Электроимпульсное кондиционирование электродов в вакууме Емельянов Александр Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1 Виды нарушения вакуумной изоляции и кондиционирование электродов 12

1.1 Прсдпробойная проводимость и состояние поверхности электродов . 12

1.1.1 Прсдпробойная проводимость 12

1.1.2 Состояние поверхности электродов 15

1.2 Вакуумный пробой 19

1.2.1 Промежутки с острийным катодом 19

1.2.2 Промежутки с протяженными электродами . 23

1.3 Кондиционирование электродов в вакууме 29

1.3.1 Тлеющий разряд 30

1.3.2 Предпробонные токи 31

1.3.3 Пробои 33

1.3.4 Наносскундные импульсы 36

1.3.4.1 Пред пробойный режим 3G

1.3.4.2 Возникновение взрывной эмиссии 39

1.4 Выводы . 41

2 Инициирование импульсного пробоя 45

2.1 Критерий инициирования пробоя 45

2.1.1 Поверхностный источник 47

2.1.2 Джоулев источник 48

2.2 Критерий оптимальности электропмпульсного кондиционирования 52

2.3 Время запаздывания пробоя на импульсах разной формы 53

2.3.1 Прямоугольные импульсы напряжения с бесконечно коротким фронтом 53

2.3.2 Косоугольные импульсы напряжения 55

2.3.3 Прямоугольные импульсы напряжения с конечным фронтом 59

2.4 Влияние материала катода на время запаздывания G2

2.5 Оценка эмиссионных параметров поверхности катода GG

2.5.1 Коэффициент усиления поля на мнкронеоднородностях катодной поверхности G7

2.5.2 Работа выхода 73

2.6. Оценка импульсной электропрочности 75

2.7 Высоковольтное наносекундное кондиционирование электродов в вакууме 81

2.8 Выводы 84

3 Кондиционирование электродов сантиметровых промежутков 87

3.1 Экспериментальная установка и методика проведення экспериментов 87

3.2 Расчет времени запаздывания на косоугольной волне 89

3.3 Электрическая прочность на косоугольном импульсе 92

3.4 Потенциальная точность оценок коэффициента усиления поля 98

3.5 Установка электродов в секционированном изоляторе электронной импульсной пушки 104

3.6 Выводы 108

4 Кондиционирование электродов миллиметровых промежутков 111

4.1 Тлеющий разряд 111

4.2 Экспериментальная установка и методика выполнения экспериментов 114

4.3 Предпробойные токи и коэффициент усиления поля 118

4.4 Электрическая прочность вакуумных конденсаторов в статическом режиме 126

4.5 Оценка эмиссионных параметров катода из экспериментов по времени запаздывания вакуумного пробоя 134

4.6 Влияние шунтирующей емкости на электрическую прочность вакуумных промежутков 135

4.7 Совместное кондиционирование пробоями на постоянном и импульсном напряжениях 140

4.8 Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляциии 141

4.8.1 Статический режим 141

4.8.2 Импульсный режим 147

4.9 Выводы 149

5 Кондиционирование пленочных электродов 152

5.1 Экспериментальная установка и методика наносекунд ного кондиционирования 153

5.2 Кондиционирование большим количеством импульсов 159

5.3 Совместное использование постоянного л импульсного напряжений 164

5.4 Кондиционирование одиночными импульсами 171

5.5 Эффективность электроимпульсного кондиционирования 181

5.6 Влияние формы импульса на кондиционирование 188

5.7 Инициирование вакуумного пробоя в системе напыленных электродов 192

5.8 Электропрочность мпкроканалыюй пластины в наносскундном диапазоне длительностей 196

5.9 Технологические режимы кондиционирования , . 202

5.10 Приборы ночного видения 208

5.11 Выводы 216

Заключение 222

• Состояние поверхности электродов
• Косоугольные импульсы напряжения
• Расчет времени запаздывания на косоугольной волне
• Экспериментальная установка и методика выполнения экспериментов

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одной из электротехнических систем, требующей оптимизации режимов управления, является система технологических приемов и операций, обеспечивающая достижение и поддержание высокой электрической прочности п надежности ИЗОЛЯЦИИ различных высоковольтных электровакуумных устройств. Вакуумная электрическая изоляция нашла широкое применение в таких высоковольтных устройствах, аппаратах и приборах, как ускорители и сепараторы заряженных частиц, электрорсактивные космические двигатели и генераторы электромагнитного излучения, электронные микроскопы и рентгеновские трубки, вакуумные конденсаторы и разрядники, электронно-оптические преобразователи и фотоэлектронные умножители и т. п.

