Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования процесса формирования эрозионного следа на гладкой поверхности вольфрамового катода вакуумного дугового разряда. Отработана методика подготовки образцов с максимально чистой и гладкой поверхностью путем переплавки. Полученные эрозионные следы были затем исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа. На основе анализа изображений электронного микроскопа разработана методика расчета среднего времени формирования кратеров на катоде. В результате проведенных экспериментов при токе дуги -3 А определен диапазон диаметров образующихся кратеров и среднее время их формирования, которые составили 4-5 мкм и 16 нс, соответственно. При этом эти параметры были одинаковыми для разрядов как длительностью 90 нс, так и длительностью 160 нс. 2. Разработана двумерная осесимметричная модель образования кратеров на вольфрамовом катоде вакуумного дугового разряда. Показано, что в целом процесс формирования кратера можно разделить на два этапа. На первом “активном” этапе во время функционирования ячейки катодного пятна вакуумной дуги происходит основной процесс образования кратера. На втором этапе после прекращения тока в ячейке происходит лишь небольшое его остаточное формирование за счет конечного времени жизни расплава и инерциального движения выплескивающейся из кратера жидкометаллической фазы. Главная роль жидкометаллической фазы на втором этапе заключается в формировании жидкометаллических струй, инициирующих процесс капельной эмиссии из катодного пятна. Рассчитанные в ходе моделирования параметры процесса образования кратера на вольфрамовом катоде хорошо совпадают как с экспериментальными данными, полученными нами в рамках данного проекта, так и с другими известными экспериментальными результатами. 2.1 Проведено двумерное кинетическое моделирование (с использованием методов частица-в-ячейке и Монте-Карло) генерации и разлета токонесущей плазмы катодного пятна вакуумной дуги в межэлектродном промежутке 10 мкм. Получено, что зависимость плотностей потоков частиц, импульса и энергии за пределами катодного пятна от радиуса R описывается функцией вида F(R)=F0 R^a. Для ионных плотностей потока, импульса и энергии параметр а равен -2.44, -2.3, -2.3 соответственно. Показано, что давление на катод в пятне определяется четырьмя компонентами: реактивным давлением испаряемых атомов, давлением возвращающихся на катод атомов, давлением ионов и электростатическим давлением. Полная удельная сила отдачи на катод в нашем случае 4.6 дин/А, что согласуется с экспериментальными данными. 3. Проведено моделирование взрыва вольфрамового микровыступа на катоде под действием тока взрывной электронной эмиссии. Исследование динамики изменения фазового вещества вольфрамового катода при взрыве микровыступа показало, что объем зоны расплава под микровыступом при его взрыве существенно меньше, чем в случае медного катода, поэтому образующийся кратер имеет небольшую глубину. Из-за небольшой области расплава в случае вольфрамового катода на границе кратера имеется небольшой бруствер, в отличие от медного катода, для которого формируется ярко выраженная неоднородность, которая с большой вероятностью приведет к инициированию нового взрывоэмиссионного центра при воздействии на нее прикатодной плазмы. 4. Создана установка и получены экспериментальных данные по изменению полного тока дуги и его углового распределения в сильноточной вакуумной дуге с током до 13.5 кА и длительностью импульса тока ~ 20 мкс, горящей на катодах различного диаметра со средней плотностью тока более 10^5 А/см^2. В результате исследования потока ионов плазмы сильноточной вакуумной дуги получено, что ионный ток распространяется в широком угле до 50°. Максимум тока находится в более узком угле 20 – 30 градусов. При уменьшении диаметра катода, а следовательно увеличение плотности тока, при неизменном полном токе дуги полный ионный ток растет с увеличением плотности тока на катоде. 5. Разработана модель гибридной катодной привязки сильноточной вакуумной дуги с характерной средней плотностью тока на катоде 10^5-10^6 А/см^2. Показано, что высокая средняя плотность тока приводит к нагреву поверхности катода. При достаточной длительности импульса тока температура поверхности катода может превысить температуру кипения, после чего начинается интенсивное испарение, что приводит к резкому увеличению эрозии с катода. Проведена серия расчетов для медного катода для конфигурации электродов аналогичной конфигурации, использованной в экспериментах по п.4. В расчетах получено резкое увеличение ионной эрозии и соответствующего ионного тока при переходе к наименьшему в серии экспериментов катоду радиусом 1 мм, что качественно согласуется с экспериментальным результатом п.4. данного отчета. 