СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО КУМУЛЯТИВНОГО КАНАЛА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА И ФИКСАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ РАЗРЯДНОГО КАНАЛА НА КАТОДЕ
METHOD AND DEVICE FOR PREVENTING FORMATION OF THERMAL CUMULATIVE CHANNEL ON METALLIC SURFACE OF CATHODE AND FIXING POSITION OF DISCHARGE CHANNEL AT CATHODE

Область техники
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. Изобретение может найти применение в технике и научных исследованиях, в новых технологиях микроэлектроники, в сварочном производстве при организации точечной сварки.
Уровень техники
Известен способ получения канала, образованного тепловой кумулятивной струей, плавящей металл, на металлической поверхности катода в несамостоятельном дуговом разряде при взрыве металлической проволочки между электродами [Патент RU 2537383, опубликован 10.01.2015. Бюл. №1]. В соответствии с изобретением, при подаче напряжения на разрядный промежуток из точки касания проволочки и катодной поверхности при наличии объемного пространственного заряда на катоде образуется канал расплавленного металла, созданный тепловой кумулятивной струей электронов, исходящий из точки касания. При этом вдоль этого канала на катоде перемещается торец разрядного канала.
Однако данный способ не позволяет предотвращать появление тепловых кумулятивных каналов расплавленного металла на металлической поверхности катода при наличии объемного пространственного заряда, а также и фиксировать положение разрядного канала.
Известен также способ торцевой сварки тонких металлических пластин по патенту РФ №2453408, в соответствии с которым после подачи напряжения осуществляют касание проволочкой вертикального торца свариваемых пластин, обеспечивающее возникновение несамостоятельного газового разряда в парах металла проволочки, заполняющих разрядный промежуток, с получением вертикального сварного шва на торце пластин, при этом величину разрядного тока регулируют путем изменения балластного сопротивления в разрядной цепи. Таким образом добиваются получения однородного сварного шва при вертикальном расположении торца свариваемых прижатых друг к другу металлических пластин-электродов в несамостоятельном газовом разряде при испарении проволочки между электродами, замыкающей электроды между собой. Сходный способ сварки описан также в публикации «Сварка тонких металлических пластин при взрыве проволочки», Электричество; 2011, №7, с. 61-63, Кузьмин Р.Н., Мискинова Н.А., Швилкин Б.Н.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ локального нагрева участка поверхности катода, раскрытый в патенте РФ №2483500. 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. Таким образом осуществляют точечный сварочный контакт.
Однако, известный способ обеспечивает только локальный разогрев точки на катоде (или аноде) при небольших, до 50 А токах, не обеспечивая возможности формирования объемного пространственного заряда, проплавления металла катода при больших токах.
Таким образом, из уровня техники неизвестен способ предотвращения образования теплового кумулятивного канала на металлической поверхности катода и фиксации положения разрядного канала на катоде при больших разрядных токах, приводящих к формированию объемного пространственного заряда.
Технической проблемой, решаемой посредством заявляемого изобретения является необходимость устранения и преодоления недостатков аналогов и прототипа, что приводит к созданию заявляемого способа, а также устройства для его реализации.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности формирования объемного пространственного заряда при несамостоятельном дуговом разряде и предотвращения формирования тепловой кумулятивной струи на поверхности катода при больших разрядных токах.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается тем, что при реализации способа предотвращения образования теплового кумулятивного канала на металлической поверхности катода и фиксации положения разрядного канала на катоде, в несамостоятельном дуговом разряде при взрыве размещенной между электродами проволочки, согласно техническому решению, электроды - катод, выполненный в виде пластины, и анод размещают на фиксированном расстоянии друг от друга, на поверхности катода размещают диэлектрическую пластину с круглым отверстием диаметром не более 1 см, при этом обеспечивают касание проволочки, размещенной между электродами с поверхностью катода через отверстие в центре диэлектрической пластины, подают на электроды напряжение, обеспечивающее возникновение лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки, при этом разрядный ток меняют от 50 до 100 А за счет использования переменного сопротивления, в результате чего получают объемный пространственный заряд, сформированный излишками электронов на поверхности катода в зоне отверстия диэлектрической пластины, и фиксируют положение разрядного канала на поверхности катода в зоне, ограниченной диаметром отверстия в диэлектрической пластине. Задача также решается при помощи устройства, посредством которого реализуют заявляемый способ, при этом устройство, согласно техническому решению, включает расположенные на фиксированном расстоянии катодную пластину и анод в качестве электродов, подключенные к источнику тока, диэлектрическую пластину с круглым отверстием, размещенную на катодной пластине, металлическую проволочку, размещенную между электродами с возможностью касания катода через отверстие в центре диэлектрической пластины и взрыва при несамостоятельном дуговом разряде. За счет использования диэлектрической пластины, выполненной в виде кольца, обеспечивают возможность аккумуляции в отверстии пластины на поверхности катода избыточного отрицательного заряда [см., например, А. Энгель. Ионизованные газы. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959], что препятствует образованию теплового кумулятивного канала, при этом достигается и фиксация положения разрядного канала на поверхности катода внутри отверстия диэлектрической пластины.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлена принципиальная схема реализации заявляемого способа,
на фиг. 2 представлено фото катодной пластины с разрядным каналом, сформированным через отверстие в диэлектрической пластине.
Позициями на чертежах и изображениях обозначены:
1 - катодная пластина,
2 - анод,
3 - испаряемая проволочка,
4 - диэлектрическая пластина с отверстием,
5 - блок подачи напряжения на электроды,
6 - переменное сопротивление,
7 - след от теплового кумулятивного канала, полученный без использования диэлектрической пластины,
8 - след от разрядного канала, образованный на катодной пластине через отверстие.
