ЛАБОРАТОРИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Физика электрического разряда в вакууме

Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и дуга. Вакуумным пробой является одним из способов возбуждения электрического разряда. Он возникает в результате приложения к электродам высокого напряжения. При возникновении пробоя, за счет взрыва микроучастков катода в межэлектродном промежутке возникает плазма, и разряд переходит в искровую сразу, которая существует до тех пор, пока плазма катодного факела не достигнет анода. При перемыкании электродов плазмой возникает вакуумная дуга, которая является наиболее загадочной фазой разряда.

Основным результатом предыдущих работ стало открытие и детальное исследование академиком Г.А. Месяцем явления взрывной электронной эмиссии (Г.А. Месяц, Гос. реестр № 176, 1966). Эти работы заставили в корне пересмотреть ряд представлений о механизме вакуумного пробоя, искрового и дугового разрядов в вакууме. Результаты этих исследовании опубликованы в нескольких монографиях, отмечены отечественными и международными премиями им У. Дайка (Г.А. Месяц, 1990) и Э. Маркса (Г.А. Месяц, 1991).

Справа - заведующий лабораторией, академик РАН Месяц Г.А. и его книги. Слева - Фоторазвертка изображения и интегральная интенсивность свечения катодного пятна при токе дуги 3 А на медном катоде. След вакуумной дуги в магнитном поле при токе 10 А, иллюстрирующий структуру катодного пятна.

В наиболее завершенной форме современные представления о функционировании вакуумного разряда сформулированы в эктонной модели (ГА Месяц, 1995). В рамках этой модели удалось обосновать физическую природу отдельной ячейки или фрагмента катодного пятна вакуумной дуги. Было показано, что генерация катодной плазмы в разрядный промежуток обусловлена быстропротекающими микровзрывами участка катода под действием джоулева разогрева, сопровождаемыми эмиссией электронов в виде отдельных порций или лавин, названных эктонами. В ней впервые описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой, искра и дуга) даны с единых физических позиций. Показано, как эти стадии совершенно естественным образом переходят одна в другую, завершаясь вакуумной дугой.

Математическое моделирование электрического разряда в вакууме

Проблема корректного описания физических явлений в вакуумном разряде лежит на стыке физики плазмы, физики твердого тепа и эмиссионной электроники. Она представляет не только научный интерес, но и имеет важное практическое значение, обусловленное широкий технологическим использованием всех видов этого разряда. Многообразие физических явлении, определяющих функционирование вакуумного разряда, наличие фазовых переходов, неидеальной плазмы приводит к необходимости использования численного моделирования, которое позволяет получить важные представления о физических механизмах и параметрах как элементарных процессов, которые зачастую с трудом поддаются экспериментальной диагностике, так и описание характеристик разряда в цепом.

Разработана магнитогидродинамическая модель функционирования взрывоэмиссионного центра на катоде, описывающая рост кратера и распространяющийся плазменный факел. Для описания динамики вещества используется широкодиапазонное уравнение состояния, система уравнений нестационарной двумерной двухтемпературной магнитогазодинамики и ионизационной кинетики. Численное моделирование показало, что в начальной стадии функционирования взрывоэмиссионного центра реализуются условия, при которых электронный ток из катода в плазму протекает по непрерывному переходу металл-плазма, проводимость которого носит омический характер. Проведенные расчеты позволили исследовать динамику формирования кратера, определить параметры плазмы и их эволюцию в течение электронной стадии эктонното цикла.

В целях исследования рециклинга эктонных процессов предложена и развита двумерная нестационарная модель инициирования новых вэрывоэмиссионных центров при взаимодействии плотной плазмы катодного пятна вакуумной дуги с микровыступами поверхности катода. Установлено, что процесс поглощения энергии микровыступом обеспечивает необходимую мощность потока тепла для развития процесса разогрева микровыступа и его последующего электрического взрыва.

Теоретические исследования процессов в вакуумной дуге с высокой плотностью тока позволили развить физическую и математическую модель плазменной струи во внешнем аксиальном магнитном поле. На основе этой модели исследован комплекс физических процессов, ответственных за формирование плазменной струи сильноточной вакуумной дуги. Показано, что среднее зарядовое число ионов увеличивается с увеличением длины струи, тока дуги и напряженности внешнего магнитного поля, что хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Аналогичная магнитогидродинамическая модель была применена для описания процессов возникающих при обрыве тока в вакуумных прерывателях с продольным магнитным полем. В модели учитывается изменение внешнего магнитного поля азимутальным током дуги, испарение анода и ионизация испаренного вещества. Показано, что при токах дуги выше некоторого критического тока возможно лишь дозвуковое течение катодной плазмы в межэлектродном промежутке, этот факт позволил непротиворечиво объяснить многие экспериментальные результаты. Модель позволяет рассчитывать практически весь цикл работы прерывателя.