Modélisation de l'interaction entre un arc électrique et une cathode

Modeling of the arc cathode interaction

• Auteur / Autrice : François Cayla
• Direction : Jean-Jacques Gonzalez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et ingénierie des plasmas de décharge
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Arc électrique

Cathodes

Plasmas chauds

Mots clés libres

Cathode

Modélisation numérique

Plasma thermique

2d

Interaction

Deux températures

Flux d'énergie

Chute de tension cathodique

Arc électrique

Gaine

Pré-gaine

Résumé

Ce travail est relatif à l'étude et à la mise en place d'un modèle décrivant l'interaction entre un plasma thermique d'argon à la pression atmosphérique et une cathode en tungstène. Après une étude bibliographique sur les différents modèles décrivant la zone d'interaction, la théorie proposée par Benilov a été retenue comme base de nos développements. Dans une seconde partie, le modèle d'interaction arc/cathode est amélioré notamment par la prise en compte de l'émission secondaire. Le modèle est ensuite confronté et validé par des résultats expérimentaux issus de la littérature. Notre objectif était de coupler ce modèle d'interaction à une modélisation plus globale représentant aussi bien le passage du courant dans la cathode, la zone d'interaction (gaine et pré-gaine) que la colonne du plasma. Nous exposons les différents paramètres d'entrée possibles et justifions le choix de la densité de courant. Dans une dernière partie, le modèle d'interaction développé est couplé à un modèle bidimensionnel (2D) de plasma thermique en écoulement. Le passage du courant entre la cathode et le plasma est assuré grâce à une estimation de la conductivité électrique à deux températures dans la pré-gaine. L'influence de paramètres physiques (valeurs du coefficient d'émission secondaire, du travail de sortie,. . . ) et géométriques sur les grandeurs caractéristiques de la décharge (tension cathodique, champ de température dans le plasma,. . . ) dans une configuration d'arc libre avec une cathode cylindrique a pu être étudiée.

This work deals on the study and the development of a model describing the interaction between argon thermal plasma and a tungsten cathode. A bibliographical study of the different models describing the interaction region is performed leading to the theory proposed by Benilov as base of our developments. In a second part, the arc/cathode interaction model has been realized taking into account secondary emission phenomenon. Then the model has been compared and validated by experimental results found in the literature. The final aim of this study was to couple the developed interaction model to a more global modeling describing the electrical conduction in the cathode bulk, the interaction region (sheath and pre-sheath) and the plasma column. We expose the rule of different possibilities for the input parameters and we justify the choice of the current density as main entry. In a last part, the interaction model has been coupled to a two dimensional coordinate system model of thermal plasma flow. The current continuity between cathode and plasma has been assumed using an estimation of the two temperature electrical conductivity in the pre-sheath. The influence of physical parameters (values of the secondary emission coefficient, work function. . . ) and geometrical ones on the characteristics of the discharge (cathode drop voltage, plasma temperature field. . . ) in a free burning arc configuration using cylindrical cathode has been realized showing the good ability and behavior of the model to a global thermal plasma description.