真空电弧放电被广泛应用于表面涂层系统[1]、金属离子源[3]、真空断路器[5]以及其他设备[7][8][9]中。真空电弧器件的使用寿命在很大程度上取决于阴极斑点对阴极材料的消耗速率。这些阴极斑点是微观等离子体结构，在阴极表面无序移动，通过蒸发和电离阴极材料原子来消耗材料（即产生等离子体离子），同时还会产生微米级的阴极材料熔融颗粒，这些颗粒被真空电弧等离子体的压力从阴极斑点处喷射出去[10][11]。在真空电弧的阴极斑点中，中性原子的蒸发通常是一个次要过程，从阴极表面蒸发的原子数量不超过总原子数的几个百分点。例如，对于铋真空电弧阴极，蒸发的原子占电离和非电离原子总数的1.4%；而对于铜阴极，这一比例仅为0.03%[11]。因此，在各种设备中，蒸发对阴极侵蚀的贡献可以忽略不计。阴极材料的总侵蚀率通常用特定侵蚀率γ来表征，即去除的阴极质量与产生该质量所需的电荷之比[12]。由于真空电弧阴极的主要侵蚀机制是离子侵蚀和微滴侵蚀，所以特定侵蚀率γ等于离子侵蚀率γ_i与微滴侵蚀率γ_md之和，即离子和微滴去除的阴极质量与电弧传递的电荷之比。对于大多数金属阴极而言，离子侵蚀率γ_i略高于或大致等于微滴侵蚀率γ_md，因此它们的总和约为(20 - 100) μg/C[11][13]。只有在使用汞作为阴极的点火管[14]中，特定侵蚀率要高得多，可能超过1000 μg/C，这是因为大滴汞不仅从阴极斑点处，还从阴极表面附近喷射出来，导致阴极质量减少[15]。
普遍认为，金属阴极的特定侵蚀率对微秒级电弧脉冲的持续时间影响较小[13]。阴极材料的侵蚀主要发生在局部阴极斑点处[10][13]，这些斑点在约10纳秒的时间内受到约1安培电流的驱动。电弧脉冲持续时间的增加会导致活跃阴极斑点数量的增加，从而增加去除的阴极材料和涉及的电荷量，因此对于给定的阴极材料，特定侵蚀率γ基本保持不变。
在托木斯克高电流电子研究所开发的Mevva-V离子源上进行实验[8]时，我们观察到铋阴极的特定侵蚀率比普遍接受的值高出数倍。此前，在Mevva-V离子源（包括上述版本和劳伦斯伯克利国家实验室等离子体应用小组开发的版本）中观察到的阴极侵蚀急剧增加现象，总是归因于多次脉冲过程中的阴极加热。然而，事实证明，在具有典型参数的单次真空电弧脉冲（脉冲持续时间为250微秒，脉冲电弧电流为200安培）中也观察到了这种异常高的侵蚀现象。
我们研究了这一效应，发现高熔点和低熔点阴极的总侵蚀参数存在显著差异。鉴于真空电弧阴极斑点现象已有悠久的研究历史，以及我们在Mevva-V离子源（托木斯克和伯克利版本）方面的多年经验，我们的结果显得出乎意料且具有重要意义。对于真空电弧物理学而言，这些结果表明在微秒级电弧脉冲下，低熔点阴极的特定侵蚀率可能异常高。对于离子源技术而言，这些结果明确了这种不希望出现的异常高侵蚀发生的条件。我们用于研究真空电弧阴极侵蚀的装置是Mevva-V真空电弧金属离子源的核心设备。我们利用这种离子源[3][16]进行了多项基础研究，包括测量不同电荷多重性的离子定向速度[17]及其在真空电弧等离子体中的空间分布[18]、产生多电荷离子[19][20]，以及研究复合阴极和气体饱和阴极的真空电弧运行特性[21][22]。实验中使用了十三种不同的阴极材料——锡、铋、铅、镁、银、铜、钛、锆、钼、钽、钨以及两种锡铅合金Sn60Pb40和Pb90Sn10。选择这些材料是因为它们几乎涵盖了周期表中的所有元素周期和系列，并具有不同的物理性质，如原子质量、熔点、热容和导热性。这些阴极材料的熔点范围从190°C到3422°C。