К настоящему времени получены значительные результаты по физике процессов, определяющих возникновение и развитие электрических явлений в вакууме /1-9/. Так, Г. А. Месяцем, С. П. Бугаевым, Е. А. Литвиновым, Д. И. Проскуровским, Г. Н. Фурссем и др. было открыто и всесторонне исследовано явление взрывной электронной эмиссии /4-G, 9-15/, заставившее пересмотреть ряд представлений о механизме развития электрического разряда в вакууме.

Несмотря на достижения в понимании физики вакуумных разрядов, больших успехов в области повышения электрической прочности электровакуумных приборов (ЭВП) и оборудования высокого напряжения достигнуто не было /7, 16-18/.

Для обеспечения необходимой электрической прочности вакуумной изоляции электроды высоковольтных электровакуумных приборов II конструкций после окончания предварительной обработки, включающей ряд технологических операций, подвергают на заключительной стадии кондиционированию тлеющим разрядом, током в полувакууме, предпробойными токами и пробоями. Эти методы, основанные на использовании длительно воздействующих напряжений приводят к достижению заданной электрической прочности.

Однако, традиционные методы кондиционирования, используемые в процессе производства и эксплуатации высоковольтных электровакуумных приборов, не позволяют достнгнть высоких значений электрической прочности в случае цельнометаллических электродов, а в случае вакуумных промежутков с напыленными пленочными электро-

дами оказываются либо малоэффективными, обладая при этом высокой вероятностью инициирования вакуумного пробоя с последующим разрушением металлизации, либо неприменимыми в принципе.

На практике проблему электрической прочности вакуумной изоляции часто решают эмпирически и такими дорогостоящими способами, как увеличение размеров вакуумных промежутков, использование специальных материалов при изготовлении электродов, применение трудоемких технологий обработки поверхностей, создание сложных электронных схем защиты оборудования /7/.

Электрическая прочность является одним из важнейших параметров высоковольтных ЭВП. Вопросы уменьшения токов утечки, повышения напряжения пробоя и стабилизации их значении особенно актуальны при разработке и эксплуатации ЭВП с большими рабочими поверхностями электродов. Так, широкое применение в высоковольтной высокочастотной аппаратуре находят высоковольтные вакуумные конденсаторы /16/. В отличие от других типов ЭВП они имеют электродную систему, характеризуемую значительной площадью электродов и большой неоднородностью электрического поля в торцевых областях. В этих условиях существенно обостряется проблема достижения п поддержания высокой электрической прочности, в значительной степени обеспечивающей надежность сложных радиопередающих систем. Разработка новых технологических приемов и операций, направленных на решение этой проблемы, имеет важное практическое значение.

Широкое распространение в оптико-физическом приборостроении, ядерно-физических исследованиях, астрономии, медицине и т. д. получили фотоэлектронные приборы (ФЭП) с мпкроканальным усилением: электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, временные и позишюнно-чувствительные детекторы, детекторы различных видов излучения, — вакуумные промежутки которых образованы напыленными пленочными электродами /19/. В процессе производства и эксплуатации ФЭП с микроканальным усилением на выходной поверхности мнкроканальной пластины (м. к. п.) могут возникать эмиссионные центры, приводящие к появлению локальных свечений на катодолюмннесцентном экране усилителя яркости изображения или недопустимо больших темповых токов в фотоэлектроннных умножителях.

Для ликвидации эмиссионных центров, как правило, применяют кондиционирование темновымн токами на постоянном напряжении в предпробойном режиме. Однако, эффективность такой системы тренн-

ровки, как и способов управления его, невысока и обладает высоедш вероятностью разрушения напыленных пленочных электродов. Кондиционирование пленочных электродов имеет свою специфику, так как не допускает возникновения электрического пробоя, разрушающего металлизацию. Проведение работ, направленных на создание новых технологий, позволяющих путем оптимизации кондиционирующего воздействия улучшать электроизоляционные характеристики вакуумных промежутков с напыленными электродами, имеет несомненную практическую значимость.

Таким образом, недостаточно высокие значения электрической прочности вакуумной изоляции высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций, достигаемые с помощью традиционных технологии, дают основание для разработки новых и совершенствования существующих технологических режимов кондиционирования электродов в вакууме.

