Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде
Предложен механизм образования капель при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде, заключающийся в том, что под действием ионов и электронов, формирующихся в разрядных ячейках на дне кратера, стенки кратера оплавляются, расплавленный металл нагревается выше температуры плавления и собирается в кап...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110855 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 159-161. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110855 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1108552017-01-07T03:04:01Z Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде Павлов, В.С. Физика и технология конструкционных материалов Предложен механизм образования капель при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде, заключающийся в том, что под действием ионов и электронов, формирующихся в разрядных ячейках на дне кратера, стенки кратера оплавляются, расплавленный металл нагревается выше температуры плавления и собирается в капли под действием потока плазмы. Образующиеся капли выбрасываются из кратера. Процесс продолжается до тех пор, пока в кратере сохраняется положительный баланс энергии. Выбрасываемый со стенок кратера металл приводит к увеличению диаметра кратера, причем на поверхности катода диаметр кратера наибольший, так как его стенки подвергаются ионно-электронному воздействию максимальное время. Запропоновано механізм утворення крапель при вакуумно-дуговому розряді на мідному катоді, який полягає в тому, що під дією іонів і електронів, які формуються в розрядних комірках на дні кратера, стінки кратера оплавляються, розплавлений метал нагрівається вище температури плавлення і збирається в краплі під дією потоку плазми. Краплі, що утворяться, викидаються з кратера. Процес продовжується доти, поки в кратері зберігається позитивний баланс енергії. Метал, який викидається зі стінок кратера, приводить до збільшення діаметра кратера, причому на поверхні катода діаметр кратера найбільший, тому що його стінки піддаються іонно-електронному впливу максимальний час. Mechanism of drops formation at vacuum-arc discharge on cow-r cathode is proposed; such mechanism means that under the influence of ions and electrons forming in discharge cells on the crater bottom. the crater walls burn-off, the melted metal heats to the temperature higher the melting point and as sembles into the drops under the influence of plasma flow. The produced drops are ejected from crater. This process continues until the positive energy balance conserves in the crate. Metal ejected from crater walls causes the increase of crater diameter, this diameter being the highest on the cathode surface, because its walls are under the ion-electron influence the maximum time. 2008 Article Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 159-161. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110855 537.525.5 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Павлов, В.С. Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Предложен механизм образования капель при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде, заключающийся в том, что под действием ионов и электронов, формирующихся в разрядных ячейках на дне кратера, стенки кратера оплавляются, расплавленный металл нагревается выше температуры плавления и собирается в капли под действием потока плазмы. Образующиеся капли выбрасываются из кратера. Процесс продолжается до тех пор, пока в кратере сохраняется положительный баланс энергии. Выбрасываемый со стенок кратера металл приводит к увеличению диаметра кратера, причем на поверхности катода диаметр кратера наибольший, так как его стенки подвергаются ионно-электронному воздействию максимальное время. |
| format |
Article |
| author |
Павлов, В.С. |
| author_facet |
Павлов, В.С. |
| author_sort |
Павлов, В.С. |
| title |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| title_short |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| title_full |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| title_fullStr |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| title_full_unstemmed |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| title_sort |
образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110855 |
| citation_txt |
Образование капель на стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде / В.С. Павлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 159-161. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT pavlovvs obrazovaniekapelʹnastenkahkrateraprivakuumnodugovomrazrâdenamednomkatode |
| first_indexed |
2025-07-08T01:15:04Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:15:04Z |
| _version_ |
1837039412282654720 |
| fulltext |
УДК 537.525.5
ОБРАЗОВАНИЕ КАПЕЛЬ НА СТЕНКАХ КРАТЕРА ПРИ
ВАКУУМНО-ДУГОВОМ РАЗРЯДЕ НА МЕДНОМ КАТОДЕ
В.С. Павлов
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
г. Харьков, Украина
Предложен механизм образования капель при вакуумно-дуговом разряде на медном катоде, заключаю-
щийся в том, что под действием ионов и электронов, формирующихся в разрядных ячейках на дне кратера,
стенки кратера оплавляются, расплавленный металл нагревается выше температуры плавления и собирается
в капли под действием потока плазмы. Образующиеся капли выбрасываются из кратера. Процесс продолжа-
ется до тех пор, пока в кратере сохраняется положительный баланс энергии. Выбрасываемый со стенок кра-
тера металл приводит к увеличению диаметра кратера, причем на поверхности катода диаметр кратера наи-
больший, так как его стенки подвергаются ионно-электронному воздействию максимальное время.
