電磁炮電極表面受高密度電弧作用的燒蝕.docx

1、固體電極表面受高密度電弧作用的燒蝕中國科學院固體物理研究所（合肥,230031）陳小川【摘要】針對電磁軌道炮炮膛導電軌道電極表面受高密度電孤燒蝕的現(xiàn)象，計算了電弧中帶電粒子轟擊電板表面時，傳輸給電極表面的能流密度。結(jié)果表明：電弧中帶電粒子表擊電極表面時，將攜帶的熱運動動能、鞘層電位差勢能、離子復合能和冷凝熱傳輸給弧根處的電極表面區(qū)域.是引起電極表面燒蝕、產(chǎn)生宏觀垃坑的主要能量來源。Ate一、綃n在大電流電弧作用下，固體電極表面的燒蝕現(xiàn)象具有非常重要的理論意義和實用價值。電弧燒蝕涉及真空浙路部升新電流時的觸頭燒蝕.電磁軌道炮炮舛內(nèi)壁的高密度電河燒快等。關于賓空下電弧X寸電極表而的燒映現(xiàn)象.人們總

2、結(jié)出如下規(guī)律叫受到電弧作用的電極表面弧根處出現(xiàn)強發(fā)光的熱點時，電極表面將出現(xiàn)嚴重燒蝕。燒蝕程度還和電孤的電流大小、兩電極之間的距離有很大的關系。電弧燒蝕過程包括電弧等離子體和兩個電極表面之間的能墮傳遞、物質(zhì)傳遞和電荷傳遞。電弧等離于體傳遞給電極去面的能量密度對燒蝕程度起著決定性的作川,本文根據(jù)電磁軌道炮試驗中，炮膛內(nèi)壁軌道表面受到高密度電弧作用時出現(xiàn)的燒蝕現(xiàn)象，計算了高密度電弧等離子體中帶電粒和軌道電極表面碰撞時,所傳遞的各種能認，定性地分析了電極表面在高密度電弧作用F的燒蝕過程，以及陰極、陽極兩個電極表面和電弧等離子體在燒蝕過程中的相互影響。二、試驗條件和結(jié)果高密度電弧的發(fā)生及燒蝕試驗裝置是

3、由預加速器和電磁軌道炮組成的發(fā)射系統(tǒng)。預加速器中有兩個相互絕緣的電極，中間用一根金屬細絲聯(lián)接，細絲的周圍填充有金胰氫化為。電玳軌道炮內(nèi)長為3m的兩根金屬軌道和兩根絕緣軌道稅成一個內(nèi)徑為2.5cm們形炬咳見附圖）.兩根金屬軌道之間在技電前預先加上1000V以上的直流電壓.放電過程:利用脈沖電流將預加速器中的金屬細絲熔斷，引發(fā)電弧，點燃周圍的氫化物，產(chǎn)生高溫高壓的爆炸性氣態(tài)物質(zhì)。推動射彈進入軌道炮尾部，同時高溫高壓的氣態(tài)物質(zhì)也隨若擴散進入軌道炮兩導電軌道之間的空間，在導電軌道之間的電壓作用下立刻擊穿形成聯(lián)接兩導電軌道的電弧等離子體。在軌道電流的磁場作用下，這一電孤受洛倫茲3軌道炮炮膛內(nèi)引燃的電弧1

4、. 試驗結(jié)果軌道炮炮膛中的電弧等離子體基本參數(shù):從磁探針信號測得在發(fā)射期間炮膛電孤范圍約10cm,軌道表面任一點受到電孤的作用時間范圍在50150如根據(jù)射彈的內(nèi)彈道數(shù)據(jù)計算得到在炮膛尾部區(qū)域的電弧平均熱力學壓力在80200MPa之間。電孤平均電流密度s5X104A/cm2；電弧總電壓：300600V。2. 燒蝕結(jié)果每一次發(fā)射前，炮膛的溫度都保持在室溫，經(jīng)過34次發(fā)射后，將炮膛拆開，觀察導電軌道表面燒蝕程度。在燒蝕嚴重的炮膛尾部區(qū)域，燒蝕形貌表現(xiàn)為導電軌道表面上板不均勻地分布著深度達0.5-lu.m的慵坑.熔坑口的直徑約5mm°根據(jù)閂禪道數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得知汶-區(qū)域射博的速度變化率最大，

5、即電孤的粒孑密度和熱力學壓力最大。三、討論不均勻分布的燒蝕熔坑,表明電弧和電極表面的相互作用在港坑處最為強烈。在詼區(qū)域電極表面吸收的能流密度最大，從該區(qū)城通過燒蝕進入電弧的電極材料也最多。一般認為熔坑區(qū)域即是電弧等離子體和電極表面相接觸的弧根。弧根處，電弧等離子體和電極表面之間在進行強烈的能量交換和質(zhì)量交換的同時,還在孤根處進行電荷的交換，把電荷從一個電極傳遞到另一個電極，所以在弧根附近電弧等離子的帶電粒子密度最高電弧等離子體是由正電離子和電子組成的準電中性體系，在弧根處，處于熱運動狀態(tài)的離子和電子將轟擊電極表面，把所攜帶的各種能量傳遞給電極表面，引起電極燒蝕。1. 陰極表面弧根處電弧等離子體

