如何处理残余等离子体？

在真空电弧电流过零后，触头两端会被施加负极性且上升率很高的暂态恢复电压（Transient Recovery Voltage，TRV），这样电流过零前的阴极成为弧后的新阳极，而阳极则成为弧后新阴极。在恢复电压的作用下，由于电子质量较离子质量小很多所以运动速度也快很多，这样触头间隙中的正负电荷被迅速分离。随着电子向新阳极运动，剩余的离子会在弧后的新阴极附近区域形成一个正离子层，这种正离子层被称为鞘层，如图5-1所示。由于鞘层外的空间仍保持为准中性等离子体，因而触头间的电压降全部由鞘层承担。鞘层发展的宏观表现是能够在电流过零之后测量到一个幅值不大的电流，称为“弧后电流”。

图5-1 电流过零后的鞘层模型

TRV主要施加在鞘层上，电场强度E=（dU/dt）/（ds/dt）=dU/ds，而如果最开始的鞘层厚度变化较慢，TRV上升过快的话，即使幅值很小的电压依然可能在新阴极附近产生很强的电场，从而造成阴极表面的场致发射并引起弧隙发生重击穿。一些文献认为如果在弧隙间施加电压后最初几微秒内的电场强度达到2×10⁸V/m，则有可能发生重击穿。另一个可能引起重击穿的不利因素是弧后的新阴极是弧前的阳极。在开断大电流的情况下，集聚的电弧可能会对阳极造成严重烧蚀，这样不可避免地会破坏原来平整的触头表面，造成触头表面的变形，而这可能引起电场的局部集中，更易发生重击穿。

残留等离子体主导的鞘层发展过程的持续时间主要取决于离子在TRV作用下的扩散时间，时间一般为几微秒到几十微秒，如果燃弧期间出现集聚电弧，造成弧隙间存在过量的等离子体，则这一阶段有可能持续得稍微长一些。弧后的等离子体密度存在一个临界值，如果残余离子的密度高于这一临界值，即使在幅值较低的电压作用下也很容易发生击穿，据估计这个临界值为10¹⁹/m³。等离子体密度超过这个临界值发生的击穿被称为“热击穿”。

残余等离子体对介质恢复的影响还体现在离子轰击新阴极所引起的二次发射，碰撞作用示意图如图5-2所示。(www.xing528.com)

图5-2 离子与触头表面、金属蒸气原子碰撞作用示意图

在鞘层不断发展的过程中，离子在鞘层电场的作用下向新阴极运动，并轰击阴极表面，使得金属蒸气和二次电子从阴极表面溅射出来。这一方面导致了弧后金属蒸气密度的增加，另一方面二次电子的发射增加了弧隙中的金属蒸气发生电离的可能性，同时在TRV的作用下二次电子也影响了弧后电流的波形。

此外，Schade和Dullni曾在大电流情况下观察到所谓“慢离子”现象。如果按照一般的观点，电流开断之后的离子速度应该远高于所观察到的离子速度，所以人们用慢离子的概念去解释这个现象，并认为这种现象的产生源于快离子与较慢的中性金属蒸气原子碰撞发生电荷交换造成的，使得中性金属蒸气成为新的慢速离子。毫无疑问，一旦出现了慢离子，鞘层的发展将大大减缓，而如果TRV上升速度不变的话，那么出现击穿的概率也将增大。

为了描述鞘层的动态发展过程，众多研究者做出了大量的工作。其中An-drews和Varey结合了等离子体的Child定律和离子矩阵建立了鞘层发展的连续模型，并且被成功应用于解释弧后的鞘层发展。Child和Greenwood发展了这个模型，将零区附近的弧后过程和弧前过程联立起来考虑，使得模型不再只针对鞘层的过程而是针对整个零区所发生的物理过程。Sarrailh等人基于麦克斯韦-玻尔兹曼方程建立了鞘层发展的一维模型，这个模型考虑了鞘层发展过程中存在的偏离平衡状态的问题，同时采用蒙特卡洛法模拟了中性金属蒸气和离子的碰撞过程。