HAL Id: jpa-00219202
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Submitted on 1 Jan 1979
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ETUDE THEORIQUE DES PHENOMENES LIES A UNE CATHODE LIQUIDE : ESTIMATION DU TAUX
D’EROSION
G. Thiell, M. Fabry
To cite this version:
G. Thiell, M. Fabry. ETUDE THEORIQUE DES PHENOMENES LIES A UNE CATHODE LIQ- UIDE : ESTIMATION DU TAUX D’EROSION. Journal de Physique Colloques, 1979, 40 (C7), pp.C7- 453-C7-454. �10.1051/jphyscol:19797220�. �jpa-00219202�
JOURNAL DE PHYSIQUE CoZZoque C7, suppZSment au n07, Tome 40, JuiZZet 1979, page C7- 453
ETUDE THEORIQUE DES PHENOMENES LIES A UNE CATHM)E LIQUIDE : ESTIMATION DU TAUX D'EROSION
G . Thiell and M. Fabry.
Laboratoire de Physique des Milieux IonisSs, UniversitS de Nancy I , Case OfficieZZe 140, 54037 Nancy Cedex, France.
Le taux d'erosion d e la cathode d'un arc est un parametre important qui determi- ne la d u r e e d e vie de 1 'electrode e t s a connaissance e n fonction du courant d'arc est interessante en particulier dans l e cas d'une cathode & bas point de fusion. Nous utilisons les resultats deduits d u diagram- m e d'existence de 1 'arc /1/ applique & une cathode liquide (potassium) s o u s atmosphgre d'argon pour la creation de plasmas denses.
D I A G R A M M E D ' E X I S T E N C E V E L'ARC
D a n s des travaux anterieurs nous avons developpe un modele de la gaine cathodique dans un a r c genere 1 partir d'une cathode liquide en potassium dans un g a z inerte 1 quelques torrs. Nous avons construit le dia- gramme d'existence des spots constituant la tache cathodique & partir d'un bilan des echanges existant au voisinage d e la catho- d e , en envisageant des intensitss I allant j u s q u e 1 0 0 A /2/.
C e modgle stationnaire permet de con- naitre l a region d u plan T(j) 00 nous choi- sissons T , la temperature d e la t a c h e , en fonction d e l a densite de courant totale j qui la traverse, avec pour seul parametre
l e courant d'arc, grandeur qui peut Gtre facilement imposee experimentalement. Nous avons compare les resultats donnes par c e modele avec les grandeurs directement ac- cessible experimentalement./3/.
L e dispositif experimental e s t decri t en/4/; la chute d e la tension cathodique a ete mesuree & partir d'une technique d e sondes e t trouvee en bon accord avec l a va- leur calculee. L a temperature e t la densit6 electronique ont. &te ddduites d e mesures spectroscopiques effectuses a quelques mil-
limetres au dessus d e la cathode: la densi- t& electronique varie d e 1015 a 1 0 1 7 c ~ 3 e t montre llint&r&t d u dispositif pour la ge- ngration d e plasmas denses.
M E C A N I S M E D ' E R O S I O N D E L A C A T H O D E Pour les processus d'grosion, nous avons utilise un modele non-stationnaire tenant compte du mouvement des taches qui peut Otre represent@ comme une succession d e pas pendant lesquels l'arc s e trouve & un cer- tain endroit pendant un temps ts puis un endroit voisin deplace d'un diametre d e s p o t (2a) oti il opere ti nouveau pendant un temps ts. A i n s i , on suppose que les crate- res s o n t similaires pour un couranbt I donne et un temps ts. L a vitesse du spot cathodi- q u e peut alors e t r e definie:
2 1/2
v=2a/ts=2(I/ajts ) (1) et le taux d'erosion par:
er = mc/t, . - (2)
00 m c e s t la masse d e matiere perdue par la cathode. Quand un film d'oxyde est f o r m e , les crateres s o n t des hemispheres de rayon a e t d e ' f o r t e densite d e vapeur metallique.
La masse d q matiere enlevee & partir des crateres est:
m c = (2/3) na'd (3)
00 d est la densite du materiau cathodique.
