Modélisation de l’interaction arc-cathode dans le cas des cathodes en matériau non-réfractaire.

Résumé

La modélisation des phénomènes relatifs à l’interaction des arcs électriques avec les électrodes permet d’une part de compléter les modèles magnétohydrodynamiques usuellement utilisés pour représenter la colonne, en fournissant des conditions aux limites utiles, et d’autre part d’étudier le chauffage et l’usure de ces électrodes. Cette modélisation est complexe en raison du grand nombre de phénomènes à prendre en compte et des écarts à l’équilibre thermodynamique local dus aux petites distances mises en jeu. Un enjeu important est donc de comprendre comment ces déséquilibres structurent la zone proche électrode, en particulier dans le cas peu étudié d’une cathode non réfractaire. Cet article présente, en s’appuyant sur la littérature, une méthodologie pour évaluer les distances caractéristiques d’apparition des déséquilibres thermique, chimique (ionisation), et de séparation de charges. Cette méthodologie est validée sur le cas bien connu du plasma d’argon sous 1 bar (existant par exemple devant une cathode réfractaire), puis est appliquée à un plasma de cuivre sous forte pression (28 bars) issu de la vaporisation d’une cathode en cuivre (non réfractaire) soumise à un arc. Les résultats de l’étude réalisée confirment les structures de zone cathodique établies par Benilov, et en particulier la présence d’ionisation dans la gaine associée à la cathode en cuivre. Un modèle auto-cohérent de zone cathodique prenant en compte ces phénomènes est ensuite présenté et appliqué au calcul d’une structure à N spots cathodiques stationnaires et indépendants. Dans le cas d’un arc s’accrochant sur la cathode creuse (en cuivre) d’une torche à plasma de forte puissance, de bons ordres de grandeur sont obtenus pour la tension de gaine et le taux d’usure par vaporisation. Pour conclure, des perspectives d’étude sur ce sujet sont proposées.