Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Фундаментальной задачей проекта является исследование физических процессов в вакуумном дуговом разряде с композитными и газонасыщенными катодами с целью выявления взаимосвязи между электро - теплофизическими параметрами и свойствами материалов катодов с параметрами и характеристиками дуговой плазмы. Практической задачей проекта является использование полученных результатов исследований и достигнутого понимания основных физических процессов в вакуумном дуговом разряде с композитными и газонасыщенными катодами в конкретных устройствах реального применения (сильноточные дуговые прерыватели тока, нейтронные трубки и ряд других устройств). На отчетный период (2018 год) планировалось выполнение следующих основных задач: 1. Модернизация экспериментальных стендов и диагностического оборудования применительно к исследованию вакуумного дугового разряда с композитными и газонасыщенными катодами в условиях и с параметрами, реализуемыми в дуговых прерывателях тока, и источников ионов дейтерия для генераторов интенсивных потоков нейтронов. 2. Исследование процессов формирования масс-зарядового состава плазмы вакуумной дуги с композитными катодами в дуговых прерывателях тока для материалов катодов с различным долевым соотношением компонентов. 3. Исследование влияния параметров дугового разряда на процессы генерации ионов дейтерия в дуговой разрядной системе с газонасыщенным катодом. 4. Разработка модели и расчет ионизационного состава плазмы импульсной сильноточной вакуумной дуги на композитном катоде. 5. Разработка модели и расчет процесса десорбции дейтерия при функционировании ячейки катодного пятна в зависимости от степени насыщения циркониевого катода. Все запланированные работы за отчетный период выполнены. Получены следующие результаты: 1.Модернизирован экспериментально-диагностический стенд для изучения процессов в вакуумном дуговом разряде с композитными и газoсодержащими катодами. В экспериментальном стенде реализованы конструктивные дополнения, позволяющие существенным образом расширить его диагностические возможности. Стенд оснащен источником ионов Mevva-5.Ru с ускоряющим напряжением до 60 кВ. Источник обеспечивает импульсный ток ионного пучка длительностью от 10 мкс до 400 мкс и амплитудой до нескольких сотен миллиампер. Для измерения масс-зарядового состава ионного пучка используется времяпролетный масс-спектрометр оригинальной конструкции. Система электропитания экспериментального стенда обеспечивает параметры дугового разряда и внешнего магнитного поля, близкие к аналогичным удельным параметрам вакуумных прерывателей и нейтронных трубок. 2. Исследован масс-зарядовый состав плазмы вакуумной дуги с электродами из композита на основе меди и хрома, применяемого в вакуумных прерывателях тока, при моделировании типичных параметров, реализуемых в этих устройствах. Именно этот параметр остается наименее изученным, хотя присутствие в плазме дуги многозарядных ионов может оказать существенное влияние на процессы деградации плазмы и время обрыва тока. В качестве пары катод – анод использовались два материала на основе меди и хрома с относительным содержанием этих элементов в материале 50/50 % и 70/30 %, соответственно, предоставленных отечественным производителем вакуумных прерывателей. Для этих композитов получены экспериментальные данные по эволюции масс-зарядового спектра ионного компонента плазмы в течение импульса тока дуги, в также по влиянию тока дуги и внешнего магнитного поля на зарядность и состав ионов дуговой плазмы. 3.Проведены исследования вакуумного дугового разряда с катодом из циркония, насыщенного дейтерием до 40 ат. %. Получены экспериментальные данные по временной задержке импульса тока извлеченных из плазмы ионов относительно тока дугового разряда. Измерены направленные скорости ионов циркония различных зарядовых состояний а также ионов дейтерия от длительности импульса тока дуги. Определены оптимальные параметры дугового разряда, обеспечивающих максимальную долю ионов дейтерия в плазме. В используемом диапазоне параметров импульсов тока дуги влияние частоты повторения импульсов на масс-зарядовый состав не обнаружено. 