二体电极表面受高密度电弧作用的烧蚀•中国科学院固体物理研究所（合肥,230031）陈小川【摘 要】 针对电磁轨道炮炮膛导电轨道电极表面受高密度电弧烧蚀的现象, 计算了电弧中带电粒子轰击电极表面时，传输给电极表面的能流密度结果表明：电 弧中带电粒子轰击电极表面时，将携带的热运动动能、鞘层电位差势能、离子复合能 和冷凝热传输给弧＞1艮处的电极表面区域，是引起电极表面烧蚀、产生宏观熔坑的主要 能量来源一、绪 n在大电流电弧作用下，固体电极表面的 烧蚀现象具有非常重要的理论意义和实用价 值电弧烧蚀涉及真空演路袖开浙电流时的 触头烧蚀⑴、电磁轨道炮炮臆内壁的高密度 电孤烧蚀、⑵等关于真空下电弧对电极表面 的烧蚀现象,人们总结出如下规律叫受到电 弧作用的电极表面弧根处出现强发光的热点 时，电极表面将出现严重烧蚀烧蚀程度还和 电弧的电流大小、两电极之间的距离有很大 的关系⑴电弧烧蚀过程包括电弧等离子体 和两个电极表面之间的能量传递、物质传递 和电荷传递电弧等离子体传递给电极表面 的能量密度对烧蚀程度起着决定性的作用C 本文根据电磁轨道炮试验中，炮膛内壁轨道 表面受到高密度电弧作用时出现的烧蚀现 象，计算了高密度电弧等离子体中带电粒了 和轨道电极表面碰撞时,所传递的各种能堂, 定性地分析了电极表面在高密度电瓠作用下 的烧蚀过程，以及阴极、阳极两个电极表面和 电弧等离子体在烧蚀过程中的相互影响。
二、试验条件和结果高密度电弧的发生及烧蚀试验装置是由 预加速器和电磁轨道炮组成的发射系统预 加速器中有两个相互绝缘的电极，中间用一 根金属细丝联接，细丝的周围填充有金属氢 化物电说轨道炮由长为3m的两根金属轨 道和两根绝缘轨道组成一个内径为2. 5cm 的圆形炬腔（见附图）两根金属轨道之间在 ，放电前预先加上1 ooov以上的直流电压放电过程:利用脉冲电流将预加速器中 的金属细丝熔断，引发电弧，点燃周围的氢化 物，产生高温高压的爆炸性气态物质推动射 弹进入轨道炮尾部，同时高温高压的气态物 质也随着扩散进入轨道炮两导电轨道之间的 空间，在导电轨道之间的电压作用下立刻击 穿形成联接两导电轨道的电弧等离子体在 轨道电流的磁场作用下，这一电孤受洛伦兹 力的作用运动，继续推动射弹前进°\2附图 轨道炮炮膛内电弧烧蚀示意图1 — 绝缘电极;2-导电电极；3 轨道炮炮膛内引燃的电弧 1*试验结果轨道炮炮膛中的电弧等离子体基本参 数:从磁探针信号测得在发射期间炮膛电弧 范围约10cm,轨道表面任一点受到电孤的作 用时间范围在50~150uso根据射弹的内弹 道数据计算得到在炮膛尾部区域的电弧平 均热力学压力在80〜200MPa之间。
电孤平 均电流密度：5X104A/cm2；电弧总电压：300 〜600V2.烧蚀结果每一次发射前，炮膛的温度都保持在室 温，经过3〜4次发射后，将炮膛拆开，观察导 电轨道表面烧蚀程度在烧蚀严重的炮膛尾 部区域，烧蚀形貌表现为导电轨道表面上极 不均匀地分布着深度达的帽坑 熔坑口的直径约5mm：根据内禅:道数据分析 结果，得知这-•区域射弹的速度变化率最大, 即电孤的粒子密度和热力学压力最大三、讨论不均匀分布的烧蚀熔坑,表明电弧和电 极表面的相互作用在熔坑处最为强烈在该 区域电极表面吸收的能流密度最大，从该区 域通过烧蚀进入电弧的电极材料也最多一 般认为培坑区域即是电弧等离子体和电极表 面相接触的孤根孤根处，电弧等离子体和电 极表面之间在进行强烈的能量交换和质量交 换的同时,还在弧根处进行电荷的交换，把电 荷从一个电极传递到另一个电极，所以在弧 根附近电弧等离子的带电粒子密度最高电弧等离子体是由正电离子和电子组成 的准电中性体系，在孤根处，处于热运动状态 的离子和电子将轰击电极表面，把所携带的 各种能量传递给电极表面，引起电极烧蚀1 .阴极表面弧根处电弧等离子体中带电 粒子所传递的能量计算根据轨道炮发射试验的参数，假设：(1) 电弧中带电粒子密度在弧根附近保持稳定, 处处相等，取值弧根处电弧中 的原子全部电离成一价的正离子和电子 10I9/cm3i (3)电弧介质的热力学温度 是2eV:Tt=Ti = 2eV； (4)电极表面为平面。
