Скоростная визуализация процессов эрозии и разрушения катодов
Заведующий сектором В.Ф.Чиннов,
Аспирант Горячев С.В.
В данном обзоре будут представлены результаты скоростной визуализации процессов эрозии и разрушения W-катода, полученные высокоскоростной камерой VS-Fast, производства ЗАО «НПК Видеоскан», на сильноточном электродуговом плазматроне с расширяющимся анодным каналом.
Принципиальная схема исследовательского электродугового сильноточного плазматрона и расположение высокоскоростной камеры:
1. Плазмотрон с расширяющимся анодным каналом; 1.1 - водоохлаждаемый катод;
1.2 - сопло; 1.3 - анод; 3. - Высокоскоростная видеокамера VS-FAST.
Параметры используемой камеры VS-Fast
В камере VS-FAST используется 1.3 мегапиксельный (1280 на 1024 пикселя) CMOS-сенсор фирмы Micron. Камера обеспечивает ввод изображений со скоростью до 488 полных кадров в секунду. При уменьшении изображения пропорционально возрастает максимальная частота кадров.
Параметры проводимого эксперимента
Диапазон токов: 200 – 400 А, диапазон расходов газа (N2): 1 – 3 г/с.
Параметры съемки
Увеличение видеоизображений: порядка 10 раз.
Электронная корректировка изображения: отсутствует.
Экспозиция: 2 мкс.
Межкадровая задержка: 300 – 350 мкс.
Видеосъемка производилась с использованием светосильного объектива «Гелиос 40», проектирующего на матрицу изображение системы «катод-прикатодная плазма» в масштабе 4:1.
Результаты исследования процессов эрозии и разрушения катода, полученные методом скоростной визуализации, проиллюстрированы на нижеследующих рисунках.
Рис.1. Последовательность из 5 кадров, следующих через 300 мкс,
с экспозицией кадра 2 мкс, и масштабная линейка с делением 1 мм. Ток дуги 200 А, расход азота 1 г/с.
На рисунке 1 зафиксирован отрыв фрагмента W-катода с линейным размером около 0,2 мм. Видно, что отрыву предшествовало оплавление шейки конического «носика» катода, выполненного из вольфрамового прутка диаметром 5 мм. Охлаждение катода водой осуществляется по схеме «труба в трубе» с поступлением воды в медную обойму электрода по его оси.
Рис.2. Последовательность кадров, следующих через 350 мкс, с экспозицией кадра 2 мкс,
масштаб тот же, что и на предыдущей фотографии. Ток дуги 350А, расход азота 1,5 г/с.
На рисунке кадре сверху и третьем снизу рисунка 2 наблюдается отрыв от катода микрочастиц размером менее 0,05мм. На всех кадрах видно, что некоторую часть площади катода, на которую замыкается электрическая дуга, занимает жидкофазное состояние вольфрама
Рис.3. Последовательность кадров, следующих через 350 мкс, с экспозицией кадра 2 мкс,
масштаб тот же, что и на предыдущих фотографиях.
Ток дуги 200 А, расход азота 2 г/с.
На рис.3 еще одна иллюстрация отрыва большого фрагмента катода (~0,2 мм), произошедшего без заметного предварительного оплавления «шейки» в результате развития поперечной трещины в головке катода.
Рис.4. Последовательность кадров, следующих через 350 мкс, с экспозицией кадра 2 мкс,
масштаб тот же, что и на предыдущей фотографии.
Ток дуги 200 А, расход азота 2 г/с.
На рис.4 представлен еще один вид уноса с катода жидкой фазы вольфрама под воздействием тангенциально закрученного потока плазмообразующего газа азота. На предпоследнем кадре заметна потеря плазменной струей цилиндрической симметрии вследствие стекания капли металла вниз.
Рис.5. Последовательность кадров, следующих через 350 мкс,
с экспозицией кадра 2 мкс, масштаб тот же, что и на предыдущей фотографии.
Ток дуги 200 А, расход азота 2 г/с.
Рис.5 иллюстрирует тот факт, что при используемом типе охлаждения катода, даже при небольших для данного типа плазматрона токах, довольно значительная площадь катода в зоне токоотбора занята жидкой фазой вольфрама. Это приводит к значительной величине эрозии материала катода, - в проведенных опытах она составила более 10 -9 г/К.
Смотрите также: