ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

3. Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона.

3.6. Катод с кольцевой вставкой

Композитный катод - решение очень интересное, но для своей реализации в идеальном варианте требует достаточно серьезных технологических ухищрений (прессование пучка регулярно расположенных проволок, и т.п.). Кроме того, рабочая площадь реального катода в трубчатом плазмотроне довольно ограничена размером центральной части дна катодного стакана. И, наконец, материал предыдущих разделов наводит на мысль, что пара противоречивых требований к поверхности катода (максимальная температура для электронной эмиссии и "неохлаждения" плазменного шнура и минимальная температура для повышения ресурса катода) реализуется в наибольшей степени при макроскопических размерах элементов композитного катода.

В связи с этим рассмотрим еще один вариант сложного катода - кольцевая вставка из высокотемпературного металла в медной основе. Цель этого конструктивного решения состоит в том, чтобы увеличить рабочую площадь высокотемпературной части катода с одновременным улучшением теплоотвода, который в данной конструкции осуществляется как периферийным медным окружением кольца, так и центральным медным столбиком.

а)

б)

Рис. 32. Распределение температуры в приповерхностных слоях медного катода с кольцевой вставкой из гафния (а) и циркония (б). Мощность теплового потока в обоих случаях равнялась 30 Вт/см2, высота вставки - 5 мм, внутренний и внешний радиусы - 6 и 9 мм, высота всего катода - 10 мм. Левая граница рисунка соответствует осевой линии катода. Черными линиями показаны контуры вставки. Темносиней линией показана изотерма 1356К (плавления меди).

Сравнение гафния и циркония в данной конструкции (см. рис. 32) выявляет близость их свойств в качестве материала кольцевой вставки, поэтому дальнейшие результаты были получены с гафнием, как более высокотемпературным металлом из этой пары.

На рис. 32 кольцо удалено от центра довольно далеко, а, как известно, катодное пятно большую часть времени предпочитает проводить вблизи центра, поэтому была проведена серия численных экспериментов с различными геометрическими размерами кольца.

а)	б)	в)
Рис. 33. Распределение температуры в приповерхностных слоях медного катода с гафниевой кольцевой вставкой различных размеров: внешний диаметр - 6 мм, внутренний - 4 мм (а), 4 и 2,7 мм (б) и 2,7 и 1,9 мм (в). Мощность теплового потока во всех случаях равнялась 30 Вт/см2, высота вставки - 5 мм, высота всего катода - 10 мм. Левая граница рисунка соответствует осевой линии катода. Черными линиями показаны контуры вставки. Темносиней линией показана изотерма 1356К (плавления меди).

На рисунке 33 представлены картинки распределения температур в катодах с гафниевыми кольцами разного диаметра при соотношении внутреннего и внешнего радиусов кольца, равном полутора. Видно, что при таком соотношении медь внутреннего столбика, находящаяся в наиболее напряженном по теплопритоку положении, при тепловом потоке 30 Вт/мм² не плавится ни при каких размерах кольца. Более того, по мере миниатюризации кольцевого катода изотерма 1356К захватывает все меньший объем катода. Запас возможностей теплоотвода в центральном медном стержне настолько хорош, что добавление еще одной вставки из гафния (см. рис. 34) все равно не приводит к плавлению меди.

а)	б)	в)
Рис. 34. Распределение температуры в приповерхностных слоях медного катода с двумя кольцевыми гафниевыми вставками при различных комбинациях размеров: диаметры - 12х18 и 3,8х5,4 мм (а), 8х12 и 3,8х5,4 мм (б) и 12х18 и 5,4х8 мм (в). Мощность теплового потока во всех случаях равнялась 30 Вт/см2, высота вставки - 5 мм, высота всего катода - 10 мм. Левая граница рисунка соответствует осевой линии катода. Черными линиями показаны контуры вставки. Темносиней линией показана изотерма 1356К (плавления меди).

На рис. 35 показаны профили распределения температуры для катодов с более толстыми кольцами (соотношение диаметров уже не 1:1,5, а 1:2). Видно, что по мере увеличения элементов катода условия теплоотвода становятся все хуже: если на рис. 35а не плавится ни медь, ни гафний, то на рис. 35в поверхностный слой гафния расплавлен почти полностью, центральный медный стержень тоже по бокам начал плавиться.

а)	б)	в)
Рис. 35. Распределение температуры в приповерхностных слоях медного катода с гафниевой кольцевой вставкой различных размеров: внешний диаметр - 5,4 мм, внутренний - 2,7 мм (а), 8 и 4 мм (б) и 12 и 6 мм (в). Мощность теплового потока во всех случаях равнялась 30 Вт/см2, высота вставки - 5 мм, высота всего катода - 10 мм. Левая граница рисунка соответствует осевой линии катода. Черными линиями показаны контуры вставки. Темносиней пунктирной линией показана изотерма 1356К (плавления меди).Верхний предел цветовой шкалы температур (для всех трех рисунков) соответствует температуре плавления гафния (2493К).

Композитный катод

Оглавление

Катод с фигурной вставкой