电孤中正离子和电子的热运动速度差异会在 电极表面形成鞘层电位差当正离子从电弧 扩散到电极表面就会被鞘层加速，增加能量根据已知的参数T,= 2cV ； Tie = 1019/ cn?,计算得到鞘层宽度Da£>d= ( ~ )2 =3. 324XICT" cme n您假设:离子有效作用半役眼离子平均自由曷=展=2. 038X 1C- 7 cm所以可以合理地假设离子经过电极表面 的鞘层时不会因为和其它粒子碰撞损失能 量阴极表面的鞘层电位差Up扁、九分别为单位时间内从电弧随机地落到 单位阴极表面上的扩散电子和正离子电流密 度；je—在鞘层电场强度的作用下，从阴 极表面发射的电子电流密度⑸；j——电弧中的表观放电电流密度已知试验电弧中平均放电电流密度］= 5X104 A/cm2；7«0= (1/4) Xn«XeX {ZkT/nmty/2= 3.357Xl(y A/cm2；,io = (1/4) XmXeX (8bT= 1. 7 X 10s A/cm；1X)=0. 1X5X1O4 A/cm2；UpQ —10.8 V当由等离子体密度决定的电子扩散电流 密度远远大于放电电流密度时，电极表而的 鞘层电位差基本不变。
从电弧随机地飞到电 极表面的一价离子都要受到鞘层的加速，增 加运动能并且在大的距离电极表面1 A处, 从表面夺得一个电子成为激发态中性原子， 沉积在电极表面，放出多余的激发能和冷凝 热乎•位时间、单位阴电极表面上沉积的正 离子•所放出的总能量小站 + （Eion-Wc）——电弧介质原子的摩尔冷凝热；N一-阿伏伽德罗常数；Em— -电弧介质离了的电离能；*「一电极材料的功函数°从电弧向阴电极表面扩散的电子被鞘层；; ； 〃七 3 - //?,减速后，凡是热运动能大于mu」的电子将 克服势垒，进入电极，经过和品格碰撞，最终 成为材料中费米能级的电子单位时间单位 电极表而吸收电弧中电子所携带的能量可用 卜•式表示C）U'；3《 十尺"— \ efJp J Xdcd%ds+ ；'cxp（亍罗）. Wc如果取电弧介质为铜元素，等离子体榕 度 /z = 10lv/cni\7,F=Ti=2eV ；单位电极表面 吸收的带电粒子的轰击能流密度可达4入 106W/em\将这■•数值带入表由热传导方 程,而得到阴电极弧根处从常温升到熔点仅 仅霸儿个g的时间,电抓传给电极表面的能量，引起弧根任 域埒化,形成熔池。
熔池中的液态金属在电弧 爆炸性的脉冲压力波作用下，从熔池向电弧 喷漱，同时被撒裂成细小的液珠液珠进入电 弧后，热交换条件改善,它们迅速地汽化成原 子态的高温汽体，在电弧中电子的碰撞下.电 离成离了和电子，补充了电弧中因为扩散和 复合而损失的带电粒子〉电孤中带电粒子成 击电极表面时交换的能量决定了电极的烧烛 程度.则单位时间内，单位面积电极表面落卜 的带电粒子数目或者电弧介质中带电粒于密 度控制J'电极的烧蚀所以电孤介质中带电 粒子密度是影响电极烧蚀的重要因素两 个电极距离减小时，从电极表面喷溅出来的 电极材料将会有更多的部分扩散至另一个电 极表而附近，使其表面的电弧介质密度增加 当电极距离增加时，电极相对于电弧的力.体 角减小，弧中带电粒子大部分将向四周扩散. 而不是向电极扩散因此电极距离减小，电极 烧蚀ft增加四、结论1. 电弧等离子体中带电粒子轰击电极表 面时，所交换的能量是引起电极烧蚀的最主 要的能量2. 电弧中带电粒子密度较高，单位时间 内单-位电极面积所吸收的轰击能也越多，电 极烧蚀也越严重＜电极表面材料在弧根处吸收r电弧的 能也形成融熔液相，在电孤的蒸汽压力作用 下•向四周喷溅，产生烧蚀熔坑。
参考文献1 Mark Lehr F and Kristiansen Magnc. Electrode Erosion From High Current Moving Arcs. IEEE Trans. Plasma Sci. V（）1.17,No.5,p811〜817,19892 Bedford A J. Rail Damage in a Small Calibre Rail-gun. IEEE Trans, Mag. Vol Mag — 20,No. 2,p348〜35] , 19&13 Kimblin C W. A review of Arcing Phe nomena in Vecuum and in the Transi tion to Atomspheric Pressure Arc. IEEE Frans. Plasma Sci. Vol. 10, No. 4,p322 〜330,19821 Donaldson A L et al. Electrode Erosion in High Current ,High Energy Transient Arcs. IEEE Trans. Mag. Vol. 22,N“. 6, 1986（收稿日期：1997-11-18）。