Диссертация (1025198), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

На движение катодных пятен при этом оказываютвлияние микронеровности катода, загрязнения поверхности (в том числе тонкиеоксидные плёнки) и самосогласованное магнитное поле. В арочном магнитномполе инициация новых катодных пятен происходит в направлении смещенияприкатодной плазмы, противоположном силе Ампера. Таким образом, в83арочном магнитном поле движение катодных пятен носит управляемый,направленный характер.Рисунок 3.13.Характерные кратеры на поверхности катода дугового испарителя (материалкатода титан ВТ1-0, индукция арочного магнитного поля 50 мТл)Оценка времени жизни tж катодного пятна по результатам скоростнойсъёмки даёт значение между 10 мкс и 50 мкс. Для более точного определениявремени жизни можно оценить динамику роста количества катодных пятен.При времени экспозиции меньшем, чем время жизни, количество катодныхпятен постоянно.

При большем времени – количество катодных пятенувеличивается пропорционально времени экспозиции (Рисунок 3.14).абРисунок 3.14.Динамика увеличения числа катодных пятен при увеличении времениэкспозицииа – схема; б – эмпирическая зависимость (ток разряда 100 А, индукцияарочного магнитного поля 7 мТл)84Время жизни катодного пятна для титана и меди в арочном магнитномполе и при его отсутствии, вычисленное по приведённой методике, приведено вТаблице 3.5. С увеличением индукции арочного магнитного поля (сувеличением скорости движения катодных пятен) время жизни катодного пятнауменьшается, что особенно выражено для меди.

Это приводит к снижениювремени разогрева поверхности катода и, следовательно, уменьшениюколичества жидкого металла в области горения катодного пятна.Времена жизни катодных пятенМатериалTiCuТаблица 3.5.Время жизни катодного пятна, мкс0 мТл6,5 мТл28,5±3,623,6±3,1324±3148,0±4,2Следует отметить, что согласно модели катодного пятна ЮттнераКлеберга [34], катодное пятно состоит из одной или нескольких элементарныхкатодных привязок (subspot, cathode spot cells), горящих в пределах кратеракатодного пятна, показанного на Рисунке 3.13.

Элементарные ячейки послегашения катодного пятна оставляют на дне кратера характерные углубленияразмером от 1 до 10 мкм. Этот размер соответствует размерам кратеров,оставляемых на полированном катоде движущейся катодной привязкой(Рисунок 3.15).Приведённые значения времени жизни катодного пятна существеннобольше значений, вычисленных в работе [15] (от 62 нс до 5,6 мкс), так как вприведённом источнике исследовались кратеры, оставленные ячейкамикатодного пятна (эктонами) при движении по полированной поверхностикатода. Время работы дугового испарителя составляло не более 0,5 с.

Внастоящей работе исследовались кратеры на эродированном катоде, которыйработал в номинальном режиме не менее 5 минут. Характер движениякатодного пятна по полированному катоду и по эродированному имеетсущественные отличия.85Рисунок 3.15.Кратеры, оставленные ячейками катодного пятна вакуумной дуги (эктонами) наповерхности полированного катода (алюминий А955, ток разряда 100 А)С другой стороны траекторию движения катодных пятен можнопредставить в виде ломанной кривой с многочисленными ответвлениями. Приувеличении индукции арочного магнитного поля наравне с увеличениемскорости движения катодного пятна происходит всё большее спрямлениетраектории движения (Рисунок 3.16). Отчасти этим объясняется наблюдаемыйв [10, 21, 22] предел увеличения скорости движения катодной привязки.абРисунок 3.16.Схематическое представление трека катодных пятена – индукция арочного магнитного поля 2,5 мТл; б – индукция арочногомагнитного поля 12,5 мТл86Таким образом, изменение характера движения катодных пятен схаотического на упорядоченный не приводит напрямую к наблюдаемомуснижению эмиссии капель, так как подобное изменение траектории не можетвлиять на процессы в катодном пятне и локальную температуру катода.

Но приувеличении индукции арочного магнитного поля снижается время жизникатодного пятна, что напрямую связано с временем воздействия тепловыхпотоков на локальную область катода и с образованием объёма расплавленногометалла в области кратера. Снижение времени жизни катодного пятна являетсявозможной причиной подавления образования капельной фазы в катодномпятне при наложении внешнего арочного магнитного поля.3.5.Исследование формы профиля зоны эрозии катодаДвижущаяся в арочном магнитном поле по замкнутой траекториикатодная привязка формирует определённый профиль зоны эрозии катода [138141], который имеет вид канавки. Профиль зоны эрозии катода был измерен спомощью слепка на дуговом испарителе с арочным магнитным полем.Эксперимент проводится на новом катоде из титана ВТ1-0. Дляформирования зоны эрозии катод работал в непрерывно в течении 20 минутпри токе 100 А и величине магнитного поля 5 мТл.