6. С использованием разработанной нами модели, получены данные о влиянии состояния поверхности катода на параметры дуговой плазмы, напряжение горения дугового разряда и условия функционирования ячеек катодного пятна. На примере вольфрамового катода показано, что при наличии примесных атомов на поверхности экспериментально наблюдаемое снижение среднего заряда ионов вольфрама в дуговой плазме с 3+ до 1.5+ связано с уменьшением тока ячейки катодного пятна. Из-за присутствия в дуговой плазме ионов легких примесей (водорода, углерода, кислорода и т.д.) уменьшается и скорость ионной эрозии (г/Кл). Снижение тока ячейки в свою очередь приводит к уменьшению до примерно 1+ среднего заряда ионов вольфрама в дуговой плазме. Также установлено, что, в отличие от чистых вольфрамовых катодов, при смешивании плазменных струй отдельных ячеек катодного пятна не происходит существенного увеличения среднего заряда ионов в дуговой плазме. 7. Проведено численное исследование процесса коммутации плоского вакуумного промежутка в рамках разработанной кинетической модели. Показано, что в зависимости от величины пропускаемого через вакуумный промежуток тока могут существовать два режима коммутации: устойчивый режим и неустойчивый квазипериодический режим. В устойчивом режиме стадия искры переходит в квазистационарную дугу. В неустойчивом режиме перехода в квазистационарную дугу не происходит. Показано, что причиной возникновения неустойчивого режима коммутации является развивающаяся в плазме токовая неустойчивость, приводящая к быстрому распаду плазмы катодного факела и частичному восстановлению электрической прочности вакуумного промежутка. Кроме того, показано, что возникающие в плазме токовые неустойчивости способствуют уширению и сдвигу распределений по энергиям ионов, достигших анода. Полученные результаты моделирования качественно объясняют различия в экспериментальных данных по энергетическим спектрам ионов на аноде, полученных разными исследователями.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Разработана методика энерго-масса- зарядового анализа потока плазмы вакуумных разрядов с субмикросекундным временным разрешением. В данной методике используется метод парабол Томсона в комбинации с разрывом плазмы и дополнительным ускорением ионов плазмы внешним электрическим полем. Временное разрешение достигается применением электрического затвора открывающегося импульсом напряжения, подаваемого с задержкой относительно момента зажигания разряда. Время открытия затвора порядка половины микросекунды. Преимуществом данного метода является возможность каждый момент времени получить полную информацию об энергетическом и масс-зарядовом составе потока плазмы. С помощью данной методики был проанализирован квазистационарный дуговой разряд на медном катоде с током 15 А и длительностью 330 мкс, а также короткие разряды с током 40 А длительностью 2 и 3.5 мкс. В квазистационарном случае были получены данные для различных стадий разряда. Была получена зависимость среднего заряда ионов меди от времени. Среднее зарядовое состояние ионов меди в установившемся разряде составляет 1.7-1.9. Также было показано, что энергии ионов начальной стадии разряда (до 400 эВ) существенно выше, чем в основной дуговой стадии (до 200 эВ). Для коротких разрядов на медном катоде показано появление фракций с энергиями до нескольких сотен эВ и средним зарядом до 2.6. При увеличении длительности разряда с 2-х до 3.5 мкс удалось разделить потоки высокоэнергетических ионов, которые можно связать с начальной и конечной стадиями разряда. Генерация таких ионов в начальной стадии, вероятно связана неустойчивым режимом горения разряда. В то время как ионы с энергиями до 50 эВ и средним зарядом 1.5–1.6 возникают в течение всего разрядного процесса. 