利用动态有效半径研究真空电弧阴极斑点 crater 的形成机制

阴极斑三维模型研究其有效半径动态变化及最小维持电流密度熄灭标准，分析等离子体压力梯度驱动熔融金属外流机制，揭示热流衰减与热传导导致高温区迁移规律，验证模型与实验吻合。

　　

王聪|王立军|刘新怡|张润明|王向宇

中国西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室，西安，710049

摘要

为了理解阴极斑点的时空演化特性，开发了一个三维模型。该模型考虑了阴极-等离子体相互作用过程中有效半径的动态变化，并引入了最小维持电流密度作为斑点寿命的判据。分析了 crater 形成的物理机制以及不同初始有效半径和电流大小的影响。结果表明，在活跃阶段，等离子体压力梯度驱动熔融金属向外流动，引起强烈的对流热传递；同时，入射热流的衰减与熔融金属向基体阴极的导热散热共同作用，促使高温区向喷射方向移动。在随后的惯性冷却阶段，惯性力维持熔融金属的运动和对流热传递。参数分析表明，虽然最终有效半径基本上与初始有效半径无关，但斑点寿命和 crater 深度对其有一定依赖性。此外，初始有效半径还会影响喷射的发展。最后，斑点寿命、最终有效半径和 crater 深度都与电流呈强正相关。仿真结果与实验观察结果吻合良好，验证了该模型的有效性。

章节摘录

引言

真空电弧在真空断路器、涂层和离子源中有着广泛的应用。然而，在真空断路器切断大电流时，阴极斑点的强烈活动会导致电极材料严重侵蚀。这种侵蚀不仅限制了断路器的最大分断能力，还显著缩短了触点的使用寿命。此外，熔融金属滴还会显著降低涂层薄膜的质量。

模型描述

问题的模型几何结构如图 1 所示。真空电弧阴极微爆炸产生初始等离子体云 [23]、[24]、[25]、[26]。阴极表面受到等离子体云中带电粒子的轰击，从而产生热流 q 和等离子体压力 P。热流和体积焦耳热（由通过阴极的电流 i_c 产生）的协同作用引发了局部熔化和蒸发。随后，等离子体压力 P

仿真结果与讨论

电流密度 j₀ 与有效半径 r_pc 随时间 t 的动态关系如图 3 所示。这是阴极斑点的活跃阶段 [12]。观察到在 7 ns 之前，j₀ 保持恒定值 2.74 × 10¹² A·m^-2；然而，在 7 ns 时，随着 r_pc 的扩大并超过初始有效半径 r_pc0，j₀ 开始减小。在 7 ns 到 35 ns 的范围内，j₀ 与 r_pc 之间存在明显的负相关关系。最终，在 35 ns 时，j₀ 低于

结论

为了理解阴极斑点 crater 形成和发展过程中的时空演化特性与关键放电参数之间的关系，开发了一个三维钨阴极斑点 crater 模型。该模型考虑了阴极-等离子体相互作用过程中有效半径的动态变化，并引入了最小维持电流密度作为预测斑点寿命的判据。此外，还研究了不同参数的影响。

作者贡献声明

张润明：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究。王向宇：方法论、实验研究。王立军：方法论、实验研究、资金获取。刘新怡：撰写 – 原稿撰写、方法论、实验研究。王聪：撰写 – 原稿撰写、方法论、实验研究

利益冲突

作者们没有需要披露的利益冲突。

数据获取

支持本研究的数据可向通讯作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号：52377157）的支持。