Аналогичные испытаниябыли сделаны при величине магнитного поля 12,5 мТл при том же токе разрядаи времени испытания 25 минут (Рисунок 3.17).Рисунок 3.17.Проработанный катод со сформированным профилем зоны эрозии87После работы дугового испарителя в области зоны эрозии на поверхностикатода изготавливался слепок профиля с помощью металлопластилина.Поперечныйшлифполученногоопечаткасканировалсясизвестныммасштабом (Рисунок 3.18).абРисунок 3.18.Поперечный шлиф отпечатка профиля эрозии катодаа – индукция магнитного поля 5 мТл; б – индукция магнитного поля 12,5 мТлРасстояние между опорной линией и границей отпечатка даёт профильзоны эрозии катода (Рисунок 3.19).

Полученные профили h(r) при различныхиндукциях арочного магнитного поля приведены на Рисунке 3.20.Рисунок 3.19.Измерение профиля зоны эрозии катода1 – опорная линия; 2 – линия профиля; 3 – высоты профиля в точкахизмеренияПрофилихорошоописываетсяфункциейГауссасвеличинойдостоверности аппроксимации R2 0,99 и 0,98 соответственно. Таким образом,профили зон эрозии можно описывать функцией Гаусса с достаточнойточностью в виде [142]: (r − R) 2 =h(r ) H 0 exp  −2ω 2 ,(3.3)88где H0 – максимальная глубина зоны эрозии; r – переменное значение радиуса;R – смещение максимума распределения; ω – среднее квадратическоеотклонение, пропорциональное ширине зоны эрозии и соответствует глубинезоны эрозии H0exp(-0,5).абРисунок 3.20.Профиль зоны эрозии катода и его аппроксимация функцией Гауссаа – индукция магнитного поля 5 мТл; б – индукция магнитного поля12,5 мТлВ случае расчёта профиля зоны эрозии применять функцию Гаусса втаком виде неудобно, так как непосредственно из шлифа слепка профиля зоныэрозии определяется полная ширина зоны эрозии 2W.

Для удобства выражениефункции Гаусса можно переписать в другом виде, где ширина зоны эрозии 2Wвходит явно:89 (r − R) 2 ,=h(r ) H 0 exp  −2 2(α f ⋅ W ) (3.4)где α f ⋅W =ω , αf – константа, W – измеренная полуширина зоны эрозии.Величина постоянного коэффициента αf может быть найдена из условия,что значение функции h(r) в точке r= R ± W составляет 0,01Н0: ( R + W − R)2 ,0, 01H 0 =H 0 ⋅ exp  −2  2(α f ⋅ W ) откуда=αf1≈ 0,33 .2 ln(10)Величина максимальной глубины зоны эрозии H0 может быть найдена изобъёма испарённого материала. С одной стороны, объём испарённогоматериала может быть вычислен по известной геометрии профиля зоны эрозии,с другой стороны, он оценивается из известной скорости эрозии материалакатода m , времени процесса эрозии t, тока разряда Ip и плотности материалакатода ρ (3.5):∞ 2π∞ (r − R) 2  (r − R) 2 exp−=2expRHdφdrπRHV =∫0 ∫0 0  2( A ⋅W )2 ∫0 0 − 2( A ⋅W )2 drV = m ( B) ⋅ I p ⋅ tρ(3.5)Определённый интеграл, входящий в (3.5), является неберущимся иможет быть вычислен численно в зависимости от ширины зоны эрозии W ирадиуса положения максимума профиля эрозии R:V ≈ 0, 41 ⋅ 2π RH 0W(3.6)Решая совместно уравнения системы (3.5) с учётом (3.6) получим:H0 =m ( B) ⋅ I p ⋅ t0, 41 ⋅ 2π R ⋅ W ( I p , B) ⋅ ρ.(3.7)Таким образом, итоговое выражение для оценки профиля зоны эрозиикатода при фиксированном радиусе движения катодной привязки:90(r − R) 2 ()exphrH=⋅−02  0, 2W ( I p , B ) m ( B ) ⋅ I p ⋅ t H 0 = 0, 41 ⋅ 2π R ⋅ W ( I , B ) ⋅ ρpW = W ( I p , B )(3.8)Таким образом, зная ширину зоны эрозии в арочном магнитном полеW(Ip, B), положение центра арки R, скорость эрозии материала m , плотностькатода ρ и время работы t, можно оценить максимальную глубину профилязоны эрозии H0 и профиль его сечения h(r).В уравнение (3.4) входит величина, характеризующая ширину зоныэрозии W, которая была получена с помощью натурных испытаний.

Характеристики

Список файлов диссертации