Влияние состояния поверхности электроводов на характеристики вакуумного пробоя Батраков, Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы

Многие физические процессы, как катодные, так и анодные, происходящие при вакуумном пробое, определяются состоянием поверхности электродов. Именно поэтому исследование свойств поверхности электродов и их влияния на вакуумный пробой, а также разработка методов модификации поверхности электродов с целью улучшения изоляционных свойств вакуумных промежутков, является одним из ведущих направлений в физике вакуумных разрядов.

В настоящей работе исследование влияния состояния поверхности электродов на вакуумный пробой сосредоточено на выяснении роли жидкой фазы в инициировании пробоя, а также на использовании уникальных физических процессов, происходящих в зоне расплава, с целью модификации эмиссионных и электроизоляционных свойств поверхности электродов.

Актуальность такого подхода заложена в самом явлении инициирования вакуумного пробоя. При больших плотностях автоэмиссионного тока происходит разогрев эмиссионного центра до температур, значительно превышающих точку плавления материала катода. При дальнейшем развитии взрывного процесса происходит циклическая регенерация зоны расплава. Жидкая фаза может образовываться и на аноде как результат воздействия электронного потока на металл. Во всех этих случаях поверхность жидкого металла находится в сильных электрических полях, что неминуемо должно приводить к проявлению электрогидродинамических явлений. В связи с этим всегда сохраняется интерес к исследованию физических процессов при вакуумном пробое промежутков с жидкоме-таллическими катодами.

С другой стороны, кратковременное появление жидкой фазы на поверхности металла, например, при импульсном воздействии интенсивного электронного потока, существенно изменяет характеристики приповерхностного слоя и самой поверхности после её кристаллизации, а именно, микрорельеф, структуру и химический состав. Если подобное импульсное оплавление произошло на электроде, то должны неминуемо измениться как характер предпробойных явлений, так и развитие самого пробоя. Очевидно, что при этом приповерхностный слой будет очищаться от примесей, поскольку оплавляются и испаряются прежде всего диэлектрические включения и легкоплавкие примеси. В результате должно происходить улучшение вакуумной изоляции. Это открывает возможности для разработки нового метода улучшения вакуумной изоляции.

Цели работы

1. Исследование влияния оплавления поверхности электродов при их облучении низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком микросекундного диапазона длительностей на характеристики пробоя вакуумных промежутков.

2. Исследование инициирования и динамики развития вакуумного пробоя в случае присутствия жидкой фазы на поверхности катода.

Научная новизна

3. Установлен эффект подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумных промежутков в результате оплавления поверхности электродов низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком микросекундного диапазона длительностей. Показано, что данный эффект наблюдается как в высоком безмасляном, так и в техническом масляном вакууме. Проведены детальные исследования данного эффекта для широкого круга материала, режимов обработки и условий испытания электрической прочности вакуумной изоляции, позволившие выявить наиболее эффективные режимы обработки и наиболее перспективные материалы для реализации этого метода.

4. Зарегистрировано появление жидкой фазы на микроэмиттере в финальной стадии автоэмиссии непосредственно перед взрывом эмиттера. Для этого состояния характерны специфические, ненаблюдавши-еся ранее эмиссионные изображения в автоэлектронном проекторе.

5. На жидкометаллическом катоде макроскопических размеров проведено экспериментальное моделирование электрогидродинамических (ЭГД) явлений, происходящих в микроэмиттере перед его взрывом при предельных плотностях тока автоэмиссии. Зарегистрированы все фазы роста и распада жидкометаллического выступа и произведён анализ результатов с точки зрения существующих теоретических представлений. Обнаружены новые закономерности данных физических процессов.

6. Обнаружены аномальные ЭГД явления на жидком вольфраме в ки-слородосодержащей атмосфере.

Научная и практическая ценность

Результаты работы вносят вклад в понимание процессов, происходящих при инициировании вакуумного пробоя. Установлены новые аспекты, связанные с пониманием роли жидкой фазы в вакуумном пробое. Получены важные экспериментальные результаты, позволяющие проверить и внести новые поправки в теоретическое описание ЭГД явлений на поверхности жидкометаллического катода.

Обнаружен эффект подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумной изоляции после облучения поверхности электродов электронным пучком. Найдены режимы оптимальной обработки и наиболее перспективные материалы для реализации нового метода повышения электрической прочности вакуумных промежутков.

