Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Measurements of vacuum arc threshold current for cadmium cathode: cutoff current and arc initiation probability

P.S. Mikhailov1, I.L. Muzyukin1, I.V. Uimanov1, D.L. Shmelev1

1 Institute of Electrophysics UB RAS, Ekaterinburg, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.44 UDC 537.525.5 EDN JFQDZW

Abstract

In this paper, two experimental techniques were developed to study the threshold parameters of a vacuum arc discharge with a cadmium cathode. The first technique allows us to determine the threshold current of the vacuum arc as the most probable value of the cutoff current during a current drop formed by a unipolar discharge pulse of the RC circuit. The second technique is aimed at determining the probability of arc ignition depending on the discharge current in the event of breakdown of the high-voltage vacuum gap. This technique was also used to measure the average time of arc operation at near-threshold currents. Particular attention was paid to the initial preparation and subsequent cleaning of the cathode surface in the area of vacuum arc formation using long arc discharges with currents of several amperes. This method allows for erosion of the cathode surface to a depth of several micrometers. Additionally, the average operating time at the threshold current and at currents below the threshold level was determined.

  • threshold current
  • vacuum arc
Аннотация (на русском)

Измерения порогового тока вакуумной дуги для кадмиевого катода: ток обрыва и вероятность инициирования дуги

В данной работе для исследования пороговых параметров вакуумного дугового разряда с кадмиевым катодом разработаны две экспериментальные методики. Первая позволяет определять пороговый ток вакуумной дуги как наиболее вероятное значение тока обрыва разряда при спаде тока, сформированном однополярным импульсом разрядки RC контура на дуговой промежуток. Вторая методика направлена на определении вероятности зажигания дуги, при которой реализуется механизм самоподдержания катодного пятна в зависимости от тока разряда в случае пробоя вакуумного промежутка высоковольтным импульсом. При этом существенное внимание было уделено первоначальной подготовке и последующей очистке поверхности катода в области формирования вакуумной дуги с помощью длинных дуговых разрядов с током в несколько ампер. Такой способ позволяет эродировать поверхность катода на глубину в несколько микрон. Так же в рамках данной методики на основе экспериментальных данных было определено среднее время функционирования дугового разряда при пороговом токе и при токах ниже порогового значения.

For citation

Mikhailov P.S., Muzyukin I.L., Uimanov I.V., Shmelev D.L. Measurements of vacuum arc threshold current for cadmium cathode: cutoff current and arc initiation probability // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.44

References

  1. Boxman R. L., Sanders D. M., Martin P. J. (ed.). Handbook of vacuum arc science & technology: fundamentals and applications. - William Andrew, 1996.
  2. Mesyats G. A. Cathode phenomena in a vacuum discharge: the breakdown, the spark and the arc. - Moscow: Nauka, 2000.
  3. Mamontov Y. I. et al. Conditioning a Copper Cathode Surface by High-Voltage Subnanosecond Pulses //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2024. - V. 52. - №. 9. - P. 4439-4449. https://doi.org/10.1109/TPS.2024.3374898
  4. Helmersson U. et al. Ionized physical vapor deposition (IPVD): A review of technology and applications //Thin solid films. - 2006. - V. 513. - №. 1-2. - P. 1-24. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.03.033
  5. Inspektor A., Salvador P. A. Architecture of PVD coatings for metalcutting applications: A review //Surface and Coatings Technology. - 2014. - V. 257. - P. 138-153. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.068
  6. Brown I. G. Vacuum arc ion sources //Review of scientific instruments. - 1994. - V. 65. - №. 10. - P. 3061-3081. https://doi.org/10.1063/1.1144756
  7. Barengolts S. A. et al. Explosive emission processes in thermonuclear facilities with magnetic plasma confinement and in linear electron-positron colliders //Phys. Uspekhi. - 2023. - V. 66. - P. 704-721. https://doi.org/10.3367/UFNe.2022.02.039163
  8. Kesaev I. G. Cathode processes in electric arcs. - Moscow: Nauka, 1978 (in Russian).
  9. Jüttner B. Cathode spots of electric arcs //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2001. - V. 34. - №. 17. - P. R103. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/17/202
  10. Kajita S. et al. Formation process of tungsten nanostructure by the exposure to helium plasma under fusion relevant plasma conditions //Nuclear Fusion. - 2009. - V. 49. - №. 9. - P. 095005. https://doi.org/10.1088/0029-5515/49/9/095005
  11. Mikhailov P. S. et al. Threshold parameters of vacuum arcs with W-fuzz cathodes //Journal of Nuclear Materials. - 2023. - V. 582. - P. 154479. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154479