Гидродинамические процессы в катодном пятне вакуумной дуги при околопороговых токах

Проведено теоретическое исследование динамики расплавленного металла при его вытеснении давлением катодной плазмы из кратеров, формирующихся на катоде при горении вакуумного дугового разряда. Разработана модель расплескивания расплава, включающая две стадии. На первой стадии движение жидкости обладает осевой симметрией, происходит формирование жидкометаллического вала, окружающего кратер. Условием образования выраженного вала является значительное превышение скорости вытеснения жидкости групповой скорости поверхностных капиллярных волн, определяющей предельную скорость распространения энергии и импульса в системе. На второй стадии осевая симметрия движения жидкости нарушается в результате развития неустойчивостей Рэлея - Плато (РП) и Рэлея - Тейлора (РТ) гребня вала. В рамках модели показано, что процесс распада вала носит пороговый характер; найдено минимальное значение давления плазмы, необходимое для образования жидкометаллических микроструй (при меньших давлениях расплавленный металл растекается по поверхности катода без образования струй и капель). Установлено, что пороговые условия реализуются при протекающем через кратер электрическом токе, близком к минимальному току дугового разряда. Это позволило сделать вывод о ключевой роли гидродинамических процессов в катодном пятне вакуумной дуги для самоподдержания разряда. На основе анализа дисперсионных соотношений для неустойчивостей РП и РТ определены характерное время формирования струй и пространственный период их расположения по контуру кратера, хорошо согласующиеся с имеющимися экспериментальными данными о длительности дугового цикла и вероятного количества струй. Критерий формирования струй удобно сформулировать в терминах числа Вебера, характеризующего относительный вклад инерционных и капиллярных сил: We > 500. Эта оценка хорошо согласуется с известными данными об условиях расплескивания капель жидкости, падающих на твердую плоскую поверхность. Найдены точные решения задачи о возможных равновесных конфигурациях струй проводящей жидкости в поперечном магнитном либо электрическом поле. Они описывают деформацию струи (ее сечение растягивается вдоль силовых линий поля) вплоть до ее деления на две отдельные. Сформулированы критерии расщепления струй.