High-speed videospectroscopy of a high-current vacuum-arc discharge with copper-chromium electrodes.pdf Введение Контрагирование сильноточного вакуумно-дугового разряда сопровождается генерированием анодного пятна, являющегося интенсивным источником паров и плазмы, что существенно ограничивает отключающую способность вакуумных сетевых выключателей, и остается предметом пристальных исследований в течение многих лет [1]. Исходя из формы и интенсивности свечения прикатодной и прианодной областей разрядного промежутка, режимы горения дуги традиционно классифицируются на диффузный, при котором макропятна на электродах отсутствуют, режим интенсивной дуги (intense mode), связанный с образованием сжатого канала разряда в условиях сильных токов и малых межэлектродных расстояний, и различные режимы с той или иной активностью анодных процессов: режим «футпойнт» (footpoint mode), режим с активным анодным пятном (anode spot mode) [2]. По результатам недавней серии исследований электрических и спектральных характеристик предложена дополнительная классификация режимов горения дуги с анодным пятном первого и второго типов [3, 4]. Режим с анодным пятном второго типа характеризуется формированием как прианодной, так и обширной прикатодной области свечения (катодного макропятна) и сжатого канала разряда в условиях относительно больших межэлектродных расстояний, а также повышенным на 10-20 В напряжением горения, что напрямую указывает на активную роль анодного и катодного макропятен в механизме функционирования разряда [3, 5]. Исследования динамики перехода между различными режимами горения демонстрируют высокую скорость изменения спектрального состава и структуры свечения разряда с временем перехода в десятки и единицы микросекунд [5-7]. При этом особую актуальность приобретают исследования с регистрацией спектра анодного пятна не в отдельные моменты времени, как в [3, 7], а с непрерывной временной разверткой. Такое исследование было выполнено нами недавно с использованием аппаратного комплекса, представляющего собой композицию спектрографа со стриковой камерой (хронографом) [8]. Непрерывная временная развертка позволила с высоким временным разрешением исследовать динамику отдельных спектральных линий в привязке к осциллограммам тока и напряжения горения в процессе переходов между формами разряда. Очевидным недостатком метода является то, что исследуется излучение лишь локальной (по сути, точечной) области разряда, что позволяет делать лишь ограниченные выводы о пространственно-спектральной структуре свечения, и, соответственно, о пространственно-зарядовой структуре плазмы в разрядном промежутке. Надежную информацию о пространственно-спектральной картине излучения и ее динамике возможно получить при использовании регистрации спектра с одномерным пространственным разрешением, совмещенной с обычной скоростной видеосъемкой всей (двумерной и полноспектральной) картины разряда. Результаты такого эксперимента представлены в настоящей работе. Методика эксперимента Схема эксперимента приведена на рис. 1. Эксперимент проводился в динамически откачиваемой вакуумной камере при остаточном давлении ~ 10-5 Па. Разрядный промежуток был образован двумя электродами торцевого типа диаметром 14 мм, выполненными из псевдосплава CuCr40. Гармонический полупериод тока амплитудой до 15 кА, длительностью 10 мс, моделирующий ток промышленной частоты, формировался высокодобротной цепью C0L0 (С0 = 60 мФ, L0 = 167 мкГн) с тиристором VT0 в качестве коммутатора. Дуговой разряд инициировался размыканием контактов на начальном этапе протекания импульса тока. Подвижным являлся катодный электрод, его скорость в процессе размыкания была практически постоянна и близка к 1.3 м/c. Внешние магнитные поля к разрядному промежутку не прикладывались. Для регистрации осциллограмм тока и напряжения горения дуги служили низкоомный шунт Rsh в цепи катода и предварительно калиброванный резистивный делитель напряжения (на схеме не показан). Рис. 1. Схема эксперимента Для исследования спектральной структуры разряда и его динамики был реализован метод скоростной видеоспектроскопии. Изображение разрядного промежутка фокусировалось на входную щель спектрографа с помощью кварцевой линзы фокусным расстоянием 50 мм. В качестве спектрографа использовался монохроматор МДР-23, выходная щель которого была демонтирована, а на месте выходной щели располагалась скоростная видеокамера EVERCAM-3000-4. В большей части экспериментов использовалась дифракционная решетка 600 лин./мм, обеспечивающая приемлемое спектральное разрешение, и спектральный диапазон 426-470 нм, содержащий линии нейтральных атомов, одно- и двухзарядных ионов материала электродов, практически совпадающий со спектральным диапазоном в ранее выполненном нами исследовании [8]. Входная щель спектрографа была ориентирована вдоль оси разряда, т.е. в направлении катод - анод (не так, как можно понять из схемы на рис. 1). Таким образом, двумерная картина на выходе спектрографа представляет собой спектр излучения плазмы в разрядном промежутке с одномерным пространственным разрешением вдоль оси разряда. Для получения обычного 2D-видеоряда разряда видеокамера устанавливалась со стороны противоположного окна вакуумной камеры. Скорость съемки составляла 5000 кадров/с, длительность экспозиции при съемке спектра - 100-200 мкс, а при съемке обычного 2D-изображения - 1-2 мкс. Результаты и их обсуждение Осциллограммы тока и напряжения и спектры и двумерные кадры разряда в отдельные моменты времени при амплитуде тока 6.3 кА представлены на рис. 2 и 3 соответственно. Временные метки tA, tБ и tВ на осциллограмме рис. 2 соответствуют экспозиции спектрограмм на рис. 3, а-в. В данном случае размыкание контактов производилось с минимальной задержкой t0 = 100 мкс относительно начала импульса тока (рис. 2). Следует специально отметить, что в этом режиме процесс перехода от диффузного режима горения к режиму с активным анодным пятном происходил стабильно от импульса к импульсу как во временном (t1 = 2.4-2.5 мс), так и в пространственном