СПОСОБ НАГРЕВА ЭЛЕКТРОДОВ И СОЗДАНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА С ПОДЖИГОМ ОТ ТОНКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОЧКИ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
METHOD FOR HEATING OF ELECTRODES AND CREATION OF SELF-SUSTAINED ARC DISCHARGE WITH IGNITION FROM THIN METAL WIRE IN MAGNETIC FIELD FREE SPACE

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах, между анодом и катодом в которых при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между катодом и анодом, контактируя с ними. Расстояние между электродами выбирается таким, при котором разряд без проволоки не возникает. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка. При этом разрядный канал помещают в перпендикулярное к нему магнитное поле, уменьшающее уход заряженных частиц из разрядного промежутка, что служит дополнительным источником тепла для испарения электродов.
Технический результат изобретения - разработка способа нагрева электродов и зажигания самостоятельного дугового разряда с поджигом от тонкой металлической проволочки в магнитном поле.
Известен способ нагрева электродов и создания дугового разряда при подаче напряжения между электродами за счет взрыва тонкой проволочки, расположенной между ними [1].
Этот способ не позволяет зажигать самостоятельный дуговой разряд, поскольку он прекращается, как только пары проволочки уходят из разрядного промежутка в окружающее разрядный промежуток пространство.
Известен способ нагрева электродов и зажигания самостоятельного дугового разряда в разрядном промежутке при помещении электродов в камере с отверстиями для подсоса и обеспечения протока воздуха через разрядный промежуток [2].
Этот способ не позволяет нагревать катод и зажигать самостоятельный дуговой разряд в разрядном промежутке в открытом свободном пространстве, не ограниченном стенками камеры.
Известен также «Способ управления зажиганием приборов дугового разряда с жидким катодом» при действии на разряд с радиальным электрическим полем переменным магнитным полем, выталкивающим плазму из разрядного промежутка [3].
Этот способ не позволяет нагревать катод и зажигать самостоятельный дуговой разряд.
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа нагрева электродов и создания самостоятельного дугового разряда в свободном пространстве при плавлении и испарении проволочки, помещенной между электродами, внутри разрядного промежутка при размещении канала разрядного промежутка в перпендикулярное к нему магнитное поле, уменьшающее уход положительных ионов из разрядного промежутка, что служит дополнительным
источником тепла для испарения электродов с целью непрерывного поступления паров металла в разрядный промежуток.
Поставленная задача достигается тем, что между анодом и катодом в свободном пространстве при фиксированном расстоянии между ними плавится и испаряется тонкая металлическая проволочка. При этом происходит разогрев электродов и зажигается самостоятельный дуговой разряд в случае, когда поперек разрядного канала прикладывается магнитное поле, что приводит к уменьшению потерь заряженных частиц и к появлению избыточного тепла, приводящего к непрерывному поступлению в разрядный промежуток паров металла из электродов за счет бомбардировки их частицами и световыми квантами.
Данный способ впервые дает возможность нагреть электроды и зажечь самостоятельный дуговой разряд в свободном пространстве в разрядном промежутке с расстоянием между электродами, при котором без магнитного поля он самопроизвольно не зажигается.
Сущность способа заключается в следующем. Тонкая металлическая проволочка помещается между электродами, контактируя с ними. При этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором дуга в свободном пространстве самопроизвольно не образуется. На электроды подается напряжение от источника питания. Возникающий электрический ток плавит и испаряет тонкую проволочку. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка в парах металла проволочки. Однако при этом возникает несамостоятельный разряд. Пары металла проволочки быстро уходят из разрядного промежутка и разряд гаснет.
В том случае, если поперек разрядного канала прикладывается магнитное поле, уменьшающее уход заряженных частиц из разрядного промежутка под действием силы Ампера, появляются избыточные заряды, бомбардирующие электроды, что обеспечивает их дополнительный разогрев. При этом между электродами возникает самостоятельный дуговой разряд, причем пары металла для поддержания разряда непрерывно поступают из самих раскаленных электродов [4]. Таким образом, происходит дополнительный нагрев электродов, обеспечивающий непрерывное поступление паров металла в разрядный промежуток, и между электродами возникает самостоятельный дуговой разряд.
Схема осуществления способа показана на чертеже (см. рис. 1). Проволочка 1 натянута между катодом 2 и анодом 3 и контактирует с ними. Направление магнитного поля, перпендикулярное проволочке, указано стрелкой 4, направленной на север. Для подачи напряжения на электроды использовался выпрямительный агрегат «Дельфин» 5 с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме менялся в области 10-50 А с помощью переменного сопротивления. Длительность разряда около 0,1 секунды. Использовались электроды различной формы из железа, меди, латуни, тантала, титана, нержавеющей стали, графита. Брались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe и другие). Диаметр проволочек менялся в интервале 0,04-0,1 мм, а их длина от 10 до 30 мм.
При подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой, натянутой между электродами, происходит нагрев электродов и возникает самостоятельный дуговой разряд в атмосфере в том случае, если разрядный канал помещают в перпендикулярное к каналу магнитное поле, уменьшающее уход заряженных частиц из разрядного промежутка. Это создает дополнительный источник тепла, необходимый для испарения электродов и непрерывного поступления паров металла в разрядный промежуток.
Поперечное к разрядному каналу магнитное поле создавалось полосовым магнитом. Величина магнитного поля составляла несколько Эрстед (в опытах не превышала 5 Э).
В отсутствие проволочки между электродами разряд не возникает из-за высокого напряжения пробоя. При атмосферном давлении в воздухе при расстоянии между электродами 0,01 м пробой происходит при напряжении 31000 В [5]. В присутствии
проволочки, но в отсутствие перпендикулярного к разрядному каналу магнитного поля между электродами возникает импульсный кратковременный несамостоятельный разряд [1].
Таким образом, в предложенном способе впервые решена проблема нагрева электродов и создания самостоятельного дугового разряда в свободном пространстве при плавлении и испарении проволочки в разрядном промежутке в том случае, если разрядный канал помещают в перпендикулярное к нему магнитное поле, уменьшающее уход заряженных частиц из разрядного промежутка, что приводит к появлению дополнительного тепла, необходимого для испарения электродов и непрерывного поступления паров металла в разрядный промежуток.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Его можно применять в научных исследованиях и технике, например при сварке.
Источники информации
1. Р.Н. Кузьмин, Н.А. Мискинова, Б.Н. Швилкин. Патент на изобретение №2388192. 2008.
2. Н.А. Мискинова, Б.Н. Швилкин. Патент на изобретение №2368472. 2009.
3. В.Б. Беляев, И.М. Цинман. SU. Патент на изобретение №426261. 1974.
4. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М.: «Наука». 1987, с. 426, 433.
5. Радиофизическая электроника, редактор Н.А. Капцов. Издательство МГУ, 1960, с. 497.