2. Разработана и реализована двумерная осесимметричная нестационарная гибридная модель плазменной струи истекающей из катодного пятна вакуумной дуги. В гибридной модели ионы описываются при помощи метода частицы-в-ячейке, а электроны описываются как безмассовая жидкость при соблюдении условия квазинейтральности. В рамках разработанной модели проведено моделирование формирования плазменной струи, истекающей из группового катодного пятна на медном катоде. Исследованы два сценария перемешивания струй из отельных ячеек группового пятна. В первом случае предполагается идеальное перемешивание, при котором начальные радиальные компоненты ионных скоростей полностью исчезают при перемешивании. Предполагается, что этот режим возникает при дополнительной генерации плазмы за счет парообразования с горячей поверхности катода между отдельными ячейками пятна. Нагрев поверхности катода учитывается самосогласованно. Моделировались плазменные струи из групповых пятен радиусом 10, 20, 40, 80 микрон при токе 70 А. Показано, что в силу дополнительной ионизации в области объединенной плазменной струи среднее зарядовое состояние ионов может достигать 3-х, при малых размерах группового пятна, т.е. в начале функционирования разряда, не смотря на существенную дополнительную эрозию нейтральных атомов. Второй сценарий перемешивания представляет собой смешивание сверхзвуковых струй, истекающих из центра и с внешней границы группового пятна. Моделировались групповые пятна радиусом 100 и 200 микрон при токе 100 А. В этом случае формируются более узкие, чем в случае идеального перемешивания, плазменные струи. Вблизи внешней границы объединенной струи в этом случае формируется скачок уплотнения, который сохраняется на длине всего расчетного промежутка. 2.1 Проведено одномерное и двумерное кинетическое моделирование (с использованием методов частица-в-ячейке с учетом моделирования кулоновских столкновений) разлета токонесущей плазмы катодного пятна до перемыкания плазмой межэлектродного промежутка катод-анод и установления квазистационарного дугового режима. В двумерной осесимметричной геометрии моделировались промежутки 50 и 100 микрон, в одномерной сферически симметричной геометрии моделировались промежутки от 50 микрон до 1.2 мм для дуг с током порядка одного ампера. Обнаружено, что в дуговой плазме, в которой плотность частиц спадает приблизительно обратно пропорционально расстоянию от катода, и в которой электронный ток переносится в основном градиентом давления, в направлении разлета формируется бимаксвелловская функция распределения электронов по скоростям. Электроны со скоростями меньше некоторой критической скорости охлаждаются при расширении плазмы. Электроны со скоростями выше критической “убегают” от кулоновских столкновений. На некотором расстоянии от катода формируется значительная фракция супратермальных электродов. В результате увеличивается относительное количество очень быстрых электронов, но уменьшается наиболее вероятная скорость, вследствие чего эффективная проводимость плазмы уменьшается. 3. Разработана и реализована двухфазная полуэмпирическая гидродинамическая модель кратерообразования на композитных CuCr катодах вакуумного дугового разряда. Данная модель осуществляет решение полной задачи электро-тепло-массопереноса при функционировании ячейки катодного пятна вакуумной дуги на поверхности CuCr композитного катода. Параметры взаимодействия плазмы катодного пятна определяются на основе экспериментальных данных. Модель включает в себя решение системы уравнений Навье-Стокса, уравнение теплопроводности с учетом поверхностного и объёмного Джоулева источников тепла, а также конвективного теплоотвода, обусловленного движением расплава. На основе результатов моделирования в рамках разработанной модели показано, что функционирование ячеек катодного пятна на каплях, образованных при формировании микрократеров на поверхности катода, приводит к их растеканию по поверхности и образованию нерегулярных пленок фазы внедрения. В случае, когда капля хрома находится на медной поверхности, рост температуры не только замедляется в фазе растекания капли (как это происходит в случае однородного катода), но и она существенно падает с уменьшением толщины капли хрома за счет более эффективного отвода тепла в медную подложку посредством теплопроводности. Отмечено, что данный эффект может приводить к прекращению тока в ячейке катодного пятна и ее гибели. Для слоистой структуры в эродированном приповерхностном CuCr катоде показано, что наличие пленочной фазы внедрения, как на поверхности, так и на расстоянии порядка глубины образующегося кратера, существенно влияет на тепловые процессы в катоде. За счет более низкой теплопроводности хрома присутствие пленки приводит к повышению температуры катода. Особенно это существенно, когда фаза хрома присутствует или выступает на поверхность катода. В целом рассмотренные гидродинамические процессы ведут к изменению морфологии приповерхностного слоя CuCr контактов прерывателя тока в направлении уменьшения размеров фазы хрома и ее более однородному распределению, что согласуется с экспериментальными данными.