Кинетика электронов в цилиндрической системе с импульсным магнитным полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кинетика электронов в цилиндрической системе с импульсным магнитным полем

Майкут С. А.

Аспирант, ассистент кафедры общей физики и физики твердого тела КПИ им. Игоря Сикорского

Summary

3D modeling of vacuum arc suppression by a magnetic field in a high-voltage current interrupter with cylindrical electrodes is performed. The process parameters were calculated by the algorithm of the suggested physical topological model of the current interrupter. The parameters characterizing the vacuum arc quenching process (current interruptions) were statistically determined: the fraction of electrons whose trajectories were closed on the collectors, was calculated. The trajectory of the electrons was traced taking into account the effect of the electric field of the electrodes and the magnetic field on the external inductor. The effect of the space-charge field of electrons was not taken into account. The calculations are performed by a numerical finite element method. The influence of the magnetic field of an external inductor and the design of the electrodes of a current interrupter on the vacuum arc extinguishing process is investigated.

Maikut S.A.

Post-graduate student, Assistant, Department of General and Solid State Physics Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute

Аннотация

Произведено 3D моделирование процессов гашения вакуумной дуги магнитным полем в высоковольтном прерывателе тока с цилиндрическими электродами. Расчёт производился по алгоритму предложенной физико-топологической модели прерывателя тока. Параметры, определялись статистически: вычислялась доля электронов, траектории которых замыкались на коллекторах. Влияние поля объёмного заряда электронов не учитывалось. Расчёты выполнены методом конечных элементов.

электрон цилиндрический импульсный поле

Введение

Эффект отсечки электронов происходит в магнитном поле, ортогональном электрическому полю, и не позволяет электронам катода достигать анода [1, 2]. Он находит применение во многих вакуумных и плазменных устройствах: вакуумные магнетроны для микроволновой генерации, газовые магнетроны для генерации электронов и ионов, ионно-распыляющие магнетроны, манометрические преобразователи магнетронного типа и газоразрядные коммутационные устройства и т. д. В некоторых устройствах этот эффект создает условия для генерации СВЧ-колебаний, заряженных частиц и плазмы. В других случаях он обеспечивает прерывание тока на анод в устройствах открывания или переключение тока с одного электрода на другой. Отсечка электронов используется на стадии после разряда в вакуумных дуговых прерывателях, когда электроны все еще эмитируются из горящих катодных пятен. На рис. 1показан эффект отсечки в цилиндрической электродной системе.

Рис. 1. Эффект отсечки электронов при : 1 - анод; 2 - катод; - анодное напряжение; - магнитная индукция

Случай отсечки электронов в однородных скрещенных полях рассмотрен в литературе [1, 2]. Однако на практике чаще всего используются неоднородные поля, и большой интерес представляет случай импульсного магнитного управления с внешним индуктором для прерывания или переключения тока в высоковольтных цепях постоянного тока. Результаты исследования отсечки электронов в плоском переключающем диоде, управляемом импульсным током плоского индуктора, представлены в [3]--Насколько нам известно, в литературе не было учтено влияние отсечки электронов в цилиндрических электродных системах из-за импульсного магнитного поля с учетом индукции вихревых токов в электродах и их вторичных магнитных полей. Таким образом, наша работа посвящена исследованию эффекта отсечки в таких системах с помощью компьютерного моделирования.

Конфигурации исследованных электродных систем

Для исследования было использовано несколько электродных систем различной конфигурации. Они изображены на рис. 2. Конфигурации электродов были выбраны с учетом применения полученных результатов в будущем к разработке высоковольтного размыкающего устройства (прерывателя тока) на базе вакуумной дуги.

Рис. 2. Конфигурация исследуемых электродных систем: 1 - анод; 2 - катод; 3 - управляющий индуктор;4 - электронные коллекторы; 5 - кольцевой карнизоподобный элемент

Характерные размеры систем в миллиметрах определены на рис. 2, г. Материал электрода - медь. Катоды имеют небольшой диаметр (6 мм) и высоту h (10 мм) в соответствии с рекомендацией [4] для их использования в прерывателе тока. Однако катод системы на рис. 1, а также имеет h = Н = 100 мм с целью проверки расчетов (см. Этот катод изображен пунктирными линиями на рис. 1, а).

