Spruzzi di tungsteno

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12210 (2023) Citare questo articolo

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Durante la scarica dell'arco è stato identificato un meccanismo unico di spruzzi da un anodo a base di tungsteno. Gli spruzzi si sono verificati per rottura di una colonna di metallo liquido, che si allunga dopo che si è formata una concavità locale sulla superficie dell'anodo fuso. La luminescenza blu-viola, emessa dagli ioni cerio provenienti dagli additivi nell'anodo a base di tungsteno, è stata catturata prima della formazione della concavità. La temperatura superficiale superava il punto di ebollizione degli additivi al momento dello spruzzo. Le velocità misurate delle goccioline suggeriscono che una forza elettromagnetica contribuisce alle espulsioni ad alta velocità. La mappatura della spettrometria a dispersione di energia ha mostrato anche un residuo degli additivi sulla sezione trasversale longitudinale dell'anodo dopo la scarica dell'arco. Sulla base di questi fatti sperimentali, il meccanismo di spruzzi dell'anodo nella scarica ad arco è stato dedotto come segue: formazione di bolle di additivi a temperature superiori al loro punto di ebollizione, scoppio di bolle in superficie, generazione di getti di microplasma, allungamento e rottura della colonna di liquido sotto un forza elettromagnetica e conseguente espulsione di gocce ad alta velocità.

La scarica elettrica si verifica quando una corrente elettrica scorre attraverso un mezzo gassoso conduttivo costituito da elettroni e specie ionizzate di molecole e atomi. Un tale mezzo è chiamato plasma. Una scarica ad arco è un tipo di scarica elettrica causata da bassa tensione e alta corrente tra un catodo e un anodo sotto pressione atmosferica. Poiché le scariche ad arco possono produrre temperature notevolmente elevate (> 10.000 K), il plasma ad arco è stato applicato come fonte di calore unica nel taglio e nella giunzione dei metalli ad alta velocità1,2,3. Inoltre, sta attirando l’attenzione scientifica e industriale come strumento promettente per la fabbricazione di materiali tridimensionali, nota come produzione additiva4,5. Grazie alla sua elevata luminosità, l'arco plasma viene utilizzato anche come sorgente luminosa. Poiché nel prossimo futuro si prevede che il fotovoltaico diventi fonte di elettricità sostenibile, il miglioramento dell’efficienza di conversione della luce solare in elettricità rappresenta un problema sociale dominante6,7. Per misurare con precisione l’efficienza di conversione è necessaria una sorgente luminosa stabile con uno spettro di emissione equivalente a quello della luce solare. Tra le sorgenti luminose che soddisfano questi requisiti vi sono le lampade ad arco allo xeno e le lampade ad arco ad alogenuri metallici8,9,10. Recentemente, abbiamo identificato la dinamica unica della superficie di un elettrodo fuso che interagisce con il plasma ad arco. Il presente documento elabora questi risultati.

Un catodo emette elettroni termoionici quando riscaldato ad alta temperatura. Quando la corrente dell'arco è sufficientemente fornita dalla sola emissione termoionica, il plasma dell'arco rimane relativamente stabile. Per questo motivo il materiale catodico deve essere solido o liquido anche a temperature superiori a 3000 K. Il materiale catodico usuale è il tungsteno, che ha un alto punto di fusione e un alto punto di ebollizione. Inoltre, il tungsteno drogato con una piccola percentuale in peso di ossidi ha una funzione lavoro effettiva inferiore e un'emissione termoionica inferiore rispetto al tungsteno puro. Di conseguenza, la temperatura del catodo viene ridotta e l'erosione del catodo viene soppressa11,12. Inoltre, considerando la diffusione e l'evaporazione degli additivi nel catodo, i ricercatori hanno fatto previsioni migliori sull'erosione del catodo13,14.

Sebbene i fenomeni del catodo a base di tungsteno durante la scarica dell'arco siano stati ben studiati, i fenomeni dell'anodo a base di tungsteno sono in gran parte inspiegabili. Uno di questi fenomeni è lo spruzzo dell'anodo fuso. Poiché la corrente dell'arco può essere corrente continua (CC) o corrente alternata (CA)15,16,17, un singolo elettrodo a base di tungsteno diventa sia il catodo che l'anodo. Tuttavia, la fisica degli anodi a base di tungsteno è poco conosciuta, quindi i fenomeni degli elettrodi durante la scarica ad arco CA (che è più complessa dell'arco CC) rimangono sconosciuti. In particolare, gli schizzi dell'anodo fuso accelerano l'erosione dell'anodo e ostacolano la formazione di plasma ad arco stabile. Inoltre, gli spruzzi di metalli fusi causano contaminazione e riducono la qualità di applicazioni quali lampade ad arco, unione di materiali e produzione additiva. Diversi studi hanno inoltre riportato che parte di un catodo fuso viene espulso sotto forma di goccioline durante la scarica ad arco CC18,19. In particolare, tuttavia, questi studi sono stati condotti in condizioni specifiche immediatamente dopo l'accensione o l'estinzione dell'arco18,19. Al contrario, abbiamo osservato le espulsioni di goccioline da un anodo a base di tungsteno durante il funzionamento continuo di una scarica ad arco. Questo studio rivela la dinamica e il meccanismo del processo di spruzzi sulla superficie dell'anodo a base di tungsteno durante una scarica continua ad arco CC. Queste nuove intuizioni andranno a beneficio sia della scienza che delle applicazioni industriali della scarica ad arco.