4. Проведена модификация разработанной ранее двумерной гибридной модели разлета плазменной струи вакуумной дуги для проведения расчетов в 2.5-мерной осесимметричной геометрии. Отработка модели проводилась при расчетах плазмы слаботочной дуги в сильном аксиальном магнитном поле (АМП). Полученная при расчетах комбинация пространственных распределений параметров плазмы и нейтральных атомов приводит к определенному распределению светимости столба плазмы. Установлено, что яркость катодного пятна не зависит от АМП, а яркость прианодной области увеличивается с увеличением АМП, что соответствует экспериментальным исследованиям. Получено, что вблизи момента максимума тока в плазменной струе происходит сжатие собственным магнитным полем (пинч-эффект). Из расчетов следует, что именно пинч-эффект и возникновение перетяжки приводят к появлению ионов высокой зарядности (до 8-и) и, следовательно, повышению среднего заряда ионов плазмы. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. 5. Для описания процессов десорбции дейтерия в разрядный промежуток при функционировании индивидуальной ячейки катодного пятна вакуумной дуги разработана модель конвективной термодиффузии изотопов водорода в циркониевой матрице. Проведен сравнительный анализ различных механизмов переноса дейтерия в катоде с учетом имеющихся экспериментальных данных по транспортным коэффициентам. Исследовано влияние конвекции расплава, приводящей к образованию кратера и формированию жидкометаллических струй, на распределение температуры в катоде и десорбцию дейтерия в плазму разряда. Показано, что вытекание существенно десорбированных верхних слоев расплава из кратера приводит, с одной стороны, к формированию значительно обедненных дейтерием жидкометаллических струй, а, с другой, способствует поддержанию большого градиента концентрации дейтерия в приповерхностной области за счет уменьшения длины диффузионного слоя. На основе расчета десорбционных характеристик установлено, что количество десорбированного дейтерия непосредственно в плазменную струю индивидуальной ячейки меньше, чем полное количество десорбированного дейтерия из катода в результате функционирования ячейки с временем жизни несколько десятков наносекунд. Результаты работ отчетного периода отражены в 4 публикациях, три из которых учитываются в базах данных научного цитирования Web of Science и Scоpus, а одна в базах данных Scopus и РИНЦ. Полученные результаты доложены на 28th Internаtional Symposium on Discharge an Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV-2018). Sept.23-28, Greifswald, Germany и на 20th International Symposium on High-Current Electronics (ISHCE) Tomsk, Russia, September 16 – 22, 2018,

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Фундаментальной задачей проекта является исследование физических процессов в вакуумном дуговом разряде с композитными и газонасыщенными катодами с целью выявления взаимосвязи между электро - теплофизическими параметрами и свойствами материалов катодов с параметрами и характеристиками дуговой плазмы. Практической задачей проекта является использование полученных результатов исследований и достигнутого понимания основных физических процессов в вакуумном дуговом разряде с композитными и газонасыщенными катодами в конкретных устройствах реального применения (сильноточные дуговые прерыватели тока, нейтронные трубки и ряд других устройств). На отчетный период (2019 год) планировалось выполнение следующих основных задач: 1. Исследования вакуумного дугового разряда с композиционными катодами с более широким рядом компонентов композитного катода и выявление общих закономерностей, определяющих взаимосвязь электро - и теплофизических параметров и свойств материала катода с параметрами и характеристиками дуговой плазмы. 2. Оптимизация параметров дугового разряда с газонасыщенным катодом, обуславливающих достижение максимальной доли ионов дейтерия в дуговой плазме при минимальных энергетических затратах на образование иона. 3. Адаптация ранее разработанных моделей и расчет параметров процессов в плазме и тепловых процессов в конфигурациях электродов дуговых разрядных систем с конфигурацией электродов и параметрами дуги, характерными для вакуумных прерывателей и ней-тронных трубок. 4. Исследование дуговых свойств и масс-зарядового состава плазмы композитных катодов, структура поверхности которых формируется под действием внешней плазмы, применительно к кандидатным материалам первой стенки и дивертора в токамаках. Все запланированные работы за отчетный период выполнены. Получены следующие результаты: 1. Для катодов из медно-хромовых композитов в условиях функционирования и параметрах дугового разряда, близких к используемым в разрядных системах сильноточных вакуумных прерывателей тока, показано, что в дуговой плазме присутствует значительная доля многозарядных ионов меди и хрома. Элементный состав композитного катода определяет установившуюся температуру электронов в плазме, и в значительной степени