Минимальный диаметр анода напротив катодов составляет 30 мм. Все аноды имеют вертикальный разрез шириной 1 мм (слева на всех рисунках) для лучшего проникновения импульсного магнитного поля, генерируемого индукторами, через металлические аноды в зазоры «катод-анод». Предоставление анодов в системах, показанных на рис. 2, Ь, с, d, с внутренними выступами / выступами треугольного сечения, решается несколько задач: 1) концентрировать импульсное магнитное поле в зазорах «катод-анод»; такой подход, как известно, успешно работает в системах с импульсным магнитным полем [4-6]; 2) продлить ток анода во время дугового разряда по большей поверхности; 3) уменьшить часть поверхности анода, расположенную близко к катоду в порядке облегчения гашения вакуумной дуги.

Системы были смоделированы с кодом на база программного обеспечения Comsol МиШрЬу8ІС8 аналогично к [3]. Код содержит части электрического и магнитного полей, а также вихревой наведенный ток на электродах с вторичными магнитными полями генерируемые им. Другая часть кода была используется для расчета траекторий электронов. Значение пространственного разряда было прийнято считат нулевым. Предполагалось, что катоды эмитируют электроны с синусоидльным распредилением. Напряжение постоянного тока иа между электродами было 10 кВ. Индуктор питается переменным током 44 кГц. В статье, режим работы определяется ампер-обмотками (A*w). Поскольку электроны катода достигают границы системы за несколько наносекунд, траектории были рассчитаны как для постоянного магнитного поля в максимум тока индуктора.

Система, показанная на рис. 2 а, была использована для верификации кода симуляции. Наши расчеты хорошо сходятся с теоретическим расчетом для однородного скрещенного поля. = 4,7 мТл: = 4,9 мТл для h = Н = 100 мм и = 5,0 мТл для h = 6 мм, Н = 100 мм. Здесь определяется как в [1]:

де: m и e маса и заряд електрона, Ra -радиус анода, Rc -радиус катода

Результаты расчета и обсуждение

Типичные траектории электронов в режиме отсечки и под разными углами излучения представлены на Рис. 3 для двух значений длины катода И. Черные точки показывают конец вычисленных траектории.

В случае длинного катода отсечка приводит к возвращению всех электронов на катод. При коротком катоде многие электроны не возвращаются обратно. Более того, чем больше искажено электрическое поле от радиального около конца катода и чем больше угол эмиссии электронов, тем быстрее электроны уходят от катода (см. рис. 3, б, где траектории показывают, что электроны выбрасываются только радиально, возврат к катоду). Длина индуктора должно быть равна Н или больше, чем Н для полной отсечки электронов от катода, как показано на рис. 3. В противном случае анод может захватывать электроны в зонах с В < Всг.

Траектории электронов в системе с концентрация магнитного поля, изображенные на рис. 2, б, в, отличаются от показанных на рис. 3б увеличенным радиусом вращения в нижней и верхней частях системы. Траектории в пространстве вниз и вверх относительно катоды в системах, изображенных на рис. 2, б, в похожи как расширяющийся поток.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Траектории электронов с длинным катодом, h = 100 мм (а) и короткий катод, h = 6 мм (б), в режиме отсечки. Индуктор - 4 кА *вит

Интересно рассмотреть изменение импульсного магнитного поля в зазоре между электродами, особенно в системах с концентрацией магнитного поля. Соответствующие расчеты были сделаны и представлены ниже. В системе, показанной на фиг. 2, а (или на фиг. 3), напряженность импульсного магнитного поля слабо изменяется между электродами и внутри анода в пространстве, удаленном от катода. Однако магнитное поле значительно варьируется в системах, показанных на рис. 2, Ь, ^ d из-за изменения радиуса анода вдоль вертикальной оси. Пример такого изменения поля представлен на рис. 4 для системы, изображенной на рис. 2, в. В общем, магнитное поле, создаваемое вихревым током анода, присутствует во всем пространстве вокруг анода.

Чтобы проверить возможность использования анодной конфигурации, показанной на рис. 2, б, но с коротким индуктором, мы рассчитали по траекториям электронов и получили результаты, представленные на рис. 5. Видно, что анод не захватывает электроны как в пространстве концентрации магнитного поля, так и в нижней и верхней частях анода. Последнее связано с большими внутренними диаметрами этих частей и если длина анода не слишком велика. Такое свойство этой конфигурации позволяет использовать нижнюю и верхнюю части анода в качестве перегородок для защиты индуктора от плазмы дугового разряда в прерывателях тока.

Рис. 4. Изменение напряженности импульсного магнитного поля в зазоре «катод-анод» на радиус r на разных высотах (в разных плоскостях) над средней плоскостью. Индуктор -2,2 kA*вит

Чтобы исследовать влияние угла а (см. Рис. 2, в) на максимальное отклонение электронов от вертикальной оси системы, траектория электронов была рассчитана при различных значениях а. На рис. 6 показано изменение максимального радиального отклонения электронов вдоль вертикальной оси для двух значений а. Видно, что чем больше угол, тем меньше максимальное отклонение электронов. Это может быть связано с изменениями в распределении индуцированного магнитного поля вокруг анода.

