Исследование ресурса термоэмиссионных катодов генераторов азотной плазмы

Плазменные технологии, широко внедряемые в современные производственные процессы, нуждаются для своей реализации в генераторах плазмы с высокой эффективностью, экономичностью и высоким ресурсом. Последнее требование связано с необходимостью повышения ресурса работы наиболее теплонапряженных элементов плазмотронов – электродов, и прежде всего их катодных узлов. Наибольшее распространение в устройствах сильноточных плазмотронов $(I = 300$–$1000$ A$)$, работающих в безкислородной среде (инертные газы – азот, водород), получили термоэмиссионные катоды из вольфрама – самого тугоплавкого металла с температурой плавления $T_{\text{пл}} = 3695$ K. К середине 80-х годов, благодаря обнаружению и использованию явления рециркуляции ионов материала электрода в зоне катода, удалось снизить эрозию охлаждаемого термокатода до $G = 10^{–10}$ г/Кл. Настоящее исследование, выполненное с использованием плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги, затрагивает такие важнейшие вопросы, как измерение тока эмиссии, определение эрозии материала катода, анализ путей повышения ресурса термоэмиссионного катода. В результате выполненных исследований и ресурсных испытаний плазмотрона названного типа с токами $300$–$500$ А, с рабочим газом азотом определены требования к катоду и режимы работы плазмотрона, обеспечивающие его низкие эрозионные потери $G \le 10^{-10}$ г/Кл при температуре поверхности катода, близкой к температуре его плавления. Наблюдаемые в эксперименте плотности токов электронной эмиссии на порядок величины превышают плотности, рассчитанные по теории Ричардсона–Дэшмана с поправкой Шоттки и учетом фотоэмиссии на катоде под действием резонансного излучения, генерируемого положительным столбом дуги. В этой связи обращено внимание на механизм аномальной электронной эмиссии, предложенный С.В. Лебедевым и связанный с возникновением дефектов Френкеля, сопровождающимся деформацией кристаллической решетки, увеличением энергии Ферми и, соответственно, уменьшением работы выхода электронов из металла. Полученные оценки концентрации дефектов Френкеля в вольфраме при предплавильных температурах служат убедительным доводом в пользу концепции аномальной электронной эмиссии.