Гидродинамическая модель катодной плазменной струи вакуумно-дугового разряда

• Автор: Луковникова, Марина Прокопьевна
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 121 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. КАТОДНЫЕ СТРУИ ВАКУУМНО - ДУГОВОГО РАЗРЯДА: ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ
1.1.Физические процессы в катодной плазменной струе вакуумной дуги
1.2.Существующие подходы к моделированию вакуумно- дугового разряда (обзор работ)
1.3.Гидродинамическая модель катодной плазменной струи
1.3.1. Приближение многожидкостной гидродинамики для описания динамики прикатодной плазмы
1.3.2. Приближение одножидкостной гидродинамики для частично - ионизованной плазмы
1.4. Выводы
2. СФЕРИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ ТОКОНЕСУЩЕЙ ПЛАЗМЫ
В ВАКУУМ (ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ)
2.1.Разлет плазмы с заданным ионным составом (постановка
задачи)
2.2. Переход через критическое сечение
2.3.Продольное распределение параметров плазмы в струе
2.3.1.Основные закономерности течения токонесущей плазмы. Сопоставление с расчетами других авторов
2.3.2. Связь безразмерных параметров плазменной микроструи с их абсолютными распределениями в вакуумной дуге.
Сопоставление с экспериментом
2.4. Определение параметров катодной микроструи
2.4.1. Нахождение тока микроструи и размера катодного микропятна по зарядовому составу плазмы вакуумной дуги
2.4.2. Нахождение тока микроструи и размера катодного микропятна по измерениям параметров катодной плазмы
2.5. Определение параметров прикатодной плазмы для вакуумных
дуг при различном материале катода
2.6. Выводы
3. ДВУМЕРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ КАТОДНОЙ СТРУИ
3.1. Расширение полностью ионизованной токонесущей плазмы в полупространство
3.2. Расширение частично - ионизованной токонесущей плазмы в полупространство
3.3. Метод решения системы моделирующих уравнений
3.3.1. Применение метода крупных частиц для расчета динамики прикатодной плазмы вакуумно - дугового разряда
3.3.2. Численная схема для расчета электрического потенциала
3.3.3. Постановка граничных условий
3.4. Двумерное распределение параметров плазмы в прикатодной области
3.5. Влияние бокового охлаждения на формирование границы катодной плазменной струи
3.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ III
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В данной работе разрабатывается стационарная гидродинамическая модель расширения токонесущей плазмы в вакуум в приложении к катодной плазменной струе вакуумно - дугового разряда.
Необходимо отметить возрастающий интерес к исследованию течения токонесущей плазмы в вакуум в настоящее время. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами. Во- первых, данная задача имеет фундаментальный характер. Она является частным случаем расширения плазмы в вакуум - одной из наиболее актуальных задач при изучении поведения ионизованных газов и плазмы. Необходимость рассматривать эту задачу возникает, например, при исследовании физических процессов в вакуумных разрядах (в вакуумно - дуговом разряде, при вакуумном пробое, в вакуумной искре); при изучении процессов, происходящих при лазерном обжатии мишени; при рассмотрении процессов в ТОКАМАКах, когда на стенках возникают униполярные дуги, засоряющие плазму тяжелыми частицами; при исследовании солнечного, звездного и полярного ветра.
Во - вторых, данная задача имеет конкретную практическую
значимость. Это связано с распространенностью технической реализации данного процесса в настоящее время. Например, вакуумный разряд нашел широкое техническое применение в сильноточных коммутаторах, также он используется для плазменной обработки поверхностей, для получения пучков ускоренных ионов, создания мощных импульсных источников ускоренных электронов. Понимание закономерностей процесса также
необходимо при разработке систем очистки плазмы от тяжелых компонент -диверторах и лимитерах.
Если при лазерном обжатии мишени появление высокоэнергичных ионов - явление, с которым приходиться бороться, чтобы улучшить степень сжатия мишени и ее нагрев, то в вакуумно-дуговом разряде эти особенности разряда используют, например, для придания новых качеств
обрабатываемым плазмой поверхностям.
В любом случае возникает необходимость более тщательного изучения процессов, происходящих при расширении плазмы в вакуум. Этой теме посвящено большое количество работ, однако закономерности течения токонесущей плазмы катодных струй вакуумной дуги изучены недостаточно полно. Здесь отсутствует единая модель, объясняющая природу и механизмы прикатодных процессов. До сих пор ведутся споры, например, о механизме ускорения ионов, механизме инициирования
вакуумной дуги и т.д., не построена самосогласованная модель, которая связала бы воедино свойства материала катода и закономерности вакуумнодугового разряда.

Будем считать, что критическое сечение, когда числитель и знаменатель в (2.10) одновременно равны нулю, находится в точке г — 1%. то есть при х=1. Тогда для этой точки / = гг = 1 и из (2.10) следует а =5/6 и р=5. Подставляя эти значения в (2.10), (2.11), находим:
(2.12)
сЬм _ 4/1-1/ х/5/2 сЬс х 1 -t / w Л 2/2-^5-3//гг)/х/5/
- . V ' )
сЬ Зх 1 - / / гг
Видно, что уравнения (2.12), (2.13) вообще не содержат каких-либо параметров течения, вследствие чего их решения м>(х) и 1(х) (полученные при граничном условии гг = /=1 при х = 1) будут универсальными функциями. С помощью этого же граничного условия можно найти из
уравнения (2.8) значение константы И =---1 1- (оСу — 1^8 .

При найденных значениях параметров аир значения производных с1м> / сЬс = гг* и б// / сЬс = /* в критической точке х = 1 являются неопределенными. Пользуясь правилом Лопиталя, из (2.12), (2.13) можно получить алгебраические уравнения
и^гг'-/^ = 10^+4, у; =3(2-К), (2.14)
решая которые находим гг* «3,75 и /*«0,75. Используя эти значения, можно провести численное интегрирование уравнений (2.12) и (2.13) в обе стороны от критической точки. Полученное решение представлено на рис.1 (штрих - пунктирная линия).
Процедура нахождения решения (интегрирование уравнений (2.12), (2.13) из точки х = 1 в область х<1) показывает, что существует единственное сверхзвуковое решение М>(х)^(х), вид которого не зависит от граничных условий. При этом относительный радиус источника X] = Г] / г* может лежать лишь в пределах 1>Х[ >Хд, где Х — Хр 0,755 соответствует случаю источника с м>(Хд 2=0, //'хр)=0, т.е. разгону и нагреву (за счет протекания тока) первоначально холодной и неподвижной плазмы. Любые другие (отличные от нуля) значения \'(X)), /^х1у) на поверхности источника должны быть найдены из полученного решения (см. рис.1), причем относительное положение X] = Г} / г* поверхности источника и критической точки также будет определяться приведенным на рис.1 решением.