电磁炮电极表面受高密度电弧作用的烧蚀.docx

1、固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孤烧蚀的现象，计算了电弧中带电粒子轰击电板表面时，传输给电极表面的能流密度。结果表明：电弧中带电粒子表击电极表面时，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根处的电极表面区域.是引起电极表面烧蚀、产生宏观垃坑的主要能量来源。Ate一、绡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。电弧烧蚀涉及真空浙路部升新电流时的触头烧蚀.电磁轨道炮炮舛内壁的高密度电河烧快等。关于宾空下电弧X寸电极表而的烧映现象.人们总

2、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。烧蚀程度还和电孤的电流大小、两电极之间的距离有很大的关系。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堕传递、物质传递和电荷传递。电弧等离于体传递给电极去面的能量密度对烧蚀程度起着决定性的作川,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和轨道电极表面碰撞时,所传递的各种能认，定性地分析了电极表面在高密度电弧作用F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

3、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胰氢化为。电玳轨道炮内长为3m的两根金属轨道和两根绝缘轨道税成一个内径为2.5cm们形炬咳见附图）.两根金属轨道之间在技电前预先加上1000V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若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3轨道炮炮膛内引燃的电弧1

4、. 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孤范围约10cm,轨道表面任一点受到电孤的作用时间范围在50150如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80200MPa之间。电孤平均电流密度s5X104A/cm2；电弧总电压：300600V。2. 烧蚀结果每一次发射前，炮膛的温度都保持在室温，经过34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板不均匀地分布着深度达0.5-lu.m的慵坑.熔坑口的直径约5mm°根据闩禅道数据分析结果，得知汶-区域射博的速度变化率最大，

5、即电孤的粒孑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港坑处最为强烈。在诙区域电极表面吸收的能流密度最大，从该区城通过烧蚀进入电弧的电极材料也最多。一般认为熔坑区域即是电弧等离子体和电极表面相接触的弧根。弧根处，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,还在孤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，在弧根处，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

6、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10*7cm3；(2)弧根处电弧中的原子全部电离成一价的正离子和电子5,=1019/cm(3)电弧介质的热力学温度是2cV：7=7'i=2eV；(4)电极表面为平面。电弧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Te=2cV；n.=1019/cn?,计算得到鞘层宽度DaDd=(§)*=3.324X1。-'cm假设:高子有效作用半荏。=几：离子平均自由一=2.038x/2n

7、(r2ntX1Lcm。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UpC7P=InIfe/eo允、扁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；j.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，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。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1A处，从表面夺得一个电子成为激发态中性原子，沉积在电极去面，放出多余的激发能和冷凝热。w；-L（'竹）+1林：Q.电弧介质原子的摩尔冷凝热；N。一-阿伏伽德罗常数；电弧介质离子的电离能；iv.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；（3HI.口儿成次"exp!沁,八叫，dr,di'>d%+，；cxp（*9）,"如果取电弧介质为铜元素，等离子体密度/i=l

9、V1!,/cmJ»7，e=T'i=2eV；单位电极表血吸收的带电粒子的轰击能流密度可达4.、<WW/mL将达数值带入表面热传导万程，uf彳!到ifj电说权相处从宙温升到熔点仅仪需几,g的时间，电弧传给电极表面的能垠.引起弧根"域熔化.形成熔池。熔池中的液态金属在由孤爆炸性的脉冲压力波作用下，从熔池向电郁喷溅，同时被撤裂成细小的液珠。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.电离成离子和电子，补充了电弧中因为扩散和夏合而损失的带电粒子。电孤中带电粒子发击电极表面时交换的能量决定了电极的烧烛程度。蚓单位时间内，单位面积

10、电极表面落卜的带电粒子数目或岩电孤介质中带咆粒f密度控制门0，极的烧蚀。所以电孤介质中带电粒子密度是炒响电极烧蚀的重要因素.当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-个电极表而附近，使共表面的电弧介质密度增加当屯极距离增加时，电极相对于电弧的./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，电极烧蚀量增加四、结论中位时间、单位阴电极表面上沉积的正离r所放出的总能量、.J*11减速后，凡是热运动能大于HUp；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

11、卜式表示,-”；）（p；十f；-r4）!入1. 电弧等离子体中带电粒子表击电极表此I寸，所交换的能蛰是引起电极烧蚀的最主要的能地.2. 电瓠中带电粒子密度较高，单位时间内单位电极面积所吸收的表击能也越多，电极烧蚀也越严重，3. 电板表面材料在弧根处吸收J'电弧的fiUit，形成融熔液相，在电孤的蒸汽压力作用卜,向四周喷溅，产生烧蚀熔坑。参考文献IMarkLehrFandKristiansenMagnc.ElectrodeErosionFromHigh（'urrentMovingArcs.IEEETrans.PlasmaSei.Vol.17,No.5,p811817,1989BedfordAJ.RailDamageinaSmallCalibreRail-gun.IEEETrans.Mag.VolMag20,No.2,p348351,19843KimblinCW.AreviewofArcingPhenomenainVecuumandintheTransitiontoAtomsphcr