Модель элементарной ячейки катодного пятна вакуумного разряда (Итоговый за 2018 г.)

Разработана полуэмпирическая гидродинамическая модель образования микрократера при функционировании индивидуальной ячейки катодного пятна вакуумной дуги. Проведен расчет пространственно-временных характеристик процесса его формирования для медного катода в режиме постоянного тока ячейки. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными при пороговых токах вакуумной дуги по размеру и времени формирования микрократеров, а также средней плотности тока, определяемой экспериментально по их диаметру. Проведен расчет пространственно-временных характеристик начальной осесимметричной стадии формирования жидкометаллических струй выдавливаемых из кратера. На основе полученных численных результатов и анализа азимутального распада за счет неустойчивости Рэлея - Плато показано, что диаметр струй определяется еще в осесимметричной стадии зарождения и имеет субмикронный масштаб. Разработана двумерная осесимметричная модель формирования квазиодномерной цилиндрической струи, формирующейся на выдавливаемом из кратера валике при его капиллярном азимутальном распаде. Показано, что в активной фазе расплескивания при протекании тока через ячейки струя имеет практически постоянный диаметр с каплевидной головкой, возникающей за счет сил поверхностного натяжения. При этом отрыв струи от кратера у ее основания происходит только после прекращения протекания тока через ячейку при уменьшении скорости подтока расплава из кратера за счет капиллярной неустойчивости Релея - Плато. Разработана полуэмпирическая гидродинамическая модель образования элементарного кратера на композитном CuCr-катоде, используемом в промышленных вакуумных прерывателях тока. Проведен расчет пространственно-временных характеристик кратерообразования, проанализировано изменение морфологии Cr-фазы в зависимости от размера частиц хрома в медной матрице. На основе метода “частицы-в-ячейке” и расчета столкновений методом “Монте Карло” (PIC DSMC) созданакинетическая модель расчета параметров плазмы индивидуальной ячейки катодного пятна вакуумной дуги. Показана возможность существования нестационарного пятна микронного размера с плотностью тока ~ 10⁸ А/см² и температурой поверхности расплава более 6000 К. Показано, что в данных условиях большая часть катодного падения потенциала носит омический характер, падение в катодном плазменном слое объемного заряда составляет лишь несколько вольт, а нагрев поверхности катода при этом осуществляется в основном потоком электронов из плазмы. Разработана экспериментальная методика, проведены исследования временных характеристик потока ионов вакуумной дуги с наносекундным временным разрешением вблизи пороговых токов разряда. Методика включает измерения интенсивности отдельных фракций ионного потока с различным отношением энергии к заряду с помощью разработанного трехканального электростатического энергоанализатора, совмещенного с времяпролетным анализатором. Показано, что генерация ионов в катодном пятне слаботочной вакуумной дуги происходит в виде интенсивных выбросов длительностью от 15 до 50 нс. Фурье спектры ионного сигнала содержат явно выраженные максимумы в диапазоне 20 ÷ 30 Мгц, что соответствует предполагаемому времени жизни индивидуальной ячейки катодного пятна. Разработана экспериментальная методика томсоновской спектрометрии (масс-зарядового анализа) низкоэнергетических ионов из плазмы вакуумной дуги вплоть до минимально возможных пороговых токов разряда. Проведены измерения ионного состава и среднего заряда индивидуальной ячейки катодного пятна. Показано, что снижение среднего заряда с 2 до 1,55 при уменьшении тока к пороговому значению, когда катодное пятно состоит лишь из одной ячейки, происходит за счет уменьшения вклада ионов с высокой степенью ионизации и увеличения вклада однократно заряженных ионов.