При возбуждении дугового разряда на металле
на его поверхности образуется катодное пятно,
преобразующееся в разрядные ячейки, которые с
течением времени формируют катодный кратер.
На рис. 1 приведены профилограммы катодных
кратеров, снятых с помощью профилографа-профи-
лометра (тип А, модель 252) на медном, титановом и
молибденовом катодах после вакуумно-дугового
разряда на них. Ток разряда на медном и титановом
катодах был 50 А, на молибденовом – 75 А. Обраща-
ют на себя внимание следующие обстоятельства:
стенки катодных кратеров не являются вертикаль-
ными – катодные кратеры расширяются к поверхно-
сти катода, глубина кратеров разная – она уменьша-
ется с ростом температуры плавления металла.
Рис.1. Профиль катодных кратеров: а – медь;
б – титан; в – молибден
В работе [1] приведено уравнение для определе-
ния критического радиуса катодного пятна, когда
теплопроводность на его границе еще не играет су-
щественной роли:
i
Т
T
n
r
пл
кр ⋅=
0
0
2
1
λ
χ
π . (1)
Здесь χ0 – электропроводность металла при 293 К;
λ – теплопроводность металла при температуре
плавления; Тпл - температура плавления; К, Т0 -
298 К; i - ток дуги.
Для вакуумно-дугового разряда на медном като-
де (при токе дуги 50 А) получаем rкр = 0,45⋅10-2 см.
Измеренный на профилограмме радиус в верхней
части кратера (см. рис.1,а) составляет 1,2⋅10-2 см. Та-
ким образом, в процессе горения дугового разряда в
катодном кратере его радиус в верхней части увели-
чивается на 0,75⋅10-2 см. А это означает, что при ду-
говом разряде металл со стенок кратера выбрасыва-
ется наружу, возникает вопрос – в каком виде?
В работе [2] указывается, что в высоком вакууме
при дуговом разряде на титане основная доля эрозии
происходит в капельной фазе за счет частиц разме-
ром ∼ 5…15 мкм. Нами при вакуумно-дуговом раз-
ряде на медном катоде наблюдались капли диамет-
ром до 10 мкм.
Как нами показано ранее [3], при разряде на мед-
ном катоде в разрядных ячейках могут формиро-
ваться только мелкие капли размером ∼1 мкм. Сле-
довательно, можно предположить, что в процессе
дугового разряда под действием ионно-электронно-
го потока стенки катодного кратера оплавляются,
металл на поверхности стенок собирается в капли и
выбрасывается из кратера. Причем, величина радиу-
са верхней части кратера тем больше, чем продол-
жительнее горит разряд в катодном кратере и, сле-
довательно, больше металла выбрасывается со сте-
нок кратера.
Для подтверждения этого положения определим
баланс энергии (поступления и затрат) в катодном
кратере на примере разряда на меди. Рассмотрим
процесс горения дуги в его завершающей стадии –
когда на дне катодного кратера завершается функ-
ционирование последнего слоя разрядных ячеек.
При вакуумно-дуговом разряде на меди ток в раз-
рядной ячейке составляет 1,6 А [4], таким образом,
при токе 50 А одновременно функционирует 32
ячейки. Время жизни разрядной ячейки 1⋅10-8 с [5],
это будет "время жизни" последнего слоя разрядных
ячеек на дне кратера.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.159 – 161.
159
Разрядные ячейки формируют поток ионов и
электронов в катодном кратере, который и дает нам
приток энергии в кратер:
IVtE =1 . (2)
Здесь: I – ток разряда (50 А), V – катодное падение
напряжения (20 В [6]); t – время жизни последнего
слоя разрядных ячеек, 10-8 с.
Эта энергия составляет 1⋅10-5 Дж.
Энергетические затраты в катодном кратере в
последние (10-8 с) секунды существования разряда
идут на расплавление поверхностного слоя на стен-
ках кратера; нагрев расплавленного слоя металла, в
противном случае образование капель в этом слое
не будет происходить.
Согласно литературным данным [7] температура
капель меди, выбрасываемых из катодного кратера,
на 250о выше температуры плавления меди. В связи
с этим мы взяли температуру расплавленного слоя
меди на стенках кратера Тпл -+250о. Учитывая длину
стенок кратера и максимальный размер капель
10 мкм, мы получим толщину расплавленного слоя
меди ∼ 0,2 мкм при условии, что на заключительной
стадии разряда на поверхности кратера одновремен-
но формируются 4 таких капли. По сравнению с
приведенными выше энергетическими затратами в
катодном кратере все остальные затраты (поддержа-
ние температуры стенок кратера при температуре
плавления, градиент температур во внешней обла-
сти кратера, выброс капель из кратера с определен-
ной скоростью и др.) малы.