Рис. 5. Электронные траектории с длинным анодом (И = 40 мм) и коротким індуктором (20мм, 2,8 кА*вит)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Максимальное радиальное отклонение электронов для двух анодной конфигурации. Индуктор -2,8 кV*вит, В = 40 мм

Из представленных выше данных можно сделать вывод, что реальный прерыватель тока должен быть снабжен вспомогательными электродами для сбора электронов, идущих вверх и вниз из зазора «катод-анод». В качестве варианта такого подхода была предложена конфигурация, изображенная на рис. 2, г. Моделирование траекторий электронов показало, что некоторая группа электронов может пройти через щель между анодом и коллектором во внешнее пространство системы. Чтобы устранить утечку электронов, кольцевой плоский элемент, такой как карниз, был прикреплен к нижнему концу верхнего коллектора, и положительное постоянное напряжение ис относительно катода было приложено к коллекторам. На рис. 7 представлены электронные траектории в системе с коллекторами.

Расчеты показали, что прикрепление кольцевого элемента к коллектору не сильно влияло на утечку электронов (это видно на рис. 7, где сравниваются траектории в верхней и нижней частях). Тем не менее, этот элемент может быть полезен для защиты индуктора от плазмы дугового разряда в прерывателях тока. На рис. 8 показаны зависимости относительной утечки электронов по кольцевым зазорам между анодом иколлекторами от напряжения коллектора Ucи тока индуктора Ii. Обратите внимание, что коллекторы также генерируют вторичное магнитное поле из-за вихревого тока, наведенного в их корпусах. Видно, что значение Uc= +300 В достаточно для минимизации утечки электронов

Рис. 8. Относительная утечка электронов через кольцевой зазор между анодом и коллектором. Индуктор - 100 обмоток

Выводы

Компьютерный код на основе Comsol Multiphysics был принят для моделирования и исследования эффекта отсечки электронов в цилиндрической электродной системе в импульсном магнитном поле внешнего индуктора. Учтено влияние вторичных магнитных полей, создаваемых вихревыми токами в электродах. Успешная проверка численных результатов доказана.

В системе с неоднородностью геометрии, а также электрических и магнитных полей вдоль оси (из-за короткого катода, внутренней проекции на аноде напротив катода для концентрации магнитного поля, короткого индуктора), циклоиды Природа планарных электронных траекторий преобразуется в спиральные с вылетом электронов из межэлектродного промежутка. Чтобы получить эффект отсечки, необходимо перехватить электроны, выходящие из межэлектродного промежутка. Для этого целесообразно ввести концевые чашеобразные коллекторы с положительным напряжением 300 В при напряжении на аноде до 10 кВ. кольцевым зазорам между анодом и коллекторами от напряжения коллектора ис и тока индуктора Е. Обратите внимание, что коллекторы также генерируют вторичное магнитное поле из-за вихревого тока, наведенного в их корпусах. Видно, что значение ис = +300 В достаточно для минимизации утечки электронов.

Полученные результаты могут быть использованы при создании высоковольтного прерывателя тока, а также для анализа условий магнитного инициирования магнетронного разряда низкого давления и характеристик магнетронных электронных пушек.

Список литературы

K. Shimonui. Phusikalishe electronik. Budapest: “Akademiai Kiado”, 1972.

A.I. Kuzmichev. Magnetron sputtering systems. Kiev: “Avers”, 2008, 244 p. (in Russian).

S.A. Maykut, I.M. Drozd, A.I. Kuzmichev, L.Yu. Tsybulsky. Investigation of electron cut-off in a

flat diode by magnetic field of a plane inductor // Electronics and communication (Elektronika i svjaz'). 2017, v. 22, № 4(88), p. 11-17 (in Russian).

A.S. Gilmour, D.L. Lockwood. The interruption of vacuum arcs at a high DC voltages // IEEE Trans. ED. 1975, v. 22, № 4, p.173-180.

H. Knoepfel. Pulsed high magnetic fields. Amsterdam-London: “North-Holland Publ. Co.”, 1970.

L.M. Shpanin, G.R. Jones, J.W. Spencer. Convoluted arc with flux concentrator for current interruption // IEEE Trans. PS. 2018, v. 46, № 1, p. 175179.

Размещено на Allbest.ru