Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. В серии экспериментов по измерению напряжения горения дуги с W-fuzz образцами установлено, что его величина незначительно зависит от толщины наноструктурированного слоя. В течение первых импульсов напряжение горения существенно ниже и составляло от 19 В для катодов с толщиной fuzz 0,75 и 2.2 мкм до 21,6 В для катода с толщиной ~ 4.2 мкм. Затем, для всех образцов напряжение горения возрастает до значений, характерных для обычных чистых вольфрамовых катодов (~30 В). На первых импульсах в дуговой плазме присутствуют в основном однозарядные ионы вольфрама и ионы примеси с наименьшим потенциалом ионизации – углерода, доля двухзарядных ионов вольфрама уменьшается с ростом толщины fuzz от 5% для 0,75 мкм до 1 % для 4,2 мкм. С ростом количества импульсов по мере разрушения fuzz структуры средний заряд ионов вольфрама в дуговой плазме возрастает до значений характерных для обычных вольфрамовых катодов. 2. Разработан и создан экспериментальный стенд, который включает в себя частотную методику кондиционирования электродов субнаносекундными разрядными импульсами на базе твердотельного генератора импульсного напряжения Proto–1M. Проведено успешное тестирование работы экспериментального стенда во всех режимах работы. Согласно полученным предварительным данным в результате кондиционирующей обработки субнаносекундными импульсами эродированного медного образца напряжение пробоя и соответствующая пробивная напряженность поля увеличились более чем в 8,5 раз, а коэффициент локального усиления электрического поля снизился более чем в 11 раз. Такие результаты позволяют говорить о перспективности предложенного и исследуемого нами метода кондиционирования субнаносекундными импульсами. 3. Создана экспериментальная установка и разработана методика по измерению пороговых параметров дугового разряда с W-fuzz катодами без вспомогательного поджига разряда. Методика основана на измерении вероятности перехода пробоя в дуговой разряд при питании его высоковольтным источником с постоянным напряжением. Использован высоковольтного импульсный кабельный генератор для пробоя вакуумного промежутка триггер – катод и одновременного питания дуги. Методика апробирована в экспериментах с чистыми вольфрамовыми катодами. За значение порогового было взято значение тока, когда вероятность подхвата дуги превышает 50% при длительности разряда 100 нс. Для чистого вольфрама определенное таким образом значение порогового составляет примерно 1.33 А. После отработки методики измерения в экспериментах с чистыми вольфрамовыми катодами была проведена серия контрольных экспериментов с W-fuzz образцами. В результате этих экспериментов установлено, что токи при которых длительность разряда превосходит сотню наносекунд существенно ниже и находятся в диапазоне 50 – 100 мА. 4. Проведенный анализ фотографий треков катодных пятен на W-fuzz образцах с различной толщиной fuzz позволил сделать следующие выводы. При малой толщине происходит небольшое оплавление fuzz структуры по границе трека, условий для появления капельной фракции эрозии катода в этом случае не возникает. Иная ситуация наблюдается при увеличении толщины fuzz. Застывшие капли отчетливо видны на границе трека и даже на некотором удалении от нее. Внутри трека fuzz структура практически полностью расплавлена, образуется достаточно обширная зона расплава с застывшими струями и формирующимися на их концах каплями. Это позволяет с высокой степенью уверенности говорить о том, что с ростом толщины fuzz слоя происходит плавление fuzz и возникают условия для появления капельной фракции эрозии W-fuzz образцов при дуговом разряде. На основе проведенного теоретического анализа было установлено, что при малой толщине fuzz слоя скорость его разрушения (перехода в плазменное состояние) столь высока, что оплавляется только малая часть fuzz структуры и условия для появления капельной фракции дуговой эрозии отсутствуют. При большой толщине возрастает время функционирования ячейки пятна, что приводит к появлению достаточно большой зоны расплава, радиус которой примерно в 2 раза превышает зону разрушения. Под действием давления разлетающейся плазменной струи происходит разбрызгивание расплавленной fuzz структуры. При этом доля капельной фракции может быть столь высока, что уже при токе дуги 30 А радиационные потери термоядерной плазмы могут достигать 60 % мощности нагрева термоядерной плазмы. 5. Модифицированная модель предпробойных процессов, самосогласованно учитывающая процессы эмиссии и нагрева микровыступа, изменения его геометрической формы после плавления, была использована для исследования процессов нагрева медных микровыступов, имеющих коэффициент усиления электрического поля β в диапазоне 48÷65 во внешнем поле с напряженностью 225 МВ/м. Согласно расчетам, процесс разогрева микровыступа можно разделить на две стадии. На первой стадии происходит просто нагрев до образования расплава в вершине микровыступа преимущественно за счет поверхностного эмиссионного источника тепла (эффект Ноттингама) практически при постоянных значениях напряженности внешнего электрического поля и плотности эмиссионного тока. На второй стадии образующийся на вершине микровыступа расплав приходит в движение под действием сил со стороны электрического поля и сил поверхностного натяжения. Этот процесс существенно увеличивает скорость развития тепловой неустойчивости вследствие быстрого роста напряженности электрического поля и плотности эмиссионного тока. Согласно результатам моделирования, пороговое значение β, значение микроскопического поля на вершине и время запаздывания развития пробоя соответствует известным экспериментальным данным. Это позволяет нам предположить, что именно разогрев микровыступов на катоде с высокими коэффициентами усиления поля является основным процессом, приводящим к вакуумному пробою в наносекундном диапазоне времен его развития. 6. Продемонстрировано, что при превышении локальной напряженностью электрического поля некоторого порогового значения при анализе динамики развития неустойчивости свободной границы жидкого металла во внешнем электрическом поле возникает необходимость учета вязких эффектов. Пороговое поле зависит от параметров жидкости – ее плотности, коэффициента поверхностного натяжения и вязкости – и составляет для жидких металлов (в частности, для расплавленной меди) примерно 10^8 В/см. Для описания вязких эффектов предложена относительно простая нелинейная модель. В ее рамках продемонстрировано, что вязкость, с одной стороны, приводит к задержке момента формирования особенности на свободной поверхности жидкости и, с другой стороны, влияет на вид особенностей – усиливает степень заострения поверхности. Важно, что при локальных полях в 10^8 В/см, т.е. близких к пороговым, происходит плавление естественных выступов субмикронного масштаба на поверхности катода за счет протекания через них автоэмиссионного тока. Тогда электрогидродинамическая неустойчивость границы расплава, описываемая предложенной моделью и приводящая к неограниченному заострению границы, обеспечивает локальное усиление электрического поля и, как следствие, ускоряет процессы вакуумного пробоя.