Энергетические затраты на расплавление поверх-
ностного слоя меди на стенках кратера
Е2 = λ m. (3)
Здесь: λ - удельная теплота плавления меди, m - мас-
са расплавленного слоя меди.
Вычисления дают значение 3,1⋅10-6 Дж.
Энергетические затраты на нагрев расплавленно-
го слоя меди на 250о равны
Е3 = с m ∆Т. (4)
Здесь ∆Т – нагрев расплавленного слоя меди на
250о; с – удельная теплоемкость меди; m – масса
расплавленного слоя меди.
Вычисления дают значение 2,3⋅10-6 Дж.
Общие энергетические затраты составляют 5,4⋅
10-6 Дж, что удовлетворительно согласуется с ве-
личиной энергетических поступлений в кратер (1,0⋅
10-5 Дж) с учитетом приближенного характера на-
ших оценок.
Предложенный механизм образования капель на
стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на
медном катоде объясняет, с одной стороны, образо-
вание крупных капель, с другой, – показывает, что
за один акт разряда во всех разрядных ячейках стен-
ка кратера теряет 0,2⋅10-4 см металла.
Для того чтобы определить увеличение радиуса
кратера в его верхней части, вычислим общее коли-
чество разрядов (кратное 32) за все время их суще-
ствования в данном кратере. На рис. 1,а на профило-
грамме катодного кратера горизонтальными линия-
ми выделены сечения (Si), в которых монотонное из-
менение стенки кратера меняется скачком. В этих
сечениях происходит скачкообразное изменение ра-
диуса кратера. На этой же профилограмме показаны
расстояния между сечениями (hi). Если принять, что
при взрыве разрядной ячейки из нее выбрасывается
количество металла, равное 2/3 ее радиуса, тогда об-
щее количество выбросов металла между сечениями
равно:
S
S
r
h
K i
я
i
i 2
3
= . (5)
Здесь hi – расстояние между сечениями катодного
кратера; rя – радиус разрядной ячейки, равный 1,6⋅
10-4 см [3]; Si – площадь i-сечения, S - площадь 32
разрядных ячеек.
Тогда общее количество выбросов металла из
кратера за все время существования разряда в нем
∑
=
=
6
1i
ikf , (6)
и увеличение радиуса кратера в его верхней части
составит
смfrкр
4210,0 −=∆ . (7)
Вычисления дало значение 1,4⋅10-2 см, что
удовлетворительно согласуется с приведенной ранее
величиной роста радиуса кратера в процессе ваку-
умно-дугового разряда 0,75⋅10-2 см, полученной из
прямых измерений радиуса кратера в его верхней
части на профилограмме.
Таким образом, предложенный механизм образо-
вания крупных капель при вакуумно-дуговом разря-
де на медном катоде за счет оплавления стенок кра-
тера и выброса образующихся капель за его пределы
является вполне дееспособным. Причем, размеры
образующихся капель увеличиваются по мере
углубления кратера и роста площади его стенок.
Рис.2. Зависимость поверхности кратера от его
глубины
На рис.2 показана зависимость увеличения по-
верхности стенок кратера с ростом его глубины.
Видно, что этот рост не является прямолиней-
ным – на конечных стадиях горения дуги в кратере
прирост площади стенок становится меньше, и, сле-
довательно, замедляется рост диаметра формируе-
мых капель. Это может быть связано с тем, что на
начальных стадиях горения дуги разрядные ячейки
занимают на дне кратера большую площадь по срав-
нению с минимально возможной. По мере углубле-
ния кратера увеличивается расход энергии на про-
цессы оплавления стенок кратера большей площади
и на перегрев расплавленного металла. Для сохране-
ния баланса энергии в кратере поверхность, занима-
емая разрядными ячейками, уменьшается, что при-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.159 – 161.
160
водит к сужению конуса кратера, и прирост поверх-
ности стенок также уменьшается.
Можно заключить, что на завершающих стадиях
горения дуги в кратере на медном катоде хотя рост
диаметра капель и будет продолжаться, однако от-
носительная доля крупных капель останется, прак-
тически, неизменной.
