ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПАРА В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 1

Устинова А.В.

студент,

Российский университет транспорта (Россия, г. Москва)

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПАРА В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ

Аннотация: в статье рассматривается и анализируется о плотности пара в вакуумной дуге.

Ключевые слова: вакуумный, дуга, плотность.

Плотность пара в вакуумной дуге, возникающей между контактами из железа в вакуумном выключателе при размыкании постоянного тока 10-50 а и восстанавливающемся напряжении 110 в, измерялась по ослаблению электронного пучка с энергией 4-10 кэв. При токе 25-35 а, температуре обезгаживания контактов 800-900 °С и давлении окружающей среды 10-6 мм рт. ст. средняя плотность пара и выделившегося газа р составляет 0.95 - 1.2 • 10-6 г/см3. Увеличение количества газа, адсорбированного на поверхности контактов, приводит к значительному увеличению р; при токе 30 а р может достигать 1.7 • 10-5 г/см3.

Как известно, при размыкании тока контактами, помещенными в вакуум, в парах материала контактов возникает дуга, которая при определенных условиях гаснет через некоторый промежуток времени. Это явление используется в вакуумных выключателях.

Современные вакуумные выключатели с успехом отключают постоянные токи в несколько десятков и переменные в несколько сотен и даже тысяч ампер. Очевидно, что процесс образования и обрыва дуги существенно зависит от абсолютной величины плотности пара, изменения ее во времени и распределения

в междуэлектродном промежутке. Однако, за исключением ориентировочных данных о плотности пара в вакуумном разряде, полученных А. Г. Зимелевым в импульсных рентгеновских трубках с холодным катодом, в известной нам литературе не имеется сведений по этому вопросу. Вместе с тем наличие данных о плотности пара в вакуумной дуге было бы очень полезным при разработке вакуумных выключателей.

1. Методика

В настоящей работе измерение плотности пара в вакуумной дуге производилось по ослаблению тока в электронном пучке, пронизывающем облако пара. Этот метод весьма чувствителен и сравнительно прост. Если электроны не претерпевают на своем пути многократных соударений с атомами среды и апертура приемника мала, можно считать, что подавляющая часть электронов, испытавших соударение и отклонившихся от первоначального направления, в приемник не попадает. В этом случае ток электронов I, попадающих в приемник после прохождения пути I в среде с плотностьюр, равен

л

/ = (1)

где 10 - ток пучка электронов при 1=0; а - массовый коэффициент ослабления в см2/г, убывающий с ростом энергии электронов. Зная 1,10, а и I, можно вычислить и среднюю плотность пара на пути электронного пучка.

Недостатком этого метода является чувствительность электронного пучка к электрическим и особенно к магнитным полям. Измерения в вакуумной дуге осложняются еще и тем, что канал тока не сохраняет постоянного положения, а все время перемещается вместе с катодным пятном. Это наложило определенный отпечаток на методику измерений.

Рис. 1

а - экспериментальная трубка. 3 - плоскость контакта электродов; 4 -коллектор; 5 - направляющая, обеспечивающая соосность электронной пушки и электродов; 7, 8, 10, - кварцевые изоляторы; 9 - вывод коллектора; 11, 12 -стеклянная трубка и коваровый переход, через которые впаян вывод коллектора; 14 - клемма подвода тока к неподвижному электроду. б - замыкатель 16 введен между контактами 15; 17 - соединительный железный стержень; 18 - железный якорь, в - никелевая рамка 21 с сеткой и пленкой А1 19 и с сеткой без пленки 20 Конструкция экспериментальной трубки приведена на рис. 1. Электронный пучок формировался в электронной пушке 1 с электростатической фокусировкой и прямонакальным вольфрамовым У-образным катодом, проходил внутри полых электродов 2, 6 (внутренний диаметр 4, наружный 8 мм) и улавливался коллектором 4, выполненным в виде камеры Фарадея с отверстием диаметром в 4 мм. Поверхность неподвижного электрода в месте контакта была сферической, подвижного - плоской. Вследствие этого последний контактный мостик при размыкании всегда находился на периметре отверстия в электродах. Это ограничивало расстояние от оси электронного пучка до источника пара (по крайней мере, в начальный момент образования дуги) в

пределах диаметра отверстия от 0.5 до 3.5 мм (диаметр электронного луча составлял около 1 мм).

2. Результаты измерений

Измерения проводились при непрерывной откачке. С помощью двух насосов ЦВЛ-100 осуществлялась дифференциальная откачка камер электронной пушки и электродов. Трубки обезгаживались в электрической печи при температуре 450° С, контакты в сомкнутом состоянии прогревались при температуре 800-900° С путем пропускания через них переменного тока 300 а до тех пор, пока при этой температуре давление в вакуумной системе не достигало 5-7^10-6 мм рт. ст., далее производилось размыкание постоянного тока 25-50 а около 50 раз. При самих измерениях давление в вакуумной системе было 5^ 10-7-2^10-6 мм рт. ст. Измерения проводились в двух трубках. В первой трубке пары масла не вымораживались и в промежутках между опытами давление в трубке достигало 5-8^10-4 мм рт. ст. Эти промежутки иногда лились несколько дней. Во второй трубке пары масла вымораживались жидким азотом, который сохранялся в ловушке и в промежутках между опытами. В течение всего времени работы с этой трубкой давление в ней не превышало 0.5-Ы0-5 мм рт. ст. Это существенно сказалось на результатах измерений.

В первой трубке измерения были произведены при постоянных токах 930 а, а во второй 23-50 а. Во всех случаях восстанавливающееся напряжение составляло 110 в, подвижный электрод перемещался на расстояние 1-1.5 мм, катодом был электрод, в котором помещался коллектор электронов. При токах 9-35 а энергия электронов в пучке задавалась равной 4-10 кзв, при 50 а - 10 кзв, при меньших энергиях электронный пучок отклонялся на электроды магнитным полем размыкаемого тока.

3. Вывод

1. Зондируя вакуумную дугу электронным пучком, можно получить данные о плотности (р) среды в межолектродном промежутке.

2. Количество газа, адсорбированного в контактах, сильно влияет на pdl

3. При токе 25-35 а в дуге между железными электродами, обезгажеными при температуре 800-900° С и находящимися в вакууме 10-6 мм рт. ст., средняя плотность пара и выделившегося газа составляет (0.95-1.20): 10-6 г/ см3 [соответственно р0=(2.8+3.7) •Ю-1 мм рт.ст.] и увеличивается до (1.7-

17.0)^10-6 г/см2 [p.=(5.1^52.0)-10-1 мм рт. ст.), контакты в течение нескольких суток находились при давлении 10-4 мм. рт. ст.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Г. А. Месяц, А. М. Мурзакаев, Д. И. Проскуровский, В. Ф. Пучкарев Измерение плотности тока в катодном пятне вакуумной дуги с острийным катодом

2. Барыбин Ю.Г. Справочник по проектированию электроснабжения / М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Федоров А.А. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: 2 т. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Ustinova A.V.

student,

Russian University of Transport (Moscow, Russia)

MEASUREMENT OF VAPOR DENSITY IN VACUUM ARC

Abstract: the article discusses and analyzes the vapor density in a vacuum arc. Keywords: vacuum, arc, density.