ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

3. Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона.

3.4. Катод с дисковой вставкой

Критической точкой цилиндрической катодной вставки является центральная точка на рабочей поверхности, причиной этого является то, что тепло в плохо проводящей вставке вынуждено уходить не вниз, в тело вставки, а вбок, к ближайшей границе с теплопроводной медью. Однако есть и другой путь - укоротить путь вниз по сравнению с латеральным, т.е. изменить соотношение размеров цилиндрической вставки, превратив ее в плоский диск. Правда, толщину диска желательно оставить достаточно большой (эрозия все-таки существует, так что долговечность катодной вставки определяется еще и тем, сколько материала допустимо распылить или испарить с поверхности, прежде чем во вставке образуется дыра).

В свете этих соображений было решено исследовать режимы работы катода со вставкой диаметром 6 мм и толщиной 3 мм в той же медной основе. Результаты представлены на рис. 19 -22.

	Рис. 19. Распределение температуры в катоде с дисковой вставкой из гафния при тепловой нагрузке на вставку 50 Вт/мм2 (левый рисунок) и 32 Вт/мм2 (правый рисунок). Ось симметрии системы соответствует левой границе каждого рисунка. Красная кривая соответствует температуре плавления гафния.
	Рис. 20. Распределение температуры в катоде с дисковой вставкой из циркония при тепловой нагрузке на вставку 50 Вт/мм2 (левый рисунок) и 30 Вт/мм2 (правый рисунок). Ось симметрии системы соответствует левой границе каждого рисунка. Красная кривая соответствует температуре плавления циркония.
	Рис. 21. Распределение температуры в катоде с дисковой вставкой из железа при тепловой нагрузке на вставку 50 Вт/мм2 (левый рисунок) и 28 Вт/мм2 (правый рисунок). Ось симметрии системы соответствует левой границе каждого рисунка. Красная кривая соответствует температуре плавления железа.

Видно, что различие между цирконием и гафнием и при такой геометрии несущественно. При той же плотности теплового потока 50 Вт/мм² центральная часть дисковой вставки плавится на глубину около 0,8 мм; правда, здесь эта плотность потока соответствует току дуги уже не 100 А, а в четыре раза больше. Температура плавления дисковой вставки начинается при плотности теплового потока 31 Вт/мм², т.е. при токе дуги около 250 А.

Почти такая же ситуация наблюдается для железной вставки (рис. 21). Плавление начинается уже при 28 Вт/мм², так что предельный ток на вставку не превышает 200-210 А.

Рис. 22. Распределение температуры в катоде с дисковой вставкой из ниобия при тепловой нагрузке на вставку 50 Вт/мм2 (левый рисунок) и 100 Вт/мм2 (правый рисунок). Ось симметрии системы соответствует левой границе каждого рисунка. Голубая кривая соответствует температуре плавления ниобия.

Совершенно иная картина наблюдается в катодах со вставкой из ниобия (рис. 22). Ток дуги в 400 А (соответствующий тепловой нагрузке 50 Вт/мм²) здесь уже не в состоянии довести до плавления материал на поверхности вставки. Чтобы довести вставку до плавления, приходится увеличить ток почти вдвое. При этом хорошо видно, что толщину дисковой вставки можно было бы и увеличить без существенного ухудшения теплоотвода.

Учитывая, что по мере работы катода его центральная часть подвергается эрозии за счет испарения или катодного распыления материала, интересно было посмотреть, как будет меняться поле температур в таком "сработанном" катоде. Предположив для простоты, что эрозия образует по центру ямку, имеющую сферическую поверхность радиусом 5 мм, посмотрим, как ведет себя катод с гафниевой вставкой (как на рис. 19) по мере углубления этой эрозионной ямки.

Результат расчета этой модели показан на комплексном рисунке 23.

Рис. 23. Изменение распределения температуры в катоде с дисковой вставкой из гафния по мере эрозии его приосевой части. Числа на каждом из рисунков соответствуют глубине эрозионной ямки (в миллиметрах). Цветовая шкала температур для каждого рисунка - своя, вверху указана максимальная (для данного рисунка) температура. Голубая (на первом рисунке - красная) линия соответствует температуре плавления гафния. Верхний ряд рисунков соответствует ситуации, когда тепловой поток поступает только на поверхность гафния, нижний ряд рисунков - когда этот тепловой поток поступает на всю рабочую поверхность катода, включая и медную подложку.

Сравнивая рисунки этой серии, можно отметить, что при определенном утонении гафниевой вставки область максимальной температуры смещается от центра в сторону границы вставки. А поскольку ток дуги предпочитает замыкаться на наиболее горячую часть катода, то начиная с определенного момента катод с дисковой вставкой начнет вести себя как кольцевой катод.

Катод с выступающей вставкой

Оглавление

Композитный катод