СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ КАНАЛОВ НА КАТОДЕ В НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ
METHOD OF CHANNELS CREATION IN ELECTRODE IN DEPENDENT ARC DISCHARGE

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 один конец проволочки располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Технический результат изобретения - разработка способа образования каналов на поверхности катода в несамостоятельном дуговом разряде.
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 образовывать каналы на поверхности катода.
Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, заключается в разработке способа для создания на поверхности катода каналов в несамостоятельном дуговом разряде при испарении проволочки внутри разрядного промежутка. Суть ее заключается в следующем. Один из концов помещенной между электродами проволочки располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее. При подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними плавится и испаряется тонкая металлическая проволочка. При этом один конец проволочки располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Данный способ впервые дает возможность образовывать каналы на катодной поверхности в несамостоятельном дуговом разряде при испарении проволочки внутри разрядного промежутка, один из концов которой помещается в отверстии на поверхности катода.
Сущность способа заключается в следующем. Между металлическими электродами при фиксированном расстоянием 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 один конец проволочки располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее, а при подаче напряжения на электроды из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде образуется канал, исходящий из точки касания в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения.
Схема осуществления способа показана на чертеже (см. рис.1). Проволочка 1 натянута между катодом (2) и анодом (3) и контактирует с ними. При этом один конец проволочки контактирует с катодной поверхностью внутри отверстия (4) в катоде. Для подачи напряжения на электроды использовался выпрямительный агрегат «Дельфин» (5) с выпрямленным напряжением 220 B. Разрядный ток в максимуме менялся в области 10-50 А с помощью переменного сопротивления (6). Длительность разряда около 0,1 секунды. В качестве катода применялись различные металлы (Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие). Брались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe, нихром, ковар и другие). Диаметр проволочек менялась в интервале 0,04-0,1 мм, их длина менялась от 15 до 30 мм.
При подаче напряжения на разрядный промежуток с проволочкой, натянутой между электродами, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде под действием электронов катода и ионов из плазмы образуется канал (7). Фотография его на пластинке-катоде из трансформаторного железа представлена на рис.2. Канал (7) исходит из отверстия в катоде (4) в направлении от места соединения катода с отрицательным полюсом источника напряжения (8) в сторону более положительного потенциала.
Обратим внимание на ряд обстоятельств.
1. Канал на катоде, как и пробой газа, не возникает без проволочки, поскольку пробойное напряжение разрядного промежутка длиной 1 см в воздухе при атмосферном давлении составляет 31000 B [3].
2. При расположении проволочки на торце катодной пластины (см. рис.1 в [4] на стр.4) каналы не возникают.
3. Протяженность каналов 1-3 см.
4. При каждом последующем пробое разрядного промежутка канал удлиняется в течение 5-6 пробоев газа, после чего его длина перестает меняться. При этом канал имеет фиксированную на поверхности катода траекторию. Это обстоятельство дает основание предполагать, что проводимость металла на катоде внутри канала может быть больше, чем вне канала.
5. Канал можно образовать касанием поверхности катода одним из концов тонкой проволочки, при этом второй ее конец закреплен на подвижном аноде. Однако в этом случае каналы от пробоя к пробою различаются друг от друга из-за различающихся условий контакта проволочки с катодом.
Появление каналов в металле можно объяснить исходя из принципа наименьшего действия электродинамики [5] для электрического тока, протекающего через массу вещества, сопротивление которой удовлетворяет закону Ома, токи распределяются в этой массе так, чтобы скорость генерации в ней тепла была наименьшей. Отсюда можно считать, что канал - это траектория движения электронов в металле, вдоль которой потери энергии на нагрев минимальны, т.е. канал - это траектория с наибольшей электронной проводимостью. Именно поэтому электроны при каждом последующем пробое движутся по траектории, совпадающей с траекториями при предыдущих пробоях.
Таким образом, в предложенном способе впервые дано решение образования каналов на катоде в несамостоятельном газовом разряде с металлической проволочкой между электродами, один из концов которой располагается в отверстии внутри катодной поверхности и касается ее.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Его можно применять в технике и в научных исследованиях, например в новых технологиях микроэлектроники.
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.
3. Радиофизическая электроника, редактор Н.А. Капцов. Издательство МГУ, 1960, с.497.
4. Р.Н. Кузьмин, Н.А. Мискинова, Б.Н. Швилкин. Патент на изобретение №2368472. 2009.
5. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс. Фейнмановские лекции по физике. Т. 6. Электродинамика. Издательство «Мир». 1962, с.117.