Экспериментальные результаты, полученные при изучении начальной стадии взрывной эмиссии электронов, позволили установить, что электрические разряды наносекундного диапазона длительностей обладают высокой эффективностью воздействия на поверхность катода вакуумного промежутка. Эти результаты служат исходными данными для разработки технологии электроимпульсного кондиционирования.

Однако, исследования выполнены только иаострнйных катодах, моделирующих идеальный эмиттер.

Обоснование целесообразности применения высоковольтного наносекундного кондиционирования для повышения электрической прочности вакуумных промежутков и улучшения их эксплуатационных характеристик требует выполнения комплекса исследований в конкретных условиях высоковольтных приборов и конструкций как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродами, обладающими развитыми рабочими поверхностями.

Электроимпульсное кондиционирование связано с процессами на поверхности электродов н, прежде всего, инициирующими пробой. Теоретическое рассмотрение инициирования вакуумного пробоя выполнено численными методами при решении задачи о распределении температуры в эмиттере правильной геометрической формы в результате воздействия прямоугольного импульса напряжения.

Выявляя влияние параметров высоковольтных импульсов, материала и формы электродов на инициирование вакуумного пробоя, целесообразно упростить задачу, введя ограничение по длительности

импульсов, соответствующее наносекундному диапазону, что позволит получать аналитические решения как для оптимизации режимов элсктропмпульсного кондиционирования, так и для оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции при работе с напряжением любой формы п длительности в указанном диапазоне.

К настоящему времени методики оценки электрической прочности на высоковольтных импульсах наносекунд нон длительности отсутствуют.

Оценка современного состояния научно-технологической проблемы повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродами показывает, что разработка и создание новых технологий, а так же исследование и разработка новых способов и методов расчета электрической прочности вакуз'мной изоляции является актуальной научной проблемой, имеющей важное значение для ускорения научно-технического прогресса.

Целью работы является создание высокоэффективной технологии электроимпульсного кондиционирования электродов в вакууме, обеспечивающей достижение необходимой электрической прочности и надежности высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций. В соответствие с этой целью формулируется общая научная задача:

в теоретическом плане — исследование процесса инициирования вакуумного пробоя высоковольтными импульсами наносекундной длительности и разработка на его основе методов оптимизации кондиционирующего воздействия и оценки импульсной электрической прочности вакуумной изоляции;

в экспериментальном плане — разработка, исследования и реализация технологических приемов и операций повышения электрической прочности в конкретных условиях высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций и внедрение их в промышленность.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по разработке технологии электроимпульсного кондиционирования вакуумных промежутков, образованных цельнометаллическими и напыленными пленочными электродами, на импульсах напряжения разной формы и длительности, обеспечивающей достижение высокой электрической прочности и надежности вакуумной изоляции, включая формирование основных концепций выбора параметров кондиционирующего воздействия, режимов кондиционирования и управления процессом электроимпз'льс-

ного воздействия на поверхность электродов.

Предложен критерий оптимальности электроимпульсного кондиционирования, позволяющий путем выбора амплитуды и длительности высоковольтного импульса, обеспечивать требуемую величину электрической прочности.

Впервые экспериментально исследовано электроимпульсное кондиционирование вакуумных промежутков с напыленными пленочными электродами и получены результаты по их электрической прочности в наносекундном диапазоне длительностей.

Предложены методы и способы расчета импульсной электрической прочности и эмиссионных параметров поверхности катода.

Связь темы с планами научных работ. Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных и научно-исследовательских работ Томского политехнического института, Алма-Атинского энергетического института, Казахского национального технического университета; планами важнейших работ Министерства электронной промышленности СССР (приказ министра N 4 от 15.01.1985 г.) и межотраслевой программы "Разряд-80", в которых предусмотрено развитие НИР и ОКР по указанным выше направлениям.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня сокращений, введения, 5 глав, заключения, 14 приложений и списка использованных источников, содержащего 227 наименований, изложена на 2С4 страницах машинописного текста и включает 9G рисунков и о таблиц.

1 Виды нарушения вакуумной изоляции и кондиционирование электродов

Одним из основных факторов, определяющих электрическую прочность вакуумной изоляции, является состояние поверхности электродов, образующих вакуумный промежуток. Присутствие на электродных поверхностях микровыступов, частиц, слабо связанных с материалом электродов, оксидных пленок, загрязнений, диэлектрических II газовых включений, в конечном счете, определяет величину предпро-бопных токов и напряжения пробоя.