влияет на масс-зарядовый состав ионов меди и хрома. С увеличением содержания хрома в катоде, доля двух- и трех-зарядных ионов хрома увеличивается, а доля многозарядных ионов меди уменьшается. На основе качественной модели ионизационных процессов сделано заключение о том, что в вакуумной дуге с композитным Cu-Cr катодом изменение зарядовых состояний ионов каждого из компонентов катода связано со строением электронных оболочек меди и хрома в условиях выравнивания температуры плазменных электронов. Показано также, что создание аксиального магнитного поля вблизи активной поверхности катода, а также элементный состав катода определяют установившуюся температуру электронов в дуговой плазме и в значительной степени влияют на зарядовый состав ионов меди и хрома. С увеличением содержания хрома в катоде, наблюдается повышение средней зарядности атомов этого материала, а также уменьшение средней зарядности ионов меди. 2. Определена оптимальная геометрия разрядного промежутка с дейтерированным циркониевым катодом, обеспечивающая минимальные потери ионного потока из катодной области дугового разряда на боковых стенках полого анода разрядной системы. Установлено, что создание в разрядном промежутке магнитного поля приводит к увеличению длительности импульсов токов разряда и уменьшению их амплитуд, как в случае вакуумной дуги с газонасыщенным катодом, так и для дуги низкого давления с напуском дейтерия. Увеличение длительности импульса ионного тока связано с увеличением времени удержания ионов в плазме разряда. Показано, что в плазме дуги низкого давления присутствуют как атомарные, так и молекулярные ионы дейтерия, а создание магнитного поля приводит к уменьшению доли атомарных ионов и увеличению молекулярных. В плазме вакуумной дуги присутствуют только атомарные ионы дейтерия, а магнитное поле существенно увеличивает их количество. Показано, что время зажигания импульсной вакуумной дуги с композитным катодом меньше, чем для чистого циркониевого катода. Это связано с тем, что легкие ионы дейтерия, имея более высокие скорости, заполняют разрядный промежуток вакуумной дуги быстрее. Магнитное поле в области катодного разряда увеличивает длительность импульса тока вакуумной дуги и уменьшает амплитуду импульса, что связано с затруднением процессов замыкания тока на анод в результате сжатия и фокусировки плазменной струи магнитным полем, увеличение длительности импульса ионного тока обусловлено увеличением времени удержания ионов в плазме. Магнитное поле в сотни мТл повышает зарядовые состояния ионов циркония, как для чистого металла, так и для катода, насыщенного дейтерием. Это связано с повышением температуры электронов в плазме Te и расширением области ионизации в плотной плазме при сжатии плазменной струи. 3. В результате моделирования с использованием 2.5-мерной гибридной модели определены условия формирования анодного пятна для медных электродов с радиусом 1 см, скоростью размыкания контакта 1 м/с вдоль полуволны тока частотой 50 Гц и максимумом тока 4,5 кА, что соответствует экспериментальной конфигурации для вакуумных прерывателей тока. Показано, что наиболее вероятной причиной появления анодного факела является поток энергии линейчатого излучения из межэлектродной плазмы на анод. Температура плазменного факела значительно меньше температуры межэлектродной плазмы, а ее плотность значительно выше плотности межэлектродной плазмы. Кроме того, степень ионизации плазмы в факеле намного меньше единицы. Для адаптации разработанного на предыдущем этапе гибридного кода для расчета плазмы вакуумных дуг с композитными CuCr катодами было проведено моделирование слаботочных дуг в сильном внешнем аксиальном магнитном поле (АМП) и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными. В рамках МГД модели смешивания плазменных струй отдельных ячеек катодного пятна исследовано влияние их группировки на содержание ионов дейтерия в дуговой плазме с дейтерированным катодом. Установлено, что молекулярный дейтерий полностью диссоциируется на расстоянии ~ 100 микрон. Из-за изменения темпа уменьшения плотности тока в плазменной струе группового пятна, по сравнению с таковым в струе элементарной ячейки, в струе группового пятна происходит дополнительный нагрев и ускорение ионов плазмы. Это позволяет сделать вывод о том, что увеличение содержания ионов дейтерия в плазме дугового разряда происходит из-за увеличения плотности тока в групповом пятне. С ее ростом и, как следствие, увеличением концентрации ячеек происходит ионизация дейтерия, десорбируемого на стадии остывания кратера и из прилегающих к кратеру разогретых областей катода. 