Исследование взрывоэмиссионных процессов в вакуумных и газовых разрядах

Рассмотрены физические процессы, сопровождающие обратное движение катодного пятна вакуумной дуги во внешнем тангенциальном магнитном поле. Показано, что гибель пятна сопровождается выбросом плазмы в направлении максимального суммарного (внешнее + собственное) магнитного поля катодной плазменной струи. В этом же направлении происходит рождение нового пятна. Рост скорости направленного движения во внешнем магнитном поле с увеличением тока катодного пятна определяется в основном увеличением геометрического размера зоны его функционирования. Скорость направленного движения линейно растет с увеличением магнитного поля. Разработана теневая методика лазерного зондирования прикатодной плазмы импульсного вакуумного разряда, которая позволяет получать теневые картины распределения плотной плазмы в катодном пятне вакуумного разряда с пространственным разрешением 1 - 3 мкм при подсветке промежутка излучением импульсного лазера. Проведены совместные с сотрудниками университета г. Нагоя (Япония) исследования процесса горения униполярной дуги на наноструктурированной поверхности вольфрамовой пластины. Установлено, что основным фактором, определяющим инициирование дугового разряда, является нагрев катода ионами, ускоренными в контакте гелиевая плазма - пластина. Самоподдержание разряда обусловлено взаимодействием плотной эрозионной катодной плазмы с наноструктурированной поверхностью. Длительность горения дуги определялась током горения разряда, а при одинаковом токе - восстановительным механизмом, который более эффективен при меньшем потенциале горения пластины. Обнаруженное в экспериментах деление пятна, которое не наблюдалось ранее, связано с малой толщиной наноструктурированного слоя. Предложена статистическая модель, описывающая способность отдельных ячеек образовывать групповые катодные пятна в зависимости от толщины слоя. Показано, что поток тепла из плазмы с характерными для слаботочной вакуумной дуги параметрами способен обеспечивать развитие тепловой неустойчивости в микронеодородности катода и нагревать его до критической температуры за времена, лежащие в наносекундном диапазоне. 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. Геометрическая форма и размеры застывших струй таковы, что инициирование нового взрывоэмиссионного центра (ячейки пятна) может происходить в течение нескольких наносекунд при их взаимодействии с плотной прикатодной плазмой. Этим процессом обеспечивается самоподдержание вакуумного дугового разряда. Построена одномерная полностью кинетическая модель образования и разлета плотной прикатодной плазмы катодного пятна в искровой стадии вакуумного разряда. Показано, что ток, пропускаемый через плазменный факел одиночного пятна, ограничен некоторой пороговой величиной, выше которой прохождение тока в квазиравновесном режиме невозможно. При достижении порогового тока происходит развитие быстрой бунемановской неустойчивости, которая приводит к распаду плазмы катодного факела, с последующим образованием ионных потоков аномально больших энергий, движущихся в сторону как анода, так и катода. Создана экспериментальная установка, и проведены измерения ионного тока при токе вакуумной дуги, близком к пороговому. Измерения проводились с помощью коллектора ионов, расположенного за анодом-сеткой на расстоянии 200 мкм от катодной поверхности. Установлено, что в области пороговых токов в процессе погасания дуги ионный поток представляет собой последовательность интенсивных выбросов длительностью 30 - 100 нс.