Характер нарушений вакуумной изоляции зависит от состояния поверхности электродов, а так же от величины и формы приложенного напряжения. Воздействие на вакуумный промежуток статического и переменного промышленной частоты напряжений приводит к трем видам нарушения электрической прочности:

предпробойным токам, резко зависящими от напряженности электрического поля;

мпкроразрядам — периодически повторяющимся импульсам тока, не вызывающим спада напряжения на промежутке;

пробоям — искровым разрядам, сопровождающимся резким спадом напряжения и переходящим при достаточной мощности источника питания в дуговой низковольтный разряд в парах материала электродов.

Напряжения, приводящие к возникновению нарушений электрической прочности вакуумной изоляции, характеризуют большие разбросы их значений. Электрическую прочность можно повысить, выбирая условия протекания предпробойных токов и последовательных пробоев в промежутке. Это явление, получившее название тренировки или кондиционирования электродов, широко используют в производстве и при эксплуатации высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций.

1.1 Предпробойная проводимость и состояние поверхности электродов

1.1.1 Предпробойная проводимость

Первые экспериментальные результаты по электрическим явлениям в вакууме были получены R. W. Wood /20/ в 1897 г. Возле й-

ствие на металлическую поверхность электрического поля большой напряженности приводит к появленнсю автоэлектронной эмиссии, плотность тока которой, как показали проведенные в 1928 г. теоретические исследования R. Н. Fowler, L. Nordheim /21/, определяет соотношение

^{Л =} <*'(») ^ХР{ Ё ^0(2/)}' ⁽¹⁾

где jq — плотность тока автоэлектронной эмиссии, А/м²; Е — напряженность электрического поля, В/м; ф — работа выхода электрона, эВ;

t(y) и <д(у) — табулированные безразмерные эллиптические функции с параметром і/, связанным с напряженностью электрического поля и работой выхода соотношением у — 3,79 Ю~⁵Е¹^²ф~¹. Для напряженностей от 2-Ю⁹ до 10¹⁰ В/м, соответствующих вершинам микровыступов поверхности катода вакуумного промежутка, t(y) — медленно изменяющаяся функция и с достаточной степенью точности может быть принята равной t(у) = 1. Функция &(у) линейно уменьшается с ростом Е и может быть аппроксимирована выражением /22/

О(У) = в₀ - 0! у², ; (2)

где Эо = 0,95С; i = 1,002 при напряженности электрического поля в диапазоне от 2 * 10⁹ до о 10 В/м, соответствующем стабильной автоэлсктронной эмиссии.

Влияние температуры эмиттера на плотность автоэлектронного тока рассмотрено в /23-25/. Плотность термоавтоэлектронного тока задают выражением /24/

где У = тгТ/2Т*;

Т* — температура инверсии, равная

Г = 5,67-1(Г⁷ЕсГ^1/2. (4)

Первые исследования электрических явлении в вакууме /2G-28/ показали, что вакуумный промежуток при напряжениях меньших напряжения пробоя U < и_щ, обладает конечной проводимостью, при этом предпробойные токи резко возрастают с увеличенном напряжения вплоть до возникновения пробоя. Totai, протекающие в вакуумном

промежутке, вызваны автоэлектронной эмиссией с отдельных участков поверхности катода, приводят к появлению светящихся пятен на аноде п качественно соответствуют уравнению Фаулера—Норд гейма /29, 30/

1 = ВЕ²схр{-Ь/Е], (5)

где Б, b — константы, значения которых зависят от состояния поверхности электродов /31/.

В чистых вакуумных условиях предпробойный ток обусловлен электронной компонентой, доля ионной составляющей возрастает по мерс увеличения загрязненности электродов /32-34/. При изменении формы электродов или расстояния между ними предпробошгую проводимость определяет только напряженность электрического поля на катоде /35-37/.

Предпробойный ток состоит из дискретных тонких неравномерно распределенных по поверхности электродов электронных пучков. Число пучков, их интенсивность и стабильность во времени зависят от многих факторов и очень сильно от присутствия на электродах органических загрязнений /34-39/. Из работ П. Н. Чистякова, А. Л. Радионовского, И. Н. Слнвкова, Л. А. Сены, Н. Ф. Олендзской, Н. В. Татарпновой и др. следует, что наличие на поверхности электродов загрязнений, окисных пленок /40-45/, адсорбированных газов /4G-49/ увеличивает нестабильность предпробойных токов, приводит к возникновению микроразрядов, уменьшает разрядные напряжения.

