Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 [ 104 ] 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239

ламп, но также для изучения инерционных свойств разрядов и для исследования разрядов в экстремальных условиях (см., например, гл. 5, 14 и18).

Модели катодных процессов в дуговых лампах высокого и сверхвысокого давления. В литературе имеется ряд попыток построения теории катодных процессов в дугах ВД и СВД с неис-паряющимися катодами, основанных на разных предположениях о механизмах переноса тока в прикатодной области. Отметим в этой связи работы Вайцеля, Ромпе и Шёна (1940 г.), а также Эккера (1952-1954 гг.) (изложение см. [0.9, 4.2]). Они исходили из идеи, высказанной И. Слепяном еще в 1926 г., о том, что перенос тока на катод осуществляется в основном положительными ионами, возникающими в высокотемпературном слое плазмы, лежащем на расстоянии одной или нескольких длин свободного пробега от поверхности катода. Этот же слой поставляет электроны в сторону столба, при этом эмиссия электронов из катода не является необходимой для поддержания разряда. Построенная ими на основании этой точки зрения теория приэлектродных частей термической дуги ВД и СВД с воль-фрамовыьги электродами позволила объяснить механизм стягивания разряда в КП. В дальнейшем Вайцель и Турэ усовершенствовали и дополнили ее, учтя термоэмиссию.

Поддержание высокой температуры в слое плазмы перед электродами, необходимое для обеспечения высокой электропроводности, согласно мнению авторов теории, возможно только в случае уменьшения потерь энергии, главным образом на катод. Это реализуется за счет сильного сжатия плазмы.

В термической дуге господствуют температуры от 4-10 до ЫО* К, в то время как температура вольфрамового катода не превышает 3,5-1о К. Следовательно, между столбом и поверхностью электрода имеется слой газа, в котором происходит падение температуры. Распределение температуры в слое будет определяться в основном теплопроводностью и выделяющейся мощностью. По мере уменьшения температуры в направлении катода будут падать мощность излучения и концентрация зарядов. Поэтому для поддержания постоянной силы тока по направлению к катоду должны возрастать напряженность поля и величина объемных зарядов, которые ее определяют.

Прикатодная часть разряда может быть разбита на три области.

Непосредственно к плазме столба примыкает область, которая, несмотря на падение температуры и сильное возрастание напряженности поля, все еще сохраняет свойства плазмы. Для нее можно пренебречь объемным зарядом. Ток в ней переносится в основном электронами. Эту область авторы называют об-ластьютеплопроводности.



При дальнейшем снижении температуры картина коренным образом меняется. Плотность электронов становится малой, а плотность положительных ионов сильно возрастает, ионный ток становится значительным. Качественно картина явлений в этой области носит следующий характер: эта область отдает в сторону плазмы электроны в виде электронного тока, а в сторону катода весь ток в виде ионного тока. Ее называют о б-ластью ионизации. Она, по-видимому, не резко отделена от области электропроводности. Большие напряженности поля приводят к тому, что здесь имеет место дополнительная ионизация. Уравнение баланса энергии остается справедливым и в этой области, но можно пренебречь излучением. Тогда получается, что падение напряжения в области ионизации должно быть порядка потенциала ионизации:

JAUJUt, т. е. AUwVi.

Непосредственно к катоду должна примыкать область пространственного заряда. Она ограничена с одной сторо-ныкатодом, а с другой стороны областью ионизации. В этой области ток к катоду переносится положительными ионами, возникающими в области ионизации. Если в первом приближении не учитывать эмиссию из катода, тогда для области пространственного заряда все члены, относящиеся к электронам, можно отбросить и получится следующая простая система уравнений. Задача решается в одномерном приближении:

E=-dUjdx; (9.14)

dEldx= (4пе 1е)пг, (9.15)

dJildx=0; (9.16)

JiembiE; (9.17)

Граничные условия на катоде: x=0; /е=0; Г=Гк; на границе области ионизации: х=-Хк, £«0; dT/dxQ. Уравнения (9.14) -(9.18) могут быть проинтегрированы, и может быть получена ВАХ этой области

И ее ширина

(9.20)

Оценки для ртутной дуги с вольфрамовыми электродами, имеющей ток 6 А, ЕПО В/см и Г»8000 К приводят к следу-•ощим значениям величин: при Г=4000-2000 К лгкЛб-Ю-з см



(50Ле), £k«2-10s В/см, AUxSO В. Характер закона подвижности очень мало сказывается на результате.

Основной вывод из (9.19) и (9.20) заключается в том, что AU уменьшается с ростом плотности тока /. Падающая ВАХ для этой области приводит к тому, что разряд около катода будет стягиваться, при этом область пространственного заряда сжимается [см. (9.20)] и происходит снижение At/.

Когда толщина слоя пространственного заряда достигает нескольких длин свободного пробега, уравнение теплопроводности перестает быть справедливым, так как ионы не успевают передавать энергию нейтральным атомам. При ХкК соударений нет и связь между плотностью тока и разностью потенциалов в слое между катодом и областью ионизации будет определяться «законом 3/2»:

(д [/) з/2=9л (тг/,2е) Xt,4i. (9.21)

Таким образом, стягивание разряда у катода достигает предела, когда толщина слоя пространственного заряда снизится до одной или нескольких длин свободного пробега, так как дальнейший рост / будет сопровождаться увеличением AU. Уравнение (9.21) позволяет рассчитать значение AU и /, полагая ххК. Так, например, при Xk«5-10- см расчет дает AU л? 13 В и /ж 17-10 А/см, т. е. получается величина AU, весьма близкая к действительному значению.

Учет эмиссии электронов из катода не меняет вывода о том, что без стягивания разряда нельзя объяснить низкое катодное падение потенциала.

При увеличении доли электронного тока приблизительно до 97-99% общего тока катодное пятно уже не является необходимым для поддержания разряда и исчезает, «расползаясь» по катоду. Плотность тока у катода падает. Область пространственного заряда увеличивается, и электроны могут передавать атомам свою энергию уже в этой области.

Рассмотрение показывает, что изменение плотности тока в области теплопроводности не сказывается на изменении напряжения. Поэтому область теплопроводности не вызывает стягивания, но и не препятствует ему. Следовательно, стягивание, начинаясь в зоне пространственного заряда, простирается и в область теплопроводности, где постепенно под действием радиальных сил сечение разряда приближается к сечению разряда в положительном столбе.

Стягивание разряда в области теплопроводности вызывает повышение температуры плазмы по сравнению с таковой в области столба. Поэтому перед катодом образуется небольшая область со значительно более высокой яркостью, чем в столбе.

А. Бауэр (1954 г.) в противоположность рассмотренным выше работам исходил из предположения, что именно электронная



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 [ 104 ] 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239