Разработана теоретическая модель теплообмена металлической капли с неравновесной плазмой, учитывающая термоэлектронную эмиссию с поверхности капли. Расчетные зависимости стационарной температуры микрокапель от концентрации плазмы приведены на рис. 1. Установлено, что возможны два принципиально различных квазистационарных режима теплообмена: низкотемпературный (нижняя ветвь кривых на рис. 1) и высокотемпературный (термоэмиссионный, верхняя ветвь). Показано, что переход в термоэмиссионный режим сопровождается зажиганием так называемого капельного пятна (термоэмиссионной униполярной дуги на поверхности капли), обнаруженного авторами ранее в условиях слаботочной вакуумной дуги. При появлении интенсивной термоэлектронной эмиссии потенциал капли сравнивается с потенциалом плазмы, и за счет роста хаотического потока плазменных электронов поток тепла на каплю резко увеличивается. Это вызывает существенное повышение температуры капли и, соответственно, ее более интенсивное испарение.

Высокая эффективность испарения микрокапель при горении капельных пятен продемонстрирована экспериментально методом сравнительного анализа осадков капель на подложках, полученных в двух различных режимах горения вакуумного дугового разряда длительностью 300 мкс и током 50 А. Эксперименты проводились в разрядной ячейке Пеннинга. Катодное пятно возбуждалось на выполненной из различных материалов вставке одного из плоских катодов ячейки. Подложка для сбора осадка капель располагалась за отверстием во втором плоском катоде ячейки на расстоянии 3 см от катодного пятна. В первом режиме магнитное поле в разрядной ячейке отсутствовало, то есть никаких специальных мер для испарения капель в струе катодной плазмы не предпринималось. Во втором режиме в пеннинговской ячейке создавалось магнитное поле напряженностью 1.3 кЭ и зажигался сильноточный отражательный разряд, т.о. создавались условия для дополнительной ионизации вещества катодной струи. В первом режиме измеренные величины концентрации и температуры электронов в плоскости второго катода составили (6—8)*10¹¹ см^-3 и 3—4 эВ, соответственно, а во втором режиме – (3—4)*10¹² см^-3, 6—8 эВ.

Для катодов, изготовленных из лекгоплавких материалов (Ga, Cu) существенного изменения количества капель в осадке при переходе от одного режима к другому не наблюдалось. Типичные распределение микрокапель по размерам для обоих режимов с катодом из Zr приведены на рис. 2. В этом случае как наибольший размер капель, так и их количество при переходе от первого ко второму режиму разряда существенно уменьшались. Наибольшие отличия наблюдались в средне- и крупнодисперсных частях распределений (d > 1 мкм), где количество капель одного размера отличалось в 4—6 раз.

Для циркониевых капель реализуемые в эксперименте параметры плазмы в основной части разрядной ячейки были близки к минимальным, необходимым для реализации термоэмиссионного режима теплообмена капли с плазмой (зажигания капельного пятна). В этих условиях повышение концентрации и температуры электронов в плазме при переходе от первого режима разряда ко второму оказалось решающим для поддержания функционирования капельных пятен и, как следствие, для эффективного испарения капель. В случае медного катода достигаемые в условиях эксперимента параметры плазмы слишком далеки от необходимых для зажигания капельных пятен. Это и объясняет отсутствие разницы в параметрах осадка капель в случае медного катода. Полученные результаты открывают путь существенного снижения загрязнения плазмы вакуумных дуговых разрядов капельной фракцией.

Рис. 1. Расчетные зависимости стационарной температуры капель от концентрации окружающей плазмы: 1 — вольфрам, kTe = 4 эВ; 2 — медь, kTe = 4 эВ; 3 – цирконий, kTe = 4 эВ; 4 – цирконий, kTe = 8 эВ.

Рис 2. Распределения капель Zr в осадке по диаметрам Nd в первом (1) и втором (H=1.3 кЭ) режимах (2).

Лаборатория вакуумной электроники, заведующий д.ф.-м.н. Проскуровский Д. И.;
лаборатория теоретической физики, заведующий д.ф.-м.н. Козырев А. В.