Возникновение микроразрядов может быть вызвано взаимной вторичной эмиссией положительных и отрицательных ионов /3G, 51, 52/, десорбцией газа /49, 50, 53/, микрочастицами /53, 54/, взрывной эмиссией /7/. Микроразряды вызывают десорбцию и слабое диффузное свечение в межэлектродном промежутке. Интенсивное газовыделе-нпе, вызываемое предпробойнымн токами /55-59/ и микроразрядами /43, 48/, стимулирует возникновение пробоя.

При различных давлении и составе газа в вакуумном промежутке нестабильность предпробойного тока объясняют изменением работы выхода в центрах эмиссии под влиянием бомбардировки катода положительными ионами /49, 50/. Бомбардировка анода электронами предпробойного тока вызывает десорбцию газа, в основном состоящего из О?, СО иСОч /55-59/. Импульсы предпробойного тока в сантиметровых промежутках и техническом вакууме приводят к интенсивному выделенною газа, состоящего из Н_% С, СО и СВ, и диффузным свечением у обоих электродов /GO/.

Возникающие под воздействием электронных пучков светящиеся точки на поверхности анода — анодные пятна /39, G1-G5/ излучают в коротковолновой области в результате возбуждения атомов поверхностных слоев анода /67/. Излучение анодных пятен захватывает рентгеновскую часть спектра /68/. На катоде в центрах эмиссии так же возникает свечение, но оно менее интенсивно и более устойчиво /69/. С ростом тока эмиссии свечение эмиссионных центров возрастает медленнее тока и меньше флуктуирует. Спектр свечения имеет максимумы, соответствующие люминесценции Си%0 (I — 650 нм) н C112S (I = 710 нм) на медных н AI2O3 (I — 500 нм) на дюралевых электродах. Спектр анодного свечения смещен в сторону коротких волн с длиной волны в диапазоне от 400 до 600 нм.

1.1.2 Состояние поверхности электродов

Качественная обработка поверхности электродов в сочетании с высокотемпературным прогревом и высоким вакуумом позволяет удалять основную массу сорбированных газов и загрязнений /17, 70, 71/. На катоде, обезгаженном прогревом в вакууме, возрастает площадь эффективной эмнттирующеи поверхности отдельных центров эмиссии, происходит снижение их активности /72/. Нагрев и охлаждение электродов существенно изменяют микрорельеф поверхности. При нагреве имеет место уменьшение поверхностной энергии металла за счет выхода на поверхность граней с меньшим поверхностным натяжением и возникают ступеньки, уступы и прочие нарушения микрорельефа. Быстрое охлаждение предварительно нагретых металлических образцов создает на поверхности сложные игольчатые узоры /73/.

Приложение высокого напряжения к электродам вакуумного промежутка изменяет микрорельеф поверхности. Длительное воздействие напряжения активизирует поверхностную диффузию и миграцию загрязнений, перестройку, испарение и десорбцию под действием поля, перенос микрочастиц через вакуумный промежуток, рост мпкровысту-пов и хаотических мпкронагромаждешш, вытягивание острпп и т. п. При конденсации на поверхности электродов пересыщенных металлических паров возникают кристаллы нитевидной формы /74/ с отношением высоты к радиусу h/r > 1000. Образование нитевидных кристаллов наблюдалось при работе в мощных модуляторных лампах с оксидным катодом и покрытыми золотом вольфрамовыми и молибденовыми сетками /75/.

Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля очень сильная, так при изменении Е в

три раза jo меняется на б порядков, поэтому автоэлектронная эмиссия прежде всего возникает на мнкровыступах поверхности катода, усиливающих напряженность поля. Отношение напряженности поля на вершине выступа Е к напряженности Eq в отсутствие такого выступа называют коэффициентом усиления поля /1/

(3 = Е/Е₀. (6)

Величина /3 зависит от конфигурации и размеров мпкровыступа. Расчетные зависимости /3 = f(h/r) получены для выступов идеализированной геометрической формы, таких как полу эллипсоид, цнллиндр пли конус со сферическими вершинами. Например, для цнллиндра

/3 = 2 + А/г, (7)

где /г, г — соответственно, высота и радиус кривизны микровыступа, справедливо при h/r > о /7/.