4.Показано, что в течении первых примерно пяти импульсов, когда происходит выгорание основной части fuzz структуры, в дуговой плазме присутствуют ионы с наименьшими потенциалами ионизации – однозарядные вольфрам и углерод. Затем, в течение примерно 10-ти импульсов происходит разрушение оставшейся части fuzz структуры. Эту область можно назвать переходной от fuzz поверхности к чистому вольфраму, когда средний заряд ионов вольфрама остается ниже, чем в плазме дугового разряда с чистыми вольфрамовыми катодами. И, наконец, начиная примерно с 15-го импульса, средний заряд ионов вольфрама близок к его значению для чистого вольфрамового катода, становится больше ионов гелия, появляются также двухзарядные ионы примесей O2+, N2+, C2+. Установлено, что, при 10% содержании гелия, степень его ионизации составляет примерно 90%. Средний заряд ионов вольфрама при этом уменьшается очень слабо, немного снижается также максимальная температура электронов, растет падение напряжения на плазменной струе. При постоянном падении напряжения и увеличении содержания гелия до 30% электронная температура снижается уже значительно, и, как следствие, средний заряд ионов вольфрама Z уменьшается, а степень ионизации гелия падает. Показано также, что сильное увеличение удельной эрозии приводит к драматическому снижению электронной температуры в плазменной струе и, следовательно, к снижению среднего заряда ионов вольфрама. Уменьшение электронной температуры приводит также к тому, что атомы гелия практически не ионизуются в плазме дугового разряда, что хорошо согласуется с полученными при выполнении проекта экспериментальными результатами. Результаты работ отчетного периода отражены в 4 статьях, учитываемых в базах данных научного цитирования Web of Sciencе, Scоpus и РИНЦ. При этом две статьи опубликованы в журнале «Plasma Sources Science and Technology», входящем в первый квартиль, одна статья в журнале "Russian Physics Journal", и еще одна статья в журнале Journal of Physics: Conference Series. Полученные по проекту результаты отчетного периода доложены на 4 Международных конференциях и совещаниях: 21st International conference on surface modification of materials by ion beams (SMMIB-2019), Tomsk, Russia, Aug.25th –Aug.30th, 2019; 18th Internation-al Conference on Ion Sources, Lanzhou, China, Sept.1st - Sept.6th, 2019; XIIth China-Russia-Belarus Workshop Perspective plasma technologies 2019, Minsk, Belarus, 03–05 October, 2019 and 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" (GDP 2019), Tomsk, Russia, September 15–21, 2019.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на исследования особенностей физических процессов в вакуумном дуговом разряде с многокомпонентными композитными и газонасыщенным катодами. Наряду с актуальной фундаментальной научной проблемой, прикладное значение полученных результатов исследований связано с возможностью их использования в конкретных устройствах реального применения вакуумно-дуговых разрядов с катодами такого типа (сильноточные дуговые прерыватели тока, нейтронные трубки и ряд других устройств) В рамках работ по проекту, согласно плану отчетного периода (2020 год), предусматривалось выполнение следующих основных задач: 1. Определение взаимосвязи параметров и свойств материала композитного катода Сu-Сr дугового разряда с параметрами плазмы дугового разряда и влияния этих параметров на эффективность работы дуговых прерывателей тока. 2. Исследование процессов формирования интенсивных пучков ионов дейтерия в условиях функционирования и с удельными параметрами дуги, реализуемыми в нейтронных трубках. 3. Исследование процессов кратерообразования при изменении морфологии фаз внедрения в медную матрицу на катодах двух- и трехкомпонентного состава вакуумных прерывателей при функционировании катодного пятна вакуумной дуги. 4. Разработка модели и расчет дуговых свойств композитных катодов, структура поверхности которых формируется под действием внешней плазмы, применительно к материалам первой стенки и дивертора в токамаках. Все запланированные работы за отчетный период выполнены. Основные результаты исследований: 1. Получен массив экспериментальных данных по скорости распада плазмы дугового разряда для медно-хромовых катодных композитов с различным содержанием меди и хрома и отслежена эволюция каждого из масс-зарядовых ионных компонентов плазмы при удельных параметрах разряда, характерных для вакуумных прерывателей тока. Показано, что влияние элементного состава катода вакуумного дугового разряда заключается в том, что распад плазмы после