особенности вольт-амперных характеристик вольфрамового

XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 8 – 12 февраля 2010 г.
ОСОБЕННОСТИ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛЬФРАМОВОГО
КАТОДА В СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ
К.А. Бахметьев, А.В. Коновалов, О.А. Синкевич
Московский энергетический институт (технический университет), Москва, Россия,
e-mail: oleg.sinkevich@itf.mpei.ac.ru
Проблема создания малоэрозионного, сильноточного катода является центральной для
многих новых плазменных технологий, использующих в своей работе дуговые плазмотроны
(технологии упрочнения поверхностей и нанесения покрытий, плазменного разрушения
малорадиоактивных ядерных отходов и т.п.). Решение данных проблем тесно связано с
проведением численных экспериментов, обосновывающих выбор форм, материала катода и
типа работающих сред. Эффективность численного моделирования напрямую зависит от
использования адекватного описания физических процессов в теле катода, на его
поверхности и в прилегающей к нему плазме.
В работе в широком диапазоне температур поверхности проведен анализ вольт-амперных
характеристик (ВАХ) вольфрамового термоэмиссионного катода, работающего в аргоновой
плазме. В ряде режимов работы катода могут возникать немонотонные ВАХ, что
качественно согласуется с рядом экспериментальных работ (рис. 3.22 в [1]). Неоднозначные
ВАХ наблюдаются как в случае самосогласованной задачи (температура поверхности катода
Tc определяется в процессе решения), так и в случае однородного катода (Tc — задаётся как
параметр модели).
Используя модель [2], можно рассчитать предельные (температура катода не превышает
температуру плавления материала катода Ts) ВАХ катода (рис. 1). Максимальное значение
плотности тока с поверхности твёрдого вольфрамового катода без образования жидкой фазы
составляет около 640 А/мм2.
Ток электронов (кривая 5 на рис. 1) в ряде режимов значительно превышает ток ионов,
поэтому его необходимо учитывать в эффекте Шоттки. Например, учёт вклада электронов
может увеличивать эффективную работу выхода на 1-2%.
Литература.
[1]. Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров А.В. и др. Приэлектродные процессы в дуговых
разрядах. Новосибирск: Наука, 1982. 158 c.
[2]. Бахметьев К.А., Синкевич О.А. Особенности тепловых режимов вольфрамового катода
в сильноточном дуговом разряде. // Труды XVII Школы – семинара молодых учёных и
специалистов под рук. ак. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и
тепломассообмена в аэрокосмических технологиях». Жуковский. 2009. Т. 2. С. 27 – 30.
3
700
6
140
1
100 jep,
500
jtot,
jem
ji ,
z,
60 ΔW
4
300
100
10
20
5
2
20
Рис.1.
Предельные
(при
температуре поверхности катода Tc
= Ts = 3693 К) характеристики
прикатодного слоя однородного
катода. 1 – полный ток (jtot, А/мм2);
2 – ионный ток (ji, А/мм2); 3 – ток
эмиссии (jem, А/мм2); 4 – ток
обратных электронов (jep, А/мм2); 5
–
отношение
полного
тока
электронов
к
току
ионов
( z   jem  jep  ji ); 6 — снижение
работы выхода (ΔW, 10-2 В).
U, В 30
40
1