P o u r une cat,hode de potassiuni liquide d =-0,826
- o
,222( t -
62.4)(9.cm 3 , ( C )
et le taux d'erosion peut P t r e ecrit en fonction d u taux d'evaporation W(T)
(9.s-l. cm-') des atomes d e l a cathode me- tallique 5 temperature T :
er = n a W(T) 2 ( 4 ) o
'
u W(T) est donne pour l e potassium par:
log W(T) = 6,922 - 0,5 log T - 4503/T Les relations (1) 1 (4) donne.nt :
er = IW(T)/j ( $ 1
e t la -vi tesse aleatoire v du spot cathodi- q u e en fonction d e s a temperature T par:
v = 3W(T)/d(T) (6)
C e t t e relation e s t representee s u r la figure 1 pour T variant de 1 0 0 0 & 1 5 0 0 O K .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19797220
R E S U L T A T S
L e s r e s u l t a t q o b t e n u s p o u r l e s d i f f e - r e n t e s q u a n t i t g s i n t r o d u i t e s s o n t p r e s e n - t e s d a n s l e t a b l e a u s u i v a n t , l e s v a l e u r s m e n t i o n n e e s p o u r c h a q u e c o u r a n t I c o r r e s - p o n d a n t aux v a l e u r s e x t r O m e s de j e t c o n - d u i s a n t aux v a l e u r s m i n i m a l e e t m a x i m a l e d u t a u x d l @ r o s i o n ( f i g u r e 2 ) en f o n c t i o n
D I S C U S S I O N
P o u r e s s a y e r d e j u s t i f i e r l e f o r t t a u x d ' e r o s i o n d ' u n e c a t h o d e e n m e t a l l i q u i d e , n o u s c o n s i d e r o n s l e b i l a n e n e n e r g i e . P o u r d e s c o u r a n t s i n f e r i e u r s a 3 0 A e t d e s d e n - s i t e s j i n f e r i e u r e s B 3 . 1 0 9 A / m 2 , l a d e n s i -
t @ d ' e n e r g i e a c q u i s e p a r e f f e t J o u l e e s t r e l a t i v e m e n t f a i b l e d e v a n t c e l l e p e r d u e p a r l ' e v a p o r a t i o n d e s a t o m e s , e n a c c o r d a v e c l l h y p o t h G s e de l a f o r m a t i o n d ' u n e f i - n e c o u c h e d ' o x y d e . P o u r d e s v a l e u r s d e I e t j s u p e r i e u r e s , l ' e f f e t J o u l e n e p e u t
p l u s 6 t r e n e g l i g e m a i s l ' e r o s i o n r e s t e p r i n c i p a l e m e n t d u e a u n f o r t bornbardement i o n i q u e d e l a s u r f a c e c a t h o d i q u e . Un i n t e n - s e t r a n s f e r t d e c h a l e u r e n t r e l e p l a s m a e t l a c a t h o d e p r o v o q u e l a c r o i s s a n c e d e z o n e s f o n d u e s d a n s l e s q u e l l e s s e p r o d u i s e n t d e s mouvements d u l i q u i d e p o u v a n t amener 1 ' @ - j e c t i o n d e g o u t t e l e t t e s . C e t e f f e t e s t d ' a i l l e u r s o b s e r v e d a n s n o s e x p e r i e n c e s p o u r d e s c o u r a n t s e l e v e s ( > 3 0 A ) .
Nous a v o n s d 6 v e l o p p G u n m o d s l e s i m p l e p e r m e t t a n t d ' e s t i m e r l e t a u x d ' e r o s i o n e t l a v i t e s s e d e d e p l a c e m e n t d e s t a c h e s c a t h e d i q u e s a p a r t i r d e 1 ' a n a T y s e d e s r e s u l t a t s d o n n e s p a r l e d i a g r a m m e d ' e x i s t e n c e d ' u n a r c B c a t h o d e d e p o t a s s i u m l i q u i d e . T o u t e - f o i s , u n e e t u d e p l u s p r e c i s e d e c e s p h 6 n o - menes d e v r a i t p r e n d r e e n c o n s i d e r a t i o n d ' a u t r e s p a r a m G t r e s t e l s q u e l a geometric ou l e s p a r t s r e s p e c t i v e s d e s d i f f e r e n t s c o m p o s a n t s ( i o n s , a t o m e s , g o u t t e l e t t e s ) r e s p o n s a b l es d e 1 ' e r o s i o n .
/ I / C . E C K E R G E n t h a L E d e c t h i c R e p o h t n 0 7 3 C R D 0 5 6 ( 1 9 7 3 ) .
/ Z / G . T H I E L L , J. C. B R A U N R e v . P h y n . A p p L i q u C e 1 1 , 6 0 9 ( 7 9 7 6 ) .
-
/ 3 / M . F A B R Y , G . T H I E L L 7 J . C . G E O R G E S J . A p p L . P h y n . fi,3ti97 ( 7 9 7 6 1 . / 4 / G . T U I E L L , A . R O S S E L E R , M . F A B R Y J.AppL.
P h y n . c , 1 7 2 4 ( 1 9 7 6 1 .