Как видно из рис.1 профилограммы катодных
кратеров меди и титана аналогичны. В связи с этим
можно ожидать, что процессы формирования капель
будут также схожи как по размерам, так и по коли-
честву. В работе [8] показано, что относительная
доля крупных капель остается практически неизмен-
ной, хотя рост размеров капель наблюдается. И эта
закономерность сохраняется независимо от тока
дуги разряда.
К сожалению, необходимые данные по дуговому
разряду на молибденовом катоде отсутствуют. Од-
нако можно предположить, что в связи с более вы-
сокой упругостью пара и температурой плавления
молибдена (по сравнению с медью) энергетические
затраты для поддержания дугового разряда в катод-
ном кратере на молибдене выше, и разряд прекраща-
ется при меньшей глубине кратера, что приводит к
выбросу капель меньшего размера, и диаметр кра-
тера в верхней части также существенно меньше.
ВЫВОДЫ
1. Предложен механизм образования капель на
стенках кратера при вакуумно-дуговом разряде на
медном катоде, причем размер капель увеличивает-
ся при росте глубины кратера.
2. Показано, что за счет выброса металла со
стенок кратера увеличивается его диаметр.
Профили катодных кратеров измерял А.Н.-
Григорьев.
ЛИТЕРАТУРА
1.В.А Литвинов, Г.А.Месяц, Д.И. Проску-
ровский. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные
процессы при вакуумных разрядах // УФН. 1983,
т.139, в.2, с.293.
2. И.И.Аксенов, Е.Е.Кудрявцева и др. Исследова-
ние влияния давления газа в объеме на параметры
капельной фазы эрозии катода стационарной ваку-
умной дуги: Препринт ХФТИ. М.: ЦНИИатомин-
форм. 1984, с.17.
3. В.С.Павлов. Эволюция разрядной ячейки при
вакуумно-дуговом разряде на меди // Вопросы атом-
ной науки и техники. Серия «Физика радиационных
повреждений и радиационное материаловедение».
2004, №3, с.125.
4. И.Г.Кисаев. Катодные процессы электриче-
ской дуги. М.: "Наука", 1968, с.116.
5. G.W.McClure, Plasma expanionas a couse of met-
al displacement in Vacuum-arc cathode Spots // J.Appl.
Phys. 1971, v. 45, p. 2078.
6.Л.Харрис. Катодные процессы: Вакуумные ду-
ги. М.: "Мир", 1982, с.192.
7. Х. Хамидова, З.Л. Искандерова, Оценка темпе-
ратуры перегрева капель меди в стационарной ваку-
умной дуге // Материалы 7-й всесоюзной конферен-
ции, Взаимодействие атомных частиц с твердым
телом. Минск, 1984, с.299.
8. В.Д.Егоров, В.В.Клубович, А.А. Литвинов.
Фазовый состав плазмы, генерируемой стационар-
ной вакуумной дугой // Физика и химия обработки
материалов. 1992, №6, с. 69.
УТВОРЕННЯ КРАПЕЛЬ НА СТІНКАХ КРАТЕРА ПРИ ВАКУУМНО-ДУГОВОМУ
РОЗРЯДІ НА МІДНОМУ КАТОДІ
В.С. Павлов
Запропоновано механізм утворення крапель при вакуумно-дуговому розряді на мідному катоді, який
полягає в тому, що під дією іонів і електронів, які формуються в розрядних комірках на дні кратера, стінки
кратера оплавляються, розплавлений метал нагрівається вище температури плавлення і збирається в краплі
під дією потоку плазми. Краплі, що утворяться, викидаються з кратера. Процес продовжується доти, поки в
кратері зберігається позитивний баланс енергії. Метал, який викидається зі стінок кратера, приводить до
збільшення діаметра кратера, причому на поверхні катода діаметр кратера найбільший, тому що його стінки
піддаються іонно-електронному впливу максимальний час.
FORMATION OF DROPS ON CRATER WALLS AT VACUUM-ARC DISCHARGE
ON COPPER CATHODE
V.S. Pavlov
Mechanism of drops formation at vacuum-arc discharge on cow-r cathode is proposed; such mechanism
means that under the influence of ions and electrons forming in discharge cells on the crater bottom. the crater walls
burn-off, the melted metal heats to the temperature higher the melting point and as sembles into the drops under the
influence of plasma flow. The produced drops are ejected from crater. This process continues until the positive ener-
gy balance conserves in the crate. Metal ejected from crater walls causes the increase of crater diameter, this diame-
ter being the highest on the cathode surface, because its walls are under the ion-electron influence the maximum
time.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.159 – 161.
161
|