Исследование пространственно-временных параметров процесса плазмообразования на катоде при эктонных процессах в вакуумном разряде ( Промежуточный за 2017 г. )

Разработаны: экспериментальные методики и ряд теоретических моделей с целью исследования приэлектродных и плазменных процессов в вакуумном дуговом разряде; экспериментальная установка и методика лазерного зондирования прикатодной плазмы с временным разрешением 200 пс и пространственным разрешением 3 мкм с настройкой длины волны излучения лазера на линию поглощения нейтрала плазмы. Обнаружено, что на длине волны 364,26 нм наблюдается поглощение плазмой зондирующего излучения в течение первых 50 нс после пробоя. Поперечные размеры поглощающей излучение плазмы составляют 5 - 30 мкм. Создана экспериментальная установка, впервые с наносекундным временным разрешением проведены измерения ионного тока из плазмы катодного пятна при токе дуги вблизи порогового значения. Показано, что в области пороговых токов в процессе погасания дуги ионный поток представляет собой последовательность интенсивных выбросов длительностью от 20 до 50 нс. Локальные максимумы ионного тока соответствуют локальным падениям тока разряда, что может быть объяснено циклическим характером генерации плазмы в катодном пятне, обусловленным эктонными процессами. Разработана экспериментальная методика томсоновской спектрометрии (масс-зарядового анализа) низкоэнергетических ионов из плазмы, в том числе слаботочной вакуумной дуги. Впервые проведено экспериментальное исследование зарядового состава ионов дуговой плазмы при токах разряда от пороговых для медного катода (1,6 А) до 100 А при питании дугового разряда квазипрямоугольными импульсами длительностью ~ 2 - 3 мкс и отсечки потока ионов вспомогательного триггерного разряда. В результате проведенных экспериментов получена выраженная зависимость среднего заряда ионов катодного материала от амплитуды токового импульса. Так, средний заряд заметно снижается с 2 до 1,55 при уменьшении амплитуды тока от 60 до 2 А. Показано, что снижение среднего заряда с 2 до 1,55 при уменьшении тока от ~100 А к пороговому значению происходит за счет уменьшения вклада ионов с высокой степенью ионизации и увеличения вклада однократно заряженных ионов. Разработана сквозная кинетическая модель (1D3V PIC MCC) разлета катодного факела испускаемого взрывоэмиссионным центром. Показано, что при плотности тока через пятно до 10⁹ A/см² для медного катода разлет плазмы в ограниченном межэлектродном промежутке имеет автомодельный характер с возможностью установления квазистационарного решения. При большей плотности тока в плазме развивается токовая неустойчивость, которая приводит к разрыву плазмы факела и последующему кулоновскому взрыву отделившегося плазменного облака. В рамках двумерной осесимметричной постановки задачи электротепломассопереноса в катоде создана полуэмпирическая гидродинамическая модель образования микрократера и начальной стадии формирования жидкометаллических струй в элементарной ячейке катодного пятна вакуумной дуги. Результаты моделирования пространственно-временных характеристик образования кратеров хорошо согласуются с экспериментальными данными при пороговых токах вакуумной дуги по размеру и времени формирования микрократеров, а также и средней плотности тока, рассчитанной по их диаметру.