Nesta dissertação apresento um estudo detalhado de vários aspectos da interacção entre um plasma de arco de alta pressão e cátodos refractários. Um modelo da camada
de plasma junto ao cátodo num plasma sujeito a uma pressão da ordem de uma ou
várias atmosferas é reconsiderado com base em recentes resultados teóricos. A física
da camada de plasma junto ao cátodo é analisada para valores da queda de tensão
na camada de plasma junto ao cátodo até 50V, de acordo com recentes resultados
experimentais que mostram que a queda de tensão na camada de plasma junto ao
cátodo numa descarga de arco de alta pressão pode atingir valores tão elevados. São
identificados os mecanismos que originam a não monotonia da dependência da densidade
de fluxo de energia (proveniente do plasma para a superfície do cátodo) em
relação à temperatura da superfície do cátodo, para um valor fixo da queda de tensão
junto ao cátodo. Uma descrição fechada da interacção plasma-cátodo é obtida por
meio da resolução numérica do problema não linear com condições de fronteira para
a distribuição da temperatura no interior do corpo do cátodo. São apresentados resultados
da modelação numérica da descarga difusa nas condições de funcionamento
de uma lâmpada de descarga experimental, sendo bom o acordo entre os resultados
numéricos e os dados experimentais.
Manchas solitárias num cátodo plano infinito e modos difuso e mancha axialmente
simétricos em cátodos finitos de descargas de arco de alta pressão são estudados num
grande intervalo de corrente. São analisados aspectos gerais e apresentados resultados
numéricos referentes a cátodos de tungsténio planos e de forma cilíndrica a operar num
plasma de argon à pressão atmosférica para correntes de arco até 100 kA. Émostrado,
em particular, que a temperatura da superfície do cátodo no interior de uma mancha solitária varia relativamente pouco, podendo ser estimada com uma precisão de cerca de 200 − 300K sem ser necesário resolver a equação da condução térmica no corpo do cátodo. O comportamento assimptótico das soluções para um cátodo finito no caso limite de altas correntes é encontrado e confirmado pelos resultados numéricos.
É confirmado um padrão geral das características tensão-corrente de vários modos de transferência de corrente em cátodos finitos sugerido previamente com base numa análise de bifurcações. É estudada a transição de modos mancha num cátodo finito
no limite de cátodos de grandes dimensões para o modo mancha solitária num cátodo
plano infinito. É estabelecido que o modo mancha solitária representa uma forma
limite do modo mancha de alta tensão num cátodo finito. É considerada a questão da
distinção entre modo difuso e modo mancha num cátodo finito.
É desenvolvida uma abordagem para o cálculo de pontos de bifurcação nos quais
soluções mancha tridimensionais bifurcam-se a partir de soluções que descrevem o modo difuso e modos mancha axialmente simétricos. Em particular, é calculado o
primeiro ponto de bifurcação posicionado na solução que descreve o modo difuso e,
por conseguinte, o seu limite de estabilidade, isto é, a corrente abaixo da qual o modo difuso torna-se instável. São apresentados os resultados da modelação numérica efectuada para o caso de um cátodo de tungsténio de forma cilíndrica a operar num plasma de alta pressão. É estudado o efeito produzido no limite de estabilidade pelas variações dos parâmetros de controle (dimensões do cátodo, função de trabalho do
material do cátodo, tipo e pressão do gás que produz o plasma). Foi encontrado que o
comportamento do limite de estabilidade sujeito a estas variações está em conformidade com as tendências observadas experimentalmente. Foi encontrado que o limite de estabilidade é muito mais sensível às variações dos parâmetros de controle do que as características tensão-corrente do modo difuso, sendo o efeito mais forte produzido pelas variações das dimensões do cátodo e da função de trabalho do material do cátodo.
Este resultado está em conformidade com o facto experimental de que a transição
difuso-mancha é de difícil reprodução.Mikhail Benilo