Коэффициент усиления поля зависит от соотношения между высотой мпкровыступа h и величиной d межэлектродного промежутка /70/

/? = /Ul-A/rf), (8)

где Дх — коэффициент усиления поля при h (L

Предпробопные токи, удовлетворяющие соотношению (о), наблюдают при напряженностях Eq ~ 10⁷ В/м на два порядка меньших величины, необходимой для возникновения тока автоэлектрошюп эмиссии. Это возможно при наличии на поверхности катода мнкровыступов с коэффициентом усиления р ~ 100. Существование таких выступов подтверждает дискретность рапределення автоэлектрошюп эмиссии по поверхности электродов и наличие в предпробойном токе тонких электронных пучков /33, 38, 39/.

R. P. Little, S. Т. Smith и W. Т. Whytney /77, 78/ с помощью анода-сетки п размещенного за ним люминесцентного экрана определяли местоположение эмиссионных центров. В 80% случаев в местах эмиссии были обнаружены микровыступы. Изучение профилен этих выступов с помощью теневого электронного микроскопа позволило оценить коэффициент усиления поля, который составлял р > 100. Большое количество мнкровыступов на катодах из различных металлов наблюдали и другие исследователи /79-84/. Одно из первых сообщений /79/ о применении электронной микроскопии для изучения профилей поверхностен электродов было сделано Г. А. Богдановскпм в 1959 г.

Присутствие микровыступов объясняет несоответствие между уравненном Фаулера—Нордгсйма, согласно которому для возникновения токов автоэлоктроиноп эмиссии необходима напряженность электрического поля Е ~ 10⁹ В/м, н экспериментальными результатами, в которых при Eq ~ 10⁷ В/м наблюдают ощутимые тем новые токи /G1, 62, 84-87/.

Наминая с работы D. Alport /G1/, эмиссионные центры стали интерпретировать как металлические микровыступы с высоким локальным значеннсм коэффициента усиления поля (3 /37, 88>, 89/. Ток / с мпкровыступа удовлетворяет уравнению Фаулера—Нордгсйма, в котором истинная напряженность поля представлена соотношением /1/

Е = 0Е_О. (9)

Подставив в уравнение Фаулера—Нордгсйма (1) соотношение (9) с учетом выражении для О(у) и у при t(y) — 1, получают /7/

W/еї) = №,54 io-V4.„^^} - ^2М/1^Ф , (Ю)

где А_зм — площадь эмнттпрующеп области, м².

Приведенная зависимость \{1/Е$) — f(l/Eo) представляет собой прямую линию, называемую вольт-амперной характеристикой в координатах Фаулера—Нордгсйма (ВАХ в Ф-Н — координатах). Из ее наклона, задаваясь значением работы выхода ф, определяют величину коэффициента усиления поля /7/

/3 = -2,84.10V^V2{'^gf}-, (П)

а по отрезку, отсекаемому прямой на оси ординат, — площадь эмиссии

А_ЭЛ( = 6,49 . ю^/З-^О"'^^^.--⁴'⁵²*-¹"). (12)

Предпробойный ток , как правило, обусловлен одновременным действием нескольких микровыступов /87, 90-93/. Значение /?, определяемое из (11) по суммарной силе тока /, соответствует наиболее острому микровыступу /3/

/?~тах#, (13)

а значение A_JM, найденное из (12), больше максимальной величины отдельного мпкровыступа, но меньше суммы эмиттнрующих площадей всех выступов /90-92/

max A_JMj < Aj._H < Л»*,;- (¹⁴)

Исследование эмиссионных центров на катоде, размещенном внутри камеры сканирующего электронного микроскопа, /94-9G/ позволило с помощью зондирующих анодных отверстий измерить эмиссионные характеристики отдельных мнкрообластей катода с последующим изучением их микрорельефа. Во всех случаях зависимость эмиссионного тока от напряженности электрического поля удовлетворяет уравнению Фаулсра—Нордгепма, однако исследованные участки катодной поверхности не содержали мпкроострнй со значениями (5 > 200. Эмиссионным центрам с расчетными значеннями Р от 500 до 700 и площади эмнттирующей поверхности от 10~¹⁷ до 5 10^-1G м² соответствовали инородные мпкровключення; центру со значением /3 = 230 — повреждение поверхности. Расположение анодного мпкрозонда в сканирующем электронном микроскопе, так^жс указывает на присутствие диэлектрических микровключешш в центрах эмиссии /69/. Микро-примеси внутри эмнттирующей области наблюдали также при использовании аппаратуры с перфорированным анодом /97/ и рентгеновских микроанализаторов /98/.