Результаты исследований использованы при выполнении х/д 5/90 ИСЭ СО РАН с НИИ интроскопии при ТПУ (г. Томск) и контракта AL-1102 ИСЭ СО РАН с Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM, USA).

Тезисы, выносимые на защиту

7. Разработан метод подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумной изоляции путём предварительного облучения поверхности электродов низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком.

8. Импульсное электронно-лучевое оплавление поверхности электродов приводит к понижению уровня предпробойных токов на 1-3 порядка величины, увеличению пробивных напряжённостей электрического поля вакуумных промежутков в 1.5-2 раза и уменьшению плотности эмиссионных центров на поверхности катодов в 5-Ю раз по сравнению с электрохимически полированными электродными парами.

9. С использованием автоэмиссионного проектора и наносекундной импульсной техники зафиксирована термоавтоэлектронная эмиссия из жидкой фазы, появляющейся на поверхности металлического автоэмиттера непосредственно перед его взрывообразным разрушением и инициированием взрывной электронной эмиссии.

10. С использованием стробоскопической фотосъемки и специальной схемы электропитания вакуумного диода с жидкометаллическим катодом экспериментально зарегистрированы последовательные фазы

роста жидкометаллического выступа на поверхности катода, заканчивающегося инициированием пробоя, а также последующего распада этого выступа при исчезновении электрического поля. Показано, что результаты наблюдений хорошо описываются существующими представлениями о поведении жидкого металла в электрическом поле.

5. Обнаружена зависимость финального объёма конуса, формирующегося на поверхности жидкого металла в электрическом поле, от перенапряжения. Учёт этой зависимости в известной модели, описывающей запаздывание эмиссии с поверхности жидкометаллического эмиттера, позволяет максимально точно описать экспериментальные зависимости времени запаздывания эмиссии от перенапряжения.

6. При взрыве вольфрамовых контактов обнаружено, что в кислородо-содержащей атмосфере, в том числе на воздухе, на поверхности жидкого вольфрама развивается электрогидродинамическая неустойчивость при аномально низких значениях напряжённости электрического поля (~ 10⁵ В/м). Данное явление может быть объяснено появлением границы раздела с аномально низким поверхностным натяжением (~ 10"⁵ Дж/м²).

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах: "Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики", "Письма в журнал технической физики", "IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation"; б тезисов докладов в трудах 2-х Всесоюзных и 3-х Международных конференций; препринт ТНЦ СО РАН; описание на Патент РФ; описание на Полезную модель. Материалы диссертации докладывались на VI Всесоюзном Симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1986), XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990), XVI (Москва-Ст.Петербург, 1994) и XVII (Беркли, США, 1996) Международных Симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме, ХИІХольмовской Конференции по электрическим контактам (Чикаго, США, 1996).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, двух частей, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из 141 наименования. Основное содержание диссертации изложено на 126 страницах. Диссертация содержит 72 рисунка.

Похожие диссертации на Влияние состояния поверхности электроводов на характеристики вакуумного пробоя

Влияние состояния поверхности на процессы электронного обмена при вторичной ионной эмиссии и скользящем рассеянии атомных частицАдамов Георгий Валерьевич

Электронно-спектроскопические исследования и анализ состояния поверхности многокомпонентных систем, созданных ионной имплантациейУмирзаков, Балтохаджа Ерматович

Спиновые состояния поверхностиПетров Владимир Никифорович

Формирование зарядовых и возбужденных состояний атомных частиц средних энергий, отраженных от поверхности металлаФерлегер, Владимир Хилевич

Влияние состояния поверхности на электро- и фотолюминесцентные свойства порошковых цинксульфидных структурГусев Александр Сергеевич

Влияние состояния поверхности и приповерхностного слоя на оптические свойства металлических зеркалВахитов, Фаат Хасанович

Влияние состояния поверхности на процессы электро- и массопереноса в керамических высокотемпературных сверхпроводникахTl2Ba2Can-1CunO2n+4+дельта(n=1,2 и 3) и YВа2Сu3О7-дельтаЕфанов, Владимир Семенович

Влияние состояния межфазной поверхности на свойства гетероструктуры сульфид меди - соединение А2В6 при возбуждении ультрафиолетовым и бета-излучениямиКомащенко, Алексей Валерьевич

Влияние неадиабатических состояний при различных топологиях поверхности ферми на колебательные спектры металловДрагунов, Игорь Евгеньевич

Влияние поверхности и размеров образца на структуру смешанного состояния сверхпроводников второго родаПогосов Вальтер Валентинович