отношении (положение канала разряда было близко к оси разряда и оставалось стабильным на протяжении импульса тока). Такая стабильность дает основание сопоставлять одномерные спектральные и 2D-видеоряды разрядного промежутка, полученные в разных импульсах. Спектры и фотографии на рис. 3 приведены для трех характерных случаев: в конце диффузной стадии (а), сразу после контракции разряда (б) и в условиях устоявшейся контрагированной дуги с катодным и анодным макропятнами (в). Рис. 2. Осциллограммы тока, напряжения горения дуги Рис. 3. Одномерные эмиссионные спектры и фотографии разрядного промежутка в различные моменты времени В диффузном режиме горения дуги (рис. 3, а) свечение разряда представлено в основном микропятнами на поверхности катода. Объемное свечение плазмы на этом этапе представлено обширным катодным макропятном. Его интенсивность усиливается со временем по мере нарастания тока разряда и межэлектродного расстояния. Напряжение горения разряда при этом также постепенно нарастает от 20-26 до 32-36 В. В спектральном отношении свечение макропятна представлено в основном линиями двухзарядных ионов меди. Анодное пятно на этой стадии практически отсутствует. Переход к режиму контракции дуги с активным анодным пятном в момент времени t1 = 2.43 мс в нашем примере сопровождается резким ростом напряжения горения разряда на 20-25 В и соответствующим ростом диссипируемой в разряде мощности. В процессе перехода количество катодных микропятен заметно уменьшается, прежде всего, за счет подавления микропятен в периферийных областях электрода. При этом яркость катодного макропятна резко возрастает, в то же время генерируется сравнимое по яркости анодное пятно, а спектральная структура приобретает комплексный характер (рис. 3, б). В прикатодной области в спектре по-прежнему преобладают линии двухзарядных ионов. Прианодная область представлена линиями нейтральных атомов, в основном хрома. Свечение же в средней части промежутка, в периферийных слоях анодного и катодного факелов, в значительной степени связано с излучением на линиях однозарядных ионов хрома Cr II длиной волны 462.76-463.41 нм. Следует отметить, что излучение в этих линиях существенно нестационарно во времени. Оно носит характер вспышки, интенсивность которой со временем релаксирует практически до нуля, в отличие от других линий однозарядных ионов как меди, так и хрома. После окончания процессов релаксации и в процессе дальнейшего расхождения контактов устанавливается квазистационарная пространственно-спектральная структура свечения (рис. 3, в), на основании которой пространственно-зарядовая структура плазмы может быть представлена следующим образом. Концентрация нейтральных паров максимальна непосредственно вблизи поверхностей электродов. В катодном макрофакеле однозарядные ионы сосредоточены во внутренней, а двухзарядные - во внешней области факела. Максимальная интенсивность свечения в катодном факеле достигается на некотором удалении от катода и монотонно спадает к периферии факела, указывая на определяющую роль ионов в его структуре. Структура анодного факела может иметь выраженный слоистый характер с тремя областями и четкими границами между ними (обозначены выносками 1-3 на двумерной фотографии на рис. 3, в). Внутренняя область анодного факела представляет собой область максимальной концентрации нейтральных паров и, в отличие от катодного факела, содержит также двухзарядные ионы. Средний слой представлен в основном однозарядными ионами. Наконец, внешний слой анодного факела, соприкасающийся с периферийным слоем катодного, представляется содержащим в значительной степени двухзарядные ионы. Распределение интенсивности по областям анодного факела указывает на более низкую по сравнению с катодным факелом степень ионизации плазмы. Необходимо также отметить разницу в пространственном распределении интенсивности линий меди и хрома, которая указывает на то, что, несмотря на идентичный элементный состав электродов, содержание элементов в плазме несколько асимметрично (анод является в большей степени источником хрома, катод - меди). Также необходимо отметить некоторые особенности динамики анодного пятна со слоистой структурой. Такое пятно формируется при значительном токе (энерговкладе), очевидно, связано с образованием зоны расплава и интенсивного испарения и характеризуется высокой пространственной стабильностью и стационарностью. Тем не менее его появление коррелирует с наличием неких разнонаправленных нестационарных пичков на осциллограмме напряжения горении разряда (t = 4.4-5.4 мс). Однако никаких нестационарных особенностей в эти периоды времени в структуре анодного факела и его динамике не наблюдается. Очевидно, понимание динамики такой слоистой структуры и ее природы требует дальнейшего изучения. Заключение С использованием метода скоростной видеоспектроскопии с одномерным пространственным разрешением, совмещенного с 2D-видеорегистрацией, исследована спектрально-пространственная структура свечения плазмы сильноточного вакуумно-дугового разряда с медь-хромовыми электродами в различных режимах горения. Установлено, что в режиме контрагирования дуги периферийные области катодного и анодного факелов излучают в значительной степени в линиях двухзарядных ионов, внутренние области - в большей степени в линиях однозарядных ионов и нейтралов. Причем доля излучения нейтралов минимальна в прикатодной области и максимальна в приэлектродной области анодного пятна. Представленные данные наглядно демонстрируют трехслойную структуру анодного пятна с четкими границами между слоями, в отличие от свечения в прикатодной области. Характер изменения напряжения горения разряда и количества катодных микропятен при переходе от диффузного режима разряда к контрагированному, динамика и пространственно-зарядовая структура плазмы в межэлектродном промежутке - все эти данные указывают на существенную плазмообразующую роль анодного пятна и возрастание роли механизмов газового разряда в контрагированном режиме горения дуги.

Скачать электронную версию публикации