Исследование плазменных и приэлектродных процессов в вакуумном электрическом разряде

Проведено решение фундаментальной проблемы создания замкнутой модели электрического разряда в вакууме, которая позволила бы самосогласованно описать все его стадии функционирования: пробой, искру и дугу. Конкретной фундаментальной задачей стало экспериментальное и теоретическое исследование плазменных и приэлектродных процессов в вакуумном электрическом разряде c высоким пространственным и временным разрешением. Экспериментально проведено исследование эрозионных структур на катоде, образующихся при движении катодного пятна вакуумной дуги по поверхности вольфрамового катода. Установлено, что средняя масса микронеоднородностей в виде застывших струй соответствует массе, уносимой в виде ионов в течение времени жизни ячейки катодного пятна с током на уровне единиц ампер. Разработана методика лазерного зондирования и получения теневых картин вакуумного разрядного промежутка с субнаносекундным временем экспозиции. Получены данные по параметрам плазмообразования в катодном пятне вакуумного разряда для медного и титанового катодов. Разработан и собран ионный многоканальный спектрометр, позволяющий с наносекундным временным разрешением анализировать поток ионов из плазмы катодного пятна. Показано, что поток ионов является существенно нестационарным и содержит интенсивные всплески, которые по длительности коррелируют с временем жизни элементарной ячейки катодного пятна, измеряемой методом автографов катодного пятна. Разработанная методика томсоновской прямопролетной масс-спектрометрии позволила получить данные о зарядовом составе ионов плазмы катодного пятна при токах вакуумной дуги порядка единиц ампер, а также получить зависимость этого состава и среднего заряда ионов от тока дуги в диапазоне 1,6 - 160 А. Теоретически в рамках методов "частица в ячейке" и Монте-Карло построена сквозная кинетическая модель функционирования катодного пятна в эмиссионно-эрозионной фазе на медном катоде. Разработана двумерная осесимметричная гидродинамическая модель предвзрывных процессов в микровыступе катода с учетом самосогласованного расчета падения электрического потенциала в приэлектродной области. На основе сопоставления имеющихся данных о поведении жидкого металла при его вытеснении из формирующихся на катоде микрократеров и данных о динамике жидкости при столкновении капель с плоской твердой преградой, получено условие расплескивания жидкого металла в катодном пятне вакуумной дуги. В рамках двумерной осесимметричной постановки задачи тепломассопереноса исследована гидродинамика расплавленного металла при образовании микрократера в индивидуальной ячейке катодного пятна вакуумной дуги. Аналитически исследована динамика жидкого металла при его вытеснении давлением плазмы из кратеров, и определены основные пространственные и временные характеристики процесса формирования струй. Разработана двумерная нестационарная гибридная модель сильноточной вакуумной дуги во внешнем продольном магнитном поле. Построена численная кинетическая модель (1D3V PIC DSMC) прианодного слоя сильноточной вакуумной дуги.