Исследование энергетических спектров электронов /9G/ показало, что для мнкрообластей катода с коэффициентом усиления ft > 200, в отличие от чисто металлического эмиттера, характерны сдвиг спектра на величину от 0,1 до 0,25 эВ относительно уровня Ферми, большая полуширина и почти симметричная форма распределения по энергиям. Полученные в /69, 94-98/ результаты: наличие в местах электронной эмиссии с высокими значениями коэффициента усиления поля р > 200 инородных включений; сдвиг энергетического спектра эмпттпрован-ных электронов; люминесцентный характер свечения в месте эмиссии и др., — объяснены /7, 99/ с помощью механизма неметаллических эмиссионных центров с пониженным значением работы выхода.

Явлениям, положенным в основу механизма неметаллических центров эмиссии, дано и другое объяснение /100/. Исследование эмиссионных центров на монокрнсталлпческом вольфрамовом острие и протяженной медной поверхности, выполненное в условиях отсутствия неметаллических включений, показало, что коэффициент усиления поля и площадь эмиссии, вычисленные по пред пробойным токам, имели значения 0 от 200 до 800 и площади эмиссии от 10~¹⁸ до 10"¹⁶ м², что соответствует неметаллическим центрам эмиссии. Высокие значения /і. сдвиг энергетического спектра электронов, эффекты свечения объяснены авторами комплексным взаимодействием электронной эмиссии и ионной бомбардировки.

Необходимо отметить, что линейные размеры эмиссионных центров с эмпттнрующей поверхностью Л_зл, ~ Ю^-1' м² меньше длины свободного пробега электронов в металле, составляющей при комнатной температуре А ^ 50 нм. В этом случае электрическое поле может проникать внутрь мпкровыстз'па, создавая горячие электроны, что соответствует росту общего тока эмиссии. Поэтому при оценке эмиссионных центров следует учитывать размерные эффекты.

Таким образом, коэффициент усиления поля /3 можно рассматривать как критерий общего состояния поверхности электродов, позволяющий оценивать элсктропрочность вакуумного промежутка в процессе кондиционирования. Расчетный параметр (3 характеризует не только микрорельеф, но н чистоту поверхности катода, наличие на ней различных дефектов и загрязнении. Высококачественной обработке поверхности, дающей большую электрическую прочность, соответствуют меньшие значения /? и большие значения А_эм.

1.2 Вакуумный пробой

1.2.1 Промежутки с острийным каходом

В 1953 г. \V. P. Dyke с сотрудниками /101-103/ при изучении пробоя в сверхвысоком вакууме впервые применили импульсную методику н автоэмисспонный микроскоп Мюллера. Это позволило обнаружить некоторые характерные явления, предшествующие переходу автоэмис-спи в вакуумный пробой, и высказать предположение о его механизме.

Было установлено, что при превышении плотностью тока эмиссии некоторой граничной величины возникают самопроизвольный рост тока и появление яркого кольца на эмиссионном изображении. Эти явления можно было наблюдать многократно. Однако, небольшое повышение амплитуды высоковольтного импульса (на ~ 1%) приводило к пробою, при этом величина критической плотности тока составляла j_K}) ~ 8-Ю¹¹ А/м², соответствуя напряженности поля на вершине эмиттера Е_кр с± 7 10⁹ В/м. Возникновение светящегося кольца наблюдали для эмиттеров, имевших сужение в виде "шейки". Это обстоятельство позволило объяснить его происхождение эмиссией из области сужения с максимальной плотностью тока и тем пер ату і) ой, где созданы условия для возникновения термоавтоэлектронной эмиссии.

Явления, предшествующие переходу автоэмиссии в вакуумный пробой, позволили Дайкз' и его сотрудникам установить, что основной причиной возникновения пробоя в системе автоэмиттер — анод явля-

ется плотность тока эмиттера. Было дано объяснение обнаруженным явлениям.

Достижение некоторой плотности автоэлектронного тока даст начало джоулеву разогреву острия, который приводит к переходу автоэлектронной эмиссии в термоавтоэлектронную. Тсрмоавтоэмнссия вызывает дальнейшее повышение температуры эмиттера и т. д. Лавинообразный рост температуры вызывает расплавление и испарение материала острия, ионизация которого электронным потоком компенсирует пространственный заряд электронов, приводя к лавинообразному росту тока и развитию пробоя.

