Способ определения анодного падения потенциала дугового газового разряда

 

Использование: изобретение относится к диагностике плазмы и газового разряда и может быть использовано для определения знака анодного падения потенциала в электрическом разряде униполярных электрических машин постоянного тока. Цель изобретения - расширение диапазона диагностирования за счет обеспечения возможности диагностирования разряда, горящего в сильных магнитных полях, в малых межэлектродных зазорах, в труднодоступных местах. Для достижения цели в способе диагностики, включающем замер падения потенциала между анодом и катодом, замер падения потенциала производят при двух включениях разряда при неизменных токе разряда и плотности электронов в нем, для каждого включения используют отдельный анод, причем аноды имеют разную работу выхода электрона, после чего производят сравнение двух величин падения потенциала согласно неравенству, приведенному в описании.

Изобретение относится к диагностике плазмы и газового разряда.

Область использования предлагаемого изобретения плазменные токосъемные устройства униполярных электрических машин постоянного тока, являющиеся дуговым электрическим разрядом, горящим в среде газов или парах металлов при давлениях рабочего тела 10-100 мм рт.ст. плотности тока 10-500 А/см² и величине межэлектродного зазора менее 10 мм.

Известен способ диагностики электрического разряда, включающий замер падения потенциала в электрической цепи, замер падения потенциала в проводнике и сравнение двух замеров [1] Разность этих двух замеров представляет собой падение потенциала между катодом и анодом электрического разряда.

Недостатком этого способа является невозможность получения какой-либо информации о распространении падения потенциала в самом электрическом разряде.

Этот недостаток устраняется в способе, выбранном в качестве прототипа (М. Ф. Жуков, Н.П. Козлов и др. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. Новосибирск, 1982, гл. 2.5.). Способ включает в себя замер падения потенциала между анодом и катодом, введение в разряд зонда, замер падения потенциала между зондом и катодом, замер падения потенциала между зондом и анодом. Два последних замера после соответствующего пересчета представляют собой модули катодного и анодного падений потенциала.

Одну из наиболее важных характеристик разряда знак анодного падения потенциала в данном случае определяют при сравнении двух величин: суммарного U_Σ и катодного U_к падения потенциала: Такой вывод делается из предположения, что U_Σ U_к ± U_А, а падением потенциала в столбе плазмы U_ст между электродами обычно пренебрегают, так как оно на порядок меньше приэлектродных падений потенциала.

Недостатком данного способа является невысокая точность (на уровне расчетных методик), обусловленная искажениями, вносимыми зондом в разряд; длительное время обработки информации и ограниченная область применения (зондовые измерения не могут быть использованы в сильных магнитных полях; в коротких дугах, длина которых сопоставима с размерами зонда; в дугах с эмиссионно-активирующим рабочим телом, так как в этом случае наблюдается существенный электронный ток с поверхности самого зонда).

Между тем в ряде случаев достаточно определить экспериментально только суммарное падение потенциала между катодом и анодом и знак анодного падения потенциала, что дает информацию о путях оптимизации разряда с целью снижения суммарного падения потенциала. Такая информация особенно актуальна для систем плазменной коммутации электрического тока, например для плазменных токосъемных устройств униполярных электрических машин.

Целью изобретения является расширение диапазона и повышение точности диагностирования за счет обеспечения возможности получения информации об электрическом разряде, горящем в сильных магнитных полях, в малых межэлектродных зазорах, в труднодоступных местах, например разряда в униполярных электрических машинах. Важность указанной диагностики определяется тем, что анодное падение потенциала определяет падение напряжения на разряде в целом и таким образом влияет на КПД устройства и возможность коммутации малых напряжений.

Цель достигается тем, что в способе диагностики электрического разряда, включающем замер падения потенциала между катодом и анодом, замер падения потенциала производят при двух включениях разряда, для каждого включения используют отдельный анод, причем аноды имеют разную работу выхода электрона, после чего производят сравнение двух величин падения потенциала согласно неравенству: при ϕ_A1> где ϕ_A1, ϕ_A2 работы выхода электрона первого и второго анодов; U_Σ1, U_Σ2 падения потенциалов между катодом и анодом при первом и втором включениях; U_А анодное падение потенциала.

Физический смысл предлагаемого способа заключается в следующем. Рабочий процесс на аноде, исходя из уравнения баланса токов на аноде: j_a= j^x_e· exp - j^s_e j^x_i U_a= ln ln
где U_а анодное падение потенциала;
j_a плотность тока на аноде;
j_e^s плотность тока эмиссии;
j_e^x, j_i^x плотности токов хаотических электронного и ионного;
T_e, T_i температуры электронов и ионов;
Т_а температура анода;
ϕ_a работа выхода анода;
n_e, n_i концентрации электронов и ионов;
m_e, m_i массы электрона и иона.

Отсюда анодное падение потенциала пропорционально работе выхода электрона из материала анода.

Так как j_e > j_i, то при увеличении ϕ_A должен возрастать модуль анодного падения потенциала U_А Знак U_А при этом не изменяется, так как зависит от соотношения хаотического и рабочего токов электронов.

Если рассматривать режим с температурой анода на уровне 1000 К, т.е. когда электронным током эмиссии с анода можно пренебречь, то варьирование работой выхода ϕ_A не оказывает влияния на рабочие процессы в столбе плазмы и в катодной области разряда.

Оставляя неизменными такие параметры разряда, как плотность тока, давление и род рабочего вещества, температуру катода, расстояние между электродами, внешние воздействия (магнитные поля и др.), можно варьировать работой выхода анода, не влияя на разряд.

Падение потенциала в разряде описывается формулой
U_Σ U_к + U_ст ± U_{А .}
Изменяя модуль анодного падения потенциала U_А| при варьировании работой выхода ϕ_A и сохраняя неизменным катодное падение U_к, можно сказать, что
при ϕ_A1>
Этот способ можно применять при любых внешних воздействиях на разряд, в труднодоступных местах, когда невозможно использовать известные способы диагностики, и особенно при малых зазорах между катодом и анодом. Использование данного способа таким образом расширяет диапазон диагностирования.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОДНОГО ПАДЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДУГОВОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА, включающий измерение падения потенциала разряда между катодом и анодом и сравнение измеренных значений, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности диагностирования разряда в сильных магнитных полях и в малых межэлектродных расстояниях в униполярных электрических машинах, измерение падения потенциала разряда производят при двух включениях разряда, при сохранении неизменными тока разряда и плотности электронов в нем, для каждого включения используют отдельный анод с разной работой выхода электронов, после чего производят сравнение этих двух величин падений потенциала разряда и определение знака анодного падения потенциала в соответствии с неравенством

где - работы выхода электронов первого и второго анодов, В;
- падение потенциала разряда между анодом и катодом при первом и втором включениях, В;
U_а - анодное падение потенциала, В.