13.8 17.7 20.9 24 15.9 19.5 26 27.2 центр среднее 12.15 15.25 17.2 21.25 23. СКО 3.26 3.95 3.21 4.43 4. Таблица 44. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =18.44 мм.

Время, мкс Анодное Зонд N1 N2 N3 N4 N5 пятно центр 16.8 19.2 23 22.3 справа 14.6 17.1 20.1 справа 15.2 18.6 22.3 22.8 23.4 справа 26.5 29.1 33.5 центр 22.5 24 26 26. среднее 19.12 21.6 27.27 23.03 22. СКО 5.17 4.92 5.71 2.5 0. Таблица 45. Времена задержки полуоткрытия зонда (мкс). x =25.94 мм.

Время, мкс Зонд Анодное N1 N2 N3 N4 N5 пятно 23 25.3 26 28 центр 13.7 14.9 14.8 15 13.2 центр центр 17.9 21 23 справа 18.5 20.5 23. 17.9 19.8 21.9 22.8 22. среднее 18.2 20.3 21.86 21.93 17. СКО 3.3 3.71 4.22 6.54 6. Рис. 42. Время полуоткрытия зонда в зависимости от его позиции при Imax = 10 кА и скорость роста ПВН –0.8 кВ/мкс. Положение зондов показаны окружностями.

Приложение М Набор экспериментальных данных по измерению концентрации плазмы методом электронного тока насыщения одиночного зонда.

Большой экран под плавающим потенциалом.

Внешний диаметр малого экрана 40 мм.

Таблица 46. Электронный ток насыщения и плотность плазмы на различном удалении от разрядного промежутка при токе дуги 8 кА.

Зонд N Plasma density, current, cm-3 Анодное пятно A 0.7 8.00E+11 ц.-справа 1 1.13E+12 ц.-справа среднее 0.85 9.65E+ СКО 0.21 2.33E+ 0.3 3.40E+11 центр 0.34 3.80E+11 справа 0.2 2.30E+11 справа 0.7 8.00E+11 ц.-справа 0.2 2.30E+11 центр 0.18 2.00E+11 центр среднее 0.32 3.63E+ СКО 0.2 2.25E+ Таблица 47. Электронный ток насыщения и плотность плазмы на различном удалении от разрядного промежутка при токе дуги 10 кА.

Зонд N current, Plasma density, Анодное cm- A пятно 3.7 4.20E+12 ц.-слева 2.2 2.60E+12 центр 2.5 2.80E+12 центр 0.4 4.50E+11 справа Среднее 2.2 2.51E+ СКО 1.36 1.55E+ 0.75 8.50E+11 слева 1.4 1.60E+12 справа Среднее 1.08 1.23E+ СКО 0.46 5.3E+ Таблица 48. Электронный ток насыщения и плотность плазмы на различном удалении от разрядного промежутка при токе дуги 12 кА.

Зонд N 1 Plasma density, Анодное - current, A cm пятно 2.6 3.00E+12 справа 7 8.00E+12 слева среднее 4.8 5.5E+ СКО 3.11 3.54E+ 1.4 1.60E+12 справа * * справа 5.2 5.90E+12 центр среднее 3.3 3.75E+ СКО 1.9 2.15E+ 0.35 4.00E+11 справа 0.33 3.70E+11 центр среднее 0.34 3.85E+ СКО 0.014142 2.12E+ Приложение МХ Условия эксперимента:

- Амплитуда тока дуги 8 кА;

- Темп падения тока вблизи НТ –1.85 А/мкс;

и - Темп роста ПВН 1 В/мкс при длительности линейной части роста 15 мкс.

- Экран находился под плавающим потенциалом.

Таблица 49. Положение зондов.

Номер зонда 1 2 3 4 y, мм -3.87 0.57 5.62 10.77 15. Таблица 50. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =3.19 мм Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N 1.3 2.5 6.8 10.1 11. 1.4 2.4 6.2 9.3 10. 1.5 2.5 7.8 11.4 12. 1.5 2.3 5.2 8.6 10. 1 1.6 4.1 6.7 7. 2 3 7.2 10.9 2.3 3.1 6.3 9.3 11. среднее 1.57 2.49 6.231 9.47 10. СКО 0.44 0.49 1.25 1.56 1. Таблица 51. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =4.69 мм Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N 1.3 2 4.3 7.2 3 4.2 7.3 10.4 12. 3.3 5.1 8.5 11.7 13. 2.5 3.7 6.8 10.1 11. 2.7 4.4 7.9 11.1 12. среднее 2.56 3.88 6.96 10.1 11. СКО 0.77 1.16 1.62 1.74 1. Таблица 52. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =7.69 мм Время, мкс Зонд N1 N2 N3 N4 N 3.5 6.7 10.1 13.4 16. 3.3 4.4 6.6 9.1 10. 2.4 4.2 7.1 10.1 11. 4.5 5.8 8.5 11.1 13. 4.4 5.9 8.2 10.6 12. 3.5 5.1 7.6 10.4 11. среднее 3.6 5.35 8.02 10.78 12. СКО 0.77 0.96 1.24 1.44 2. Таблица 53. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =12.19 мм Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 6.5 8 10.4 12.4 14. 4.8 6.1 8.1 10.2 11.5 справа 4.6 6.7 8.8 10.9 12.1 справа 5.8 7.3 9.4 11.5 12.8 справа 7.1 9.6 12.1 14.5 17.1 слева 7.6 9.6 12.5 14.8 17.4 слева среднее 6.07 7.88 10.22 12.38 14. СКО 1.22 1.47 1.79 1.90 2. Таблица 54. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =18.19 мм Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 12.8 14.5 17.3 20.6 23.6 слева 9.9 11.5 14 17 19. 9.6 11.5 13.9 16 18 ц.

10.1 11.5 13.7 16 18.1 ц.

10.4 11.4 13.5 15.9 17.9 слева среднее 10.56 12.08 14.48 17.1 19. СКО 1.29 1.35 1.59 2.01 2. Таблица 55. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =24.19 мм Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 14.3 15.8 18.3 21 22.5 слева 14.2 15.8 17.9 20.1 9.4 10.1 11.8 13.2 14.9 справа 7.3 8.2 9.6 11.8 13.6 справа 10.8 12.6 13.4 15.2 17.3 справа 8.4 9.4 10.6 11.9 13 справа среднее 10.73 11.98 13.6 15.53 17. СКО 2.96 3.29 3.71 4.08 4. Рис. 43. Время полуоткрытия зонда vs. положение зонда при Imax = 8 кА при темпе роста ПВН = –1 кВ/мкс. Позиции зондов показаны окружностями.

Экран под плавающим потенциалом.

Приложение МХ Условия эксперимента:

Амплитуда тока дуги 8 кА;

Темп падения тока вблизи НТ –1.85 А/мкс;

и Темп роста ПВН 1 В/мкс при длительности линейной части роста 15 мкс.

Экран находился под потенциалом ПВН;

Таблица 56. Положение зондов.

Номер зонда 1 2 3 4 y, мм -3.87 0.57 5.62 10.77 15. Таблица 57. Время полуоткрытия зонда (мкс). x =3.19 мм Время, мкс Анодное пятно Зонд N1 N2 N3 N4 N 2.6 4.3 7.5 10.9 11.5 ц.

1.4 3.2 6.2 9.3 10 справа 2 2.8 5.5 8.6 ц.



Pages:   || 2 |
 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.