Kontraktionsverhalten von Vakuum-Hochstromlichtbögen

• Antragsteller: Dr. Sergey Gortschakow
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448727250

Kontraktion des Entladungsplasmas ist ein physikalisches Phänomen, das für einige Anwendungen von großer Bedeutung ist. Die Einschnürung von diffusem Plasma hat für verschiedene Arten von Entladungen unterschiedliche Hintergründe. In den Glimmentladungen führen die steigende Rolle der Stufenprozesse, die Annäherung der Elektronen-Geschwindigkeitsverteilung dem Gleichgewichtzustand und die Erhöhung der Gastemperatur zur Bildung eines dünnen Plasmakanals sowie zu lokalisierten Elektrodenansätzen - Kathoden- und Anodenflecken. Die Kontraktionsmechanismen in den Vakuumlichtbögen haben dagegen eine andere Natur. Das durch Verdampfung des Elektrodenmaterials gebildete Entladungsmedium ist bereits heiß genug; die Plasmaspezies haben hohe Geschwindigkeiten. Außerdem sind die Kathodenflecken von Beginn der Entladung an vorhanden, da sie die Plasmaquelle sind. In dieser Situation können zwei Phänomene das Kontraktionsverhalten beeinflussen, nämlich das selbstinduzierte Magnetfeld und die Elektrodenprozesse (Verdampfung).Die Lichtbogenkontraktion ist bei Betriebsgeräten mit geringer Leistung (Thruster, Stufenschalter), Leistungsschaltern mit AMF-Kontaktsystemen höchst unerwünscht. In anderen Anwendungen, wie z.B. bei Leistungsschaltern mit TMF/RMF-Kontaktsystemen und Vakuumfunkenstrecken, ist eine Kontraktion eine Standardarbeitssituation und es ist wünschenswert, sowohl das Kontraktionsverhalten als auch die Lichtbogenbewegung zu steuern, um die lokale thermische Belastung der Elektrode zu reduzieren.Das Projekt widmet sich der Untersuchung von Kontraktionsvorgängen in Hochstrom-Vakuumlichtbögen. Detaillierte Untersuchungen zur Dynamik, räumlichen Struktur und Ladungszustandsverteilung im Lichtbogenplasma während ihrer Einschnürung werden durchgeführt. Die Rolle verschiedener Faktoren wie des Elektrodenmaterials, der Geometrie des Entladungsspalts, selbstinduzierter und externer Magnetfelder werden analysiert. Die Parameter des Plasmas nach dem Stromnulldurchgang, insbesondere die Dampfdichte, die Ausdehnung der Kathodenschicht, werden in Abhängigkeit von der Kontraktionsdynamik und thermophysikalischen Prozessen auf den Elektrodenoberflächen untersucht. Die Bildung eines Plasmakanals in Wechselwirkung mit dem externen Magnetfeld wird charakterisiert.Die Ergebnisse der Untersuchungen werden zur Verbesserung der Parameter von Geräten, die einen Hochstrom-Vakuumlichtbogen als Arbeitsmedium haben, beitragen.Folgende anwendungsrelevante Ergebnisse sind insbesondere für die Schaltanwendung zu erwarten:- Es werden wissenschaftlich optimierte Elektrodensystemkonfigurationen entwickelt, die sowohl für die Steuerung des Kontraktionsprozesses als auch der Lichtbogenbewegung unter der Wirkung des angelegten Magnetfeldes entwickelt;- neue Konfiguration von Elektrodensystemen wird entwickelt, die auf einer Kombination aus Vakuumschalter und Funkenstrecke basieren, die die Lichtbogenbewegung vom Zündbereich bis zum Löschbereich ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Alexander Batrakov, bis 3/2022