6、中帶電粒子所傳遞的能量計算根據(jù)軌道炮發(fā)射試驗的參數(shù)，假設：(1)電弧中帶電粒子密度在弧根附近保持穩(wěn)定，處處相等，取值10*7cm3；(2)弧根處電弧中的原子全部電離成一價的正離子和電子5,=1019/cm(3)電弧介質(zhì)的熱力學溫度是2cV：7=7'i=2eV；(4)電極表面為平面。電弧中正離子和電子的熱運動速度差異會在電極表面形成鞘層電位差。當正離子從電弧擴散到電極表面就會被鞘層加速，增加能量。根據(jù)已知的參數(shù)Te=2cV；n.=1019/cn?,計算得到鞘層寬度DaDd=(§)*=3.324X1。-'cm假設:高子有效作用半荏。=幾：離子平均自由一=2.038x/2n

7、(r2ntX1Lcm。所以可以合理地假設離子經(jīng)過電極表面的鞘層時不會因為和其它粒子碰撞損失能量。陰極表面的鞘層電位差UpC7P=InIfe/eo允、扁分別為單位時間內(nèi)從電弧隨機地落到單位陰極表面上的擴散電子和正離子電流密度；j.在鞘層電場強度的作用下，從陰極表面發(fā)射的電子電流密度，j電弧中的表觀放電電流密度。已知試驗電弧中平均放電電流密度5X104A/cm。L=(l/4)X&XeX(8R7V兀=3.357X10，A/cmSJio=(l/4)Xn.XeX<8*T/jrmi),/,=1.7X105A/cm；)->.<o.1X)=0.1X5X104A/cm2jUp2-10.

8、8V。當由等離子體密度決定的電子擴散電流密度遠遠大于放電電流密度時，電極表而的鞘層電位差基本不變。從電弧隨機地飛到電極表面的一價離子都要受到鞘層的加速，增加運動能。并且在大的距離電極表面1A處，從表面奪得一個電子成為激發(fā)態(tài)中性原子，沉積在電極去面，放出多余的激發(fā)能和冷凝熱。w；-L（'竹）+1林：Q.電弧介質(zhì)原子的摩爾冷凝熱；N。一-阿伏伽德羅常數(shù)；電弧介質(zhì)離子的電離能；iv.電極材料的功函數(shù)。從電弧向陰電極表面擴散的電子被鞘層；（3HI.口兒成次"exp!沁,八叫，dr,di'>d%+，；cxp（*9）,"如果取電弧介質(zhì)為銅元素，等離子體密度/i=l

9、V1!,/cmJ»7，e=T'i=2eV；單位電極表血吸收的帶電粒子的轟擊能流密度可達4.、<WW/mL將達數(shù)值帶入表面熱傳導萬程，uf彳!到ifj電說權相處從宙溫升到熔點僅儀需幾,g的時間，電弧傳給電極表面的能垠.引起弧根"域熔化.形成熔池。熔池中的液態(tài)金屬在由孤爆炸性的脈沖壓力波作用下，從熔池向電郁噴濺，同時被撤裂成細小的液珠。液珠進入電弧后.熱交換條件改善,它們迅速地汽化成原子態(tài)的高溫汽體,在電弧中電子的碰撞下.電離成離子和電子，補充了電弧中因為擴散和夏合而損失的帶電粒子。電孤中帶電粒子發(fā)擊電極表面時交換的能量決定了電極的燒燭程度。蚓單位時間內(nèi)，單位面積

10、電極表面落卜的帶電粒子數(shù)目或巖電孤介質(zhì)中帶咆粒f密度控制門0，極的燒蝕。所以電孤介質(zhì)中帶電粒子密度是炒響電極燒蝕的重要因素.當兩個電極距離減小時，從電極表面噴濺出來的電極材料將會有更多的部分擴散至另-個電極表而附近，使共表面的電弧介質(zhì)密度增加當屯極距離增加時，電極相對于電弧的./體角減小，弧中帶電粒子大部分將向四周擴散.而不是向電極擴散。因此電極距離減小，電極燒蝕量增加四、結(jié)論中位時間、單位陰電極表面上沉積的正離r所放出的總能量、.J*11減速后，凡是熱運動能大于HUp；的電子將克服勢壘，進入電極，經(jīng)過和品格碰撞，最終成為材料中費米能級的電子。單位時間單位電極表而吸收電弧中電子所攜帶的能量可用

11、卜式表示,-”；）（p；十f；-r4）!入1. 電弧等離子體中帶電粒子表擊電極表此I寸，所交換的能蟄是引起電極燒蝕的最主要的能地.2. 電瓠中帶電粒子密度較高，單位時間內(nèi)單位電極面積所吸收的表擊能也越多，電極燒蝕也越嚴重，3. 電板表面材料在弧根處吸收J'電弧的fiUit，形成融熔液相，在電孤的蒸汽壓力作用卜,向四周噴濺，產(chǎn)生燒蝕熔坑。參考文獻IMarkLehrFandKristiansenMagnc.ElectrodeErosionFromHigh（'urrentMovingArcs.IEEETrans.PlasmaSei.Vol.17,No.5,p811817,1989BedfordAJ.RailDamageinaSmallCalibreRail-gun.IEEETrans.Mag.VolMag20,No.2,p348351,19843KimblinCW.AreviewofArcingPhenomenainVecuumandintheTransitiontoAtomsphcr