Экспериментальное исследование катодных процессов

Практическое применение сильноточных плазменных систем (СПС) выдвигает задачи совершенствования существующих и создания новых типов устройств, отвечающих комплексу повышенных требований к надежности, КПД и работоспособности. Решение этих задач тесно связано с проблемой повышения ресурса электродов СПС и, в особенности, катода – элемента, находящегося в непосредственном контакте с плазмой разряда и функционирующего в экстремальных условиях по уровням тепловых потоков, радиационных излучений, температур и плотностей тока [1, 2]. Наибольшая его работоспособность достигается в режиме термоэмиссии при использовании в качестве электродных материалов тугоплавких металлов, легированных эмиссионно-активирующими компонентами из окислов редкоземельных элементов [3, 4]. Низкое значение работы выхода электронов активатора по сравнению с основным металлом приводит к значительному повышению эмиссионной характеристики и соответственно снижению уровня температур и удельной эрозии катода. Однако в процессе работы плазменного устройства происходит интенсивное испарение активирующей присадки на рабочей поверхности электрода, которое может быть компенсировано ее диффузионным потоком из глубинных слоев. Динамика этих процессов в основном и определяет работоспособность данного класса катодов. Поэтому для оптимизации функциональных режимов таких катодов необходимо исследование закономерностей процессов тепло-массопереноса и испарения активаторов в зависимости от времени в широком диапазоне рабочих параметров плазменного устройства.

Экспериментальная установка и методика

В данной работе представлены экспериментальные результаты исследования динамики основных интегральных характеристик катодных явлений, таких как работа выхода электронов, плотность тока, температура и тепловой поток электрода в процессе длительной работы с целью нахождения оптимального режима. При этом параметры фиксируются одновременно, что дает наиболее полную картину эволюции катодных процессов во времени. Исследованы активированные катоды в свободно горящем дуговом разряде в среде инертных газов при регулируемых давлениях P ≤ 1,01 ⋅ 10⁵ Па на плазменной установке, функциональная схема которой представлена на рисунке 1.

Измерения проводились по следующей методике. Методом контактной разности потенциалов (КРП) определялся начальный профиль работы выхода электронов по длине электрода. Затем, в процессе работы установки, через определенный интервал времени (15-60 мин) в зависимости от давления среды измерялись профиль температуры катода, размер опорного пятна разряда и тепловой поток.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 – катодный узел, 2 – анодный узел, 3 – дуговой разряд, 4 – вакуумная камера, 5 – кварцевое окно, 6 – система вакуумирования и напуска газа, 7 – оптический микропирометр, 8 – спектрограф, 9 – потенциометр, 10 – звуковой генератор, 11 – блок для измерения работы выхода электронов, 12 – осциллограф

Рис. 2. Зависимости работы выхода электронов в катодном пятне от времени. P =1,33 ⋅ 10⁴ Па, 1 – I = 50 А, 2 – 100 А, 3 – 150 А, 4 – 20 А

После этого ток отключался, катод снимался с корпуса держателя и измерялись распределение работы выхода электронов и удельная эрозия. Такие циклы повторялись до суммарного времени t ≥ 20 ч на определенном токовом режиме в диапазоне 20 – 150 А. Исследовались электроды фиксированной длины L 1 = 2 см с вылетом из корпуса держателя L с = 1 см, диаметром d 1 = 0,4 – 0,6 см из чистого поликристалли-ческого и активированного вольфрама (ВТ-15, ВТ-50, ВЛ-30) в Ar, Kr и Xe при давлениях 1,33 ⋅ 10³ – 1,01 ⋅ 10⁵ Па. Основная серия экспериментов проведена на катодах из ВТ-15 в среде Ar при P = 2,67 ⋅ 10³ – 1,33 ⋅ 10⁴ Па. Измерения профилей температуры и работы выхода электронов производились вдоль всей длины вылета электрода из держателя с пространственным шагом 1 мм.

Результаты и обсуждение

Получены систематические данные динамики основных интегральных параметров активированного катода в процессе длительной работы плазменного устройства. Абсолютные их значения, за исключением плотности тока j c , возрастали с «наработкой» катода. Изменения j c лежат в пределах погрешностей используемых методов (световой диаметр, термоэмиссионный). Временные зависимости параметров хорошо коррелируют между собой, что свидетельствует об их тесной взаимосвязи. Подтверждено, что параметром, определяющим динамику катодных процессов, является работа выхода электронов е ϕ п .

Рис. 3. Зависимости кондуктивного теплового потока в катод от времени

Увеличение e ϕ п , вызванное обеднением и присадкой рабочей поверхности электрода (рис. 2), приводит к росту температуры, удельной эрозии и калориметрируемого теп

Рис. 5. Распределение работы выхода электронов по длине катода в зависимости от давления A.

Условия и обозначения те же, что на рисунке 4

T , 2 2 2 2 2 1 1 1 1

z ,

Рис. 4. Распределение температуры по длине катода в зависимости от давления Ar лового потока в электрод (рис. 3). Из рисунков видно, что оптимальный режим работы катода с геометрическими размерами Li = 2 см, Lс = 1 см и di = 0,4 см реализуется при I = 50 А, P =1,33⋅104 Па.

Измерения, проведенные на катоде из чистого вольфрама, показали, что параметры его в исследуемом интервале времени (20 ч) практически не изменяются. Однако такой катод находился в более напряженных условиях по уровням тепловых потоков и температур, удельная эрозия в среднем на 2 порядка выше, чем на активированном катоде (ВТ-15) при прочих равных условиях.

На временные зависимости интегральных параметров катода существенное влияние оказывает давление плазмообразующего газа. Измерения температурного поля показали нелинейную зависимость T(z) от давления аргона (рис. 4). На графиках T(z) интервал 0 - 2 мм соответствует полусферической области рабочего торца, 2 – 10 мм – цилиндрической части вылета электрода. Температура активной зоны с ростом давления от 2,67⋅103 до 1,01⋅105 Пa увеличивается примерно на 200 – 240 К, а интегральная температура осталь- ной части электрода уменьшается ∼ 200 – 290 К.

В связи с этим градиент температуры по длине вылета dT / dz возрастает, особенно вблизи опорного пятна разряда, что приводит к существенной трансформации T ( z ) (кривые 1 - 4 ).

На рисунке 5 показаны графики, иллюстрирующие динамику изменения функции eф(z, P) после 10 мин горения разряда. Начальное распределение eϕ(z) было равномерным и равным 2,92 эВ. Уровень eф(z) на каждом из фиксированных значений давления повышался по всей поверхности катода ввиду испарения активирующего элемента. Вне рабочей зоны катода наблюдается четкая корреляция между зависимостями T(z, P) и eф(z, P). Примечательно то, что значение eфп значительно меньше, чем eф на периферии торца. Значит, в пределах пятна происходит восстановление активирующего элемента в результате прикатодного ионно-атомного рециклинга. Феноменология этого фундаментального явления в следующем. Испарившиеся атомы металла, попадая в приэлектродную область, легко ионизируются электронами, так как вероятность их ионизации больше вероятности ионизации рабочего газа. При этом соотношение в/a ~ n2 / na (в, a — скорости ионизации и рекомбинации, ne , na - равновесные концентрации электронов и атомов соответственно) больше для металла с меньшим потенциалом ионизации Vi, что приводит к увеличению скорости избыточной ионизации атомов присадки по сравнению с атомами основного металла и рабочего газа. Под действием электрического поля ионы возвращаются обратно на поверхность, где восстанавливаются до атома.

Таким образом, в работе получены временные зависимости основных интегральных параметров активированного термоэмиссионного катода в процессе длительного функционирования. Показано, что e ф п ( t ) является основным параметром, определяющим динамику катодных процессов. Экспериментально подтверждено существование механизма ионно-атомного рециклинга в прикатодной зоне стационарного дугового разряда.