Физические процессы, лежащие в основе заявляемого способа, заключаются в следующем. При взрыве проволочки вокруг точки касания проволочки и катодной поверхности при достаточно большом разрядном токе образуется избыточный объемный пространственный заряд электронов и вытекающий из него тепловой кумулятивный поток электронов, вдоль которого перемещается разрядный канал. При размещении на поверхности катода вокруг точки касания проволочки и поверхности непроводящего электрический ток диэлектрической пластины с отверстием, выполненной в виде круглого кольца, происходит зарядка внутренней поверхности кольца оседающими на нем электронами. В результате возникает тормозящее движение электронов в потоке электрическое поле и кумулятивный тепловой поток, образующий канал на катоде, не возникает, при этом также происходит фиксация торца разрядного канала на катоде внутри кольца.
Осуществление изобретения
Заявляемый способ с использованием заявляемого устройства осуществляют следующим образом.
Процесс возникновения кумулятивной струи не является предметом настоящего изобретения, тем не менее, для лучшего понимания сущности заявляемого технического решения ниже приведены подробности получения кумулятивной струи в общем случае. Между анодом и катодом при фиксированном расстоянии между ними размещают тонкую металлическую проволочку из различных металлов (например: Cu, W, Ni), которая находится в контакте с упомянутыми электродами. При этом один из концов проволочки может быть размещен, например, в специально выполненном для него отверстии внутри катодной пластины. Подают напряжение на электроды. Возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку. В результате происходит пробой разрядного промежутка в парах металла, из точки касания проволочки и катодной поверхности на катоде возникает тепловая кумулятивная струя расплавленного металла, в результате чего образуется канал. При этом расстояние между электродами выбирают таким, при котором разряд без проволоки не возникает. Между электродами создают условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. При наложении на катодную пластину непроводящей электрический ток диэлектрической пластины с круглым отверстием при контакте проволочки в центре его с катодной пластиной канал не образуется. Одновременно, внутри отверстия, на катодной пластине, фиксируется торец разрядного канала.
Напряжение для создания разряда между электродами подают от выпрямительного агрегата «Дельфин» 5 с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме менялся в области 50-100 Ас помощью переменного сопротивления 6. Длительность разряда порядка 0,1 секунды. В качестве катода могут использоваться металлы: Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие. Использовались проволочки разных металлов и сплавов (Cu, Ni, Fe, нихром, ковар и другие). Диаметр проволочек менялся в интервале 0,02-0,1 мм, их длина определялась расстоянием между электродами. Диэлектрические пластины могут быть выполнены, например, в виде кольца с внутренним круглым отверстием диаметром от 4 до 10 мм, из текстолита, винипласта, кварца, стекла, из полимеров высокой плотности HDPE. Высота пластины составляет от 0,1 до 5 мм, толщина кольца менялась от 0,2 до 5 мм, хотя этот параметр не влияет на исследуемый процесс.
При малых разрядных токах <50 А, когда объемный пространственный заряд в месте контакта взрывающейся проволочки и катода не образуется, не возникает и тепловой кумулятивный канал. Разряд инициируется термоэлектронами из точки касания конца проволочки-анода и катода, которые устремляются к аноду. Положительные ионы, возникающие в разрядном промежутке, бомбардируют поверхность катода. При помещении на поверхности катода вокруг точки касания проволоки-анода и катода диэлектрической пластины с отверстием произвольной формы, его внутренняя поверхность заряжается поступающими из объема разрядного промежутка электронами, что создает «ловушку» для положительных ионов, бомбардирующих катод внутри кольца и концентрирует энергию плазмы там. При малых токах никаких кумулятивных каналов, плавящих металл, на катоде не возникает.
При больших токах >50 А у места касания конца проволочки-анода и катода возникает избыточный пространственный заряд электронов, так как на анод теперь уходят далеко не все электроны. Часть их движется по поверхности катода под действием разности потенциалов. В результате образуются тепловые потоки электронов, в которые устремляются положительные ионы из плазмы. В результате возникают тепловые кумулятивные каналы, плавящие металл, на металлическом катоде. Изобретение призвано обеспечить устранение или недопущение появления этих кумулятивных каналов. В результате экспериментов установлено, что непроводящая электрический ток полимерная или диэлектрическая пластина с непременно круглым отверстием способствует решению данной задачи. При некруглой форме отверстия внутри него возникает анизотропия электрического поля, приводящая не к устранению теплового кумулятивного канала, плавящего металл, а к искривлению траектории канала внутри отверстия.
Пример конкретного выполнения
При осуществлении несамостоятельного дугового разряда с расстоянием между катодом и анодом 20 мм использовалась железная проволочка диаметром 0,04 мм.
Катодом служила пластинка из тантала длиной 40 миллиметров и шириной 10 мм. Внутренний диаметр текстолитового кольца 7 мм, его высота 2 мм, ширина 3 мм Максимальный ток в импульсе 75 А.
Таким образом, в предложенном способе впервые решена проблема ликвидации каналов, создаваемых тепловой кумулятивной струей, плавящей металл, исходящих из точки контакта катода и проволочки-анода, и фиксации разрядного канала на катоде в несамостоятельном дуговом разряде при взрыве проволочки путем размещения на катоде непроводящего электрический ток кольца, окружающего точку контакта катода и проволочки.
Способ прост в осуществлении и эффективен. Он может быть использован в сварочном производстве или при создании молниеотводов.