СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО НАГРЕВА УЧАСТКА ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА
METHOD FOR LOCAL HEATING OF CATHODE SURFACE SECTION

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 электродами, контактируя с ними. Расстояние между электродами выбирается таким, при котором разряд без проволоки не возникает. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом участок вокруг контакта проволочки и поверхности катода окружается диэлектриком, а при подаче напряжения на разрядный промежуток на участке поверхности катода, ограниченном диэлектриком, концентрируется энергия, локально разогревающая этот участок поверхности катода.
Технический результат изобретения - разработка способа локального нагрева участка поверхности катода в несамостоятельном дуговом разряде при испарении проволочки в разрядном промежутке.
Известен способ зажигания дугового разряда при подаче на него напряжения за счет начального плотного соприкосновения перемещающихся друг относительно друга электродов с последующим их раздвижением [1].
Этот способ не позволяет зажигать несамостоятельный дуговой разряд.
Известен способ зажигания несамостоятельного дугового разряда в разрядном промежутке с металлической проволочкой между электродами [2].
Этот способ не позволяет локально нагревать участки поверхности катода.
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа локального нагрева участка поверхности катода в несамостоятельном дуговом разряде при испарении проволочки внутри разрядного промежутка. Суть ее заключается в следующем. Участок вокруг контакта проволочки и поверхности катода окружается диэлектриком, а при подаче напряжения на разрядный промежуток на участке поверхности катода, ограниченном диэлектриком, концентрируется энергия, локально разогревающая этот участок поверхности катода.
Поставленная задача достигается тем, что между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними плавится и испаряется тонкая металлическая проволочка. При этом участок вокруг контакта проволочки и поверхности катода окружается диэлектриком, а при подаче напряжения на разрядный промежуток на участке поверхности катода, ограниченном диэлектриком, концентрируется энергия, локально разогревающая этот участок поверхности катода.
Данный способ впервые дает возможность концентрировать энергию для локального нагрева участка поверхности катода в несамостоятельном дуговом разряде при испарении проволочки внутри разрядного промежутка.
Сущность способа заключается в следующем. Между металлическими электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, при этом расстояние между электродами выбирается таким, при котором газовый разряд без проволочки не зажигается, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При этом участок вокруг контакта проволочки и поверхности катода окружается диэлектриком, а при подаче напряжения на разрядный промежуток на участке поверхности катода, окруженном диэлектриком, концентрируется энергия, локально разогревающая этот участок поверхности катода.
Схема осуществления способа показана на чертеже (см. рис.1). Проволочка 1, соединенная держателем 2 с токонесущим проводом 3 с положительным полюсом источника напряжения 4, приводится в контакт с катодом 5 внутри диэлектрического кольца 6. При этом при подаче напряжения между электродами возникает несамостоятельный дуговой разряд в атмосфере. Проволочка 1 плавится и испаряется. Напряжение на электроды подается от выпрямительного агрегата «Дельфин» с выпрямленным напряжением 220 В. Ток в максимуме с помощью сопротивления 7 менялся в пределах 10-50 А. Длительность разряда около 0,1 секунды. В качестве катода применялись различные металлы (Cu, Ni, Fe, Ti, Mo, Ta, латунь, нержавеющая сталь и другие). Брались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe, нихром, ковар и другие). Диаметр проволочек менялся в интервале 0,04-0,1 мм, их длина менялась от 15 до 30 мм.
Заметим, что в отсутствие диэлектрика при подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой из точки касания проволочки катодной поверхности энергия рассеивается по поверхности катода. При наличии диэлектрика, окружающего точку контакта проволочки с катодом, энергия концентрируется на катоде внутри прорези диэлектрика, в результате чего происходит локальное нагревание и плавление металла катода. По-видимому, ограничение участка катода, на котором катод контактирует с проволочкой, диэлектриком из-за зарядки последнего «запирает» электроны внутри диэлектрика. Сюда устремляются ионы из плазмы. Происходит сильный нагрев участка катода, сопровождаемый химическими реакциями и выделением дополнительного тепла. При наложении на катодную пластину диэлектрической пластины с круглым или щелеобразным отверстием на катоде можно получить прорези, повторяющие по форме прорези в диэлектрической пластине. На рис.2a показаны прорези, полученные на пластинке-катоде из трансформаторного железа. При использовании в качестве катода двух плотно прижатых друг к другу металлических или биметаллических пластин происходит их сваривание (см. рис 2б). Заметим также, что проволочка может жестко закрепляться между электродами.
Отметим также, что описанные нами эффекты обнаруживаются и на аноде вокруг места контакта анода с проволочкой внутри области, ограниченной диэлектриком. Однако в последнем случае эффекты оказываются несколько слабее.
Таким образом, в предложенном способе впервые дано решение локального нагрева участка поверхности катода внутри ограниченной диэлектриком области в несамостоятельном газовом разряде при испарении проволочки между электродами.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Его можно применять в технике и в научных исследованиях, например, в технологиях микроэлектроники, сварочном производстве.
Источники информации
1. Теория сварочных процессов /Редактор В.В.Фролов. М.: «Высшая школа», 1988.
2. Р.Н.Кузьмин, Н.А.Мискинова, Б.Н.Швилкин. Патент на изобретение №2388192. 2010.