Изучение физических основ работы плазмотрона с продольной прокачкой (алплаз-04)

Курс "Физические основы генерации концентрированных потоков энергии" - один из основных при подготовке специалистов по специальности "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов". С появлением электронно-лучевой, плазменно-дуговой и лазерной технологий, обеспечивающих высокие удельные плотности энергии в пятне обработки, появилось понятие концентрированных потоков энергии.

Любой технологический процесс предполагает воздействие на материал (физическое или химическое) в энергетической форме. Принципиально все технологические процессы различаются энергетическими условиями воздействия на материал. Это воздействие может быть термическим, механическим, химическим и радиационным. К числу таких источников относят газовое пламя, электрический разряд, электрическую дугу, световой луч и т.п. Вариации таких источников создают многообразие технологических методов обработки материалов. В данных методических указаниях рассматриваются источники для локального термического воздействия на материал с помощью потока плазмы.

Понимание физических основ генерации плазменного потока энергии позволит будущему специалисту успешно применять свои знания при использовании источников КПЭ в современных технологиях.

При увеличении давления до нормального и выше увеличение силы разрядного тока (до 1 ампера) приводит к постепенному переходу аномального тлеющего разряда в новый характерный тип разряда — дуговой. Для дугового разряда характерен совершенно иной механизм горения разряда: выход электронов из катода происходит уже не за счет γ - процессов, а за счет механизма термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. Обычно преобладающим является механизм термоэлектронной эмиссии; при котором плотность электронного тока с катода определяется обычной формулой Ричардсона — Дешмена [1].

Так как при дуговом разряде ток эмиссии электронов с катода равен силе разрядного тока, то для этого типа разряда характерно отсутствие лавинных процессов, причем область катодного падения потенциала U_K имеет протяженность, приблизительно равную длине свободного пробега электрона. Величина катодного падения потенциала U_K имеет значение порядка потенциала ионизации данного газа. Дуговой разряд с нагретым катодом имеет две разновидности. Во-первых, при достаточно большом давлении газа температура катода, требуется для поддержания необходимой плотности электронного тока с катода, обеспечивается за счет энергии, выделяющейся на катоде при бомбардировке его положительными ионами. Этот механизм позволяет осуществить переход от аномального тлеющего разряда с холодным катодом к дуговому разряду. Другая разновидность дугового разряда — разряд при пониженном давлении газа с искусственно подогретым до нужной температуры катодом. Для этого типа дугового разряда характерны два режима: свободный и несвободный. При свободном режиме катода разрядный ток в трубке равен или меньше того электронного тока эмиссии, который может эмитироваться катодом при данной температуре. При несвободном режиме дугового разряда начального тока эмиссии недостаточно и нужны дополнительные механизмы увеличения выхода электронов с катода. Таким механизмом является дополнительный нагрев катода при его ионной бомбардировке.

Итак, дуговой разряд происходит при большой плотности тока и напряжении между электродами порядка нескольких десятков вольт. Он является результатом интенсивного испускания термоэлектронов раскаленным катодом. Электроны ускоряясь электрическим полем производят ударную ионизацию молекул газа уменьшая электрическое сопротивление газового промежутка между электродами. При увеличении силы тока дугового разряда проводимость газового промежутка настолько сильно возрастает, что напряжение между электродами дуги падает (падающая вольтамперная характеристика,). Температура катода (при атмосферном давлении) достигает 3000°С. Бомбардировка электронами анода создает в нем углубление — кратер дуги, с температурой около 4000°С (при р = 760 мм рт. ст.). Температура газа в канале электрической дуги 5000 - 6000°С. Если дуговой разряд происходит при сравнительно низкой температуре катода (например, ртутная дуговая лампа), то основную роль играет холодная эмиссия электронов из катода.