Моделирование физических процессов и расчет параметров плазмы при вакуумно-дуговом разряде

• Автор: Шмелев, Дмитрий Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 72 с. : ил.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВЗРЫВОЭМИССИОННОМ ЦЕНТРЕ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПОЯВЛЕНИЕ ЭКТОНА
1.1 Введение
1.2 Математическая модель начальной стадии функционирования взрывоэмиссионного
центра
1.2.1 Широкодиапазонное уравнение состояния
1.2.2 Время электрон-ионной релаксации
1.2.3 Уравнения магнитогазодинамики
1.2.4 Метод решения задачи
1.2.5 Расчетная сетка, начальные и граничные условия
1.3 Результаты расчетов
1.3.1 Температуры в катоде и плазме
1.3.2 Давление в катоде
1.3.3 Плотность тока
1.3.4 Формирование кратера
1.3.5 Эрозия катода, средний заряд ионов, скорость ионов
1.3.6 Падение потенциала
1.4 Обсуждение возможного механизма перемещения катодного пятна
1.4.1 Иллюстративная модель движения катодного пятна 3
1.5 Выводы
ГЛАВА 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
2.1 Введение
2.2 Математическая постановка задачи о катодной струе
2.2.1 Система уравнений
2.2.2 Геометрия задачи и граничные условия
2.3 Результаты расчетов
2.3.1 Поведение температур
2.3.2 Ускорение ионов
2.3.3 Поведение потенциала в плазме катодной струи
2.3.4 Средний заряд плазмы катодной струи
2.3.5 О роли обратных электронов
2.4 Выводы

ГЛАВА 3. МГД МОДЕЛЬ СТОЛБА КИЛОАМПЕРНОЙ ДУГИ
3.1 Введение
3.2 Математическая постановка задачи о столбе килоамперной дуги
3.2.1 Граничные условия
3.3 Результаты расчетов
3.3.1 Поведение ионных скоростей
3.3.2 Расчеты вольтамперных характеристик
3.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Вакуумная дуга с холодным катодом или дуга, горящая в парах материала электродов, исследуется в течение многих десятилетий [1,2,3,4]. Для нее характерно низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, наличие высокоскоростных плазменных струй. До сих пор не существует общепризнанного теоретического описания явлений, происходящих в вакуумной дуге. Связано это, в первую очередь, с малыми временными (~10'9с) и пространственными (~1(г'см) масштабами процессов в месте катодной привязки дуги — катодных пятнах, и быстрым (~104см/с) хаотическим перемещением катодных пятен по поверхности катода, что значительно осложняет экспериментальные исследования, и потому оставляет большой простор для теоретических изысканий.
Вакуумную дугу можно условно разделить на три области: катод и узкая прикатодная область (собственно катодное пятно), область плазменной струи и прианодная область. Основные процессы, определяющие функционирование вакуумной дуги, происходят в катодном пятне. Здесь происходит эмиссия электронов, осуществляется локальный разогрев и разрушение катода с образованием кратера, происходит генерация плазмы, служащей проводящей средой между электродами.
Первая попытка теоретически определить параметры катода и прикатодной плазмы в области катодного пятна была предпринята в работе [5]. Рассматривалась стационарная ситуация, предполагалось, что высокая температура катода поддерживается за счет энергии ионов, поступающих на катод из прикатодной плазмы. Выделяющаяся на катоде энергия расходуется на компенсацию потерь тепла на теплопроводность, на испарение материала катода, на электронную эмиссию. В дальнейшем, этот подход был развит авторами работы [6]. Эти стационарные и, в большинстве случаев, нульмерные теории удовлетворительно описывают лишь большие квазистационарные термоэмиссионные катодные пятна с плотностью тока не более 106А/см2 (так называемые пятна второго рода по классификации [13,106]), которые образуются в определенных условиях на тугоплавких катодах. Однако, они совершенно непригодны для описания “мелких” быстроперемещающихся катодных пятен (пятен первого рода по классификации [13,106]), которые присутствуют

421 ne
3 0 R, мкм 4
Рис. 1.18 Распределение потенциала в плазме, вольты. Полный ток 7 А.