выключения тока вакуумной дуги, генерируемой с катодами из чистых меди и хрома, происходит за меньшие времена, чем в случае применения медно-хромовых композитов. Исследовано влияние аксиального магнитного поля на скорость распада дуговой плазмы в случае применения материалов катода на основе медно-хромовых композитов. Определены оптимальные условия, обуславливающие наиболее быструю деградацию плазмы, обеспечивающую эффективность функционирования и эксплуатационные параметры сильноточных вакуумных прерывателей тока. 2. Показано, что в плазме вакуумной дуги с катодом из дейтерида циркония с удельными параметрами дуги, реализуемыми в нейтронных трубках, разница в направленных скоростях ионов дейтерия и циркония вместе с широким спектром значений направленных скоростей для каждого из ионных компонентов обуславливает существенное расширение длительности импульса тока ионного пучка относительно длительности импульса тока разряда. При этом зависимость полного тока ионного пучка от ускоряющего напряжения стремится к насыщению, а распределение плотности тока по сечению пучка близко к распределению Гаусса. Показано также, что при отборе и ускорении ионов из плазмы вакуумной дуги с катодом из дейтерида циркония ток каждого из ионных компонентов (дейтерия и циркония), как и долевое соотношение этих токов, изменяется в течение импульса. При этом ток более легкого компонента дейтерия достигает своего максимального значения раньше, что ток ионов циркония. Зависимость в ионном пучке фракции ионов дейтерия от тока дугового разряда имеет максимум, а доля ионов дейтерия в ионном пучке может достигать 80%. 3. В результате теоретического анализа и численного моделирования гидродинамических и тепловых процессов а катодной области вакуумного дугового разряда с композитным катодом показано, что функционирование ячейки катодного пятна на капле хрома, находящейся на плоской неэродированной медной поверхности, приводит к ее растеканию по поверхности и образованию нерегулярных пленок фазы внедрения. Наличие пленочной фазы внедрения, как на поверхности, так и на расстоянии порядка глубины образующегося кратера, существенно влияет на тепловые процессы в катоде. Отмечено, что данный эффект может приводить к прекращению тока в ячейке катодного пятна и ее гибели. При горении ячейки катодного пятна на вольфрамовой частице с оболочкой из хрома наличие тугоплавкого вольфрама не приводит к стабилизации морфологии приповерхностного слоя электродов прерывателя тока, а процессы кратерообразования на катоде с формированием капель и струй могут приводить к уменьшению размера фаз внедрения при горении вакуумной дуги. 4. В результате проведенного моделирования ионизационных процессов в плазменной струе дугового разряда с W-fuzz катодами сравнительный анализ с экспериментальными данными показал, что причиной расхождения результатов расчетов с экспериментом является снижение тока на ячейку пятна при образовании наноструктурированной поверхности. Расчеты с уменьшенной плотностью тока и учет резкого роста скорости эрозии позволили получить близкие к экспериментальным данным результаты. Показано также, что образование наноструктурированного слоя на поверхности W-fuzz катода и связанное с ним изменение тепло- и электрофизических характеристик поверхностного слоя приводит к снижению величины интеграла действия тока примерно на три порядка. Это сопровождается ростом скорости эрозии катодного материала, уменьшается также его критическая температура, которая определяет ионизационные процессы в начальной стадии разлета плазменной струи. Обусловленное этими процессами снижение температуры электронов дуговой плазмы приводит к тому, что в ней присутствуют, в основном, ионы вольфрама с зарядом +1. По мере разрушения fuzz структуры параметры эрозионных процессов и дуговой плазмы приближаются к их значениям для чистого вольфрамового катода. Результаты работ отчетного периода отражены в 3 статьях 2020 года, учитываемых в базах данных научного цитирования Web of Science, Scоpus и РИНЦ. При этом две статьи опубликованы в журнале «Plasma Sources Science and Technology», а еще одна статья в журнале «Nuclear Fusion». Оба журнала входят в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition. Полученные по проекту результаты отчетного периода доложены на 7 Международном конгрессе по мощным потокам энергии и радиационным процессам (EFRE 2020), Томск, Россия, 14-26 сентября, 2020 г. По результат работ отчетного периода 4 доклада опубликованы в сборнике трудов этого конгресса, который учитывается в базе данных научного цитирования Scopus.