Теоретическое рассмотрение этого процесса /102, 103/, учитывающее джоулев нагрев и тепловые потери на излучение и теплопроводность, показало, что для нагрева вершины эмиттера до 3000С за время действия высоковольтного импульса необходима плотность тока, соответствующая экспериментальным значениям.

В работе /104/ более строго рассмотрен джоулев разогрев металлического эмиттера. Учет температурной зависимости удельных сопротивления н теплоемкости материала катода, а также тепловых потерь на излучение позволил получить удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных плотностей тока для углов при вершине конуса Э < 60.

Изучение причин неустойчивости автоэлектронных эмиттеров при больших плотностях тока выполнено Г. Н. Фурсеем и др. /105-107/. Было установлено, что независимо от материала эмиттера при увеличении плотности тока и приближении се к критической на эмиссионном изображении возникает картина из нескольких концентрически расположенных и чередующихся по интенсивности свечения колец. Осторожное приближение к критическому состоянию позволило обнаружить при неизменном напряжении самопроизвольное нарастание тока с последующей тенденцией приостановления этого роста и насыщением. Дальнейшее увеличение времени пропускания тока не приводило к пробою. Полученный результат не соответствовал представлению о разрушении эмиттера развивающимися в нем лавинообразными процессами.

Существование кваз и ста ни он ар но го состояния эмиссии и последующей гибели эмиттера, сопровождаемой скачком тока до 3 порядков, позволило предположить, что непосредственный переход к дуге аналогичен электрическому взрыву тонких проволочек. На основе полученных экспериментальных результатов были изложены представления о

механизме возбуждения и развития взрывной эмиссии /107/, которые нашли экспериментальное подтверждение /108/. Однако, наиболее глубокое и полное рассмотрение явление взрывной эмиссии электронов получило в работах, выполненных Г. А. Месяцем, С. П. Бугаевым, Д. И. Проскуровским, Е. А. Литвиновым и др. /G, 11-15, 109, ПО/.

В совместных работах Г. А. Месяца и Г. Н. Фурсся /111, 112/ с использованием вакуума Р = о 10~⁷ Па и высоковольтных импульсов с фронтом %ф = 5 Ю^-9 с был исследован вопрос взрывного разрушения вольфрамового эмиттера при плотностях тока j > 10¹³ А/м². Зависимости времени запаздывания взрыва эмиттера от плотности пред-взрывного эмиссионного тока 1₃ = f(j) и напряженности электрического поля на его вершине fj = f(E_K}}) представлены рисунком 1.

Для времени запаздывания t₃ < 4 10~^G с и плотностей тока от 5 10¹¹ до 10¹³ А/м² произведение квадрата плотности тока на время запаздывания оставалось величиной неизменной j²t₃ = 4 * 10^і' А²с/м'¹. Небольшое уменьшение напряженности Е_кр от 7 10 до 0,5 10⁹ В/м приводит к росту t₃ на ~ 5 порядков.

Теоретическое объяснение полученным результатам дано Е. А. Литвиновым, Г. А. Месяцем и А, Ф. Шубиным /113/ на основе исследования временной зависимости плотности тока термоавтоэлектронноп эмиссии, протекающего через вольфрамовый эмиттер цилиндрической формы.

Краевая задача для распределения относительной температуры в цилиндрическом эмиттере /113/

'f = 0 ₊ У(У^іиГ^,
<Лг=о=1'о, У\₁₌Т1=Уь (15)

где х = я/о^/аео/А; Тг = /tJo\M,/A; т = tsc₀j$/pc;

У_э — относительная температура кончика эмиттера;

р, с, А, аео — соответственно, плотность, удельная теплоемкость,

коэффициент теплопроводности и температурный коэффициент

удельного сопротивления материала эмиттера;

к — постоянная Больцммна;

с — заряд электрона;

h — высота эмиттера, была записана с учетом влияния тепла Ноттпнгама в процессе нагрева

')9

эмиттера, вы])аження для тсрмоавтоэлектроиного тока (3) и температурного изменения удельного сопротивления материала эмиттера /3/

ж (Г) = яе₀Г.

(16)

Выражение (4) и последнее уравнение в (15) являются аналитической записью эффекта Ноттннгама.

Время запаздывания пробоя /112/

0,7

1,1

1,5

Обозначение кривых: 1- зависимость от напряженности электрического поля (ось абсцисс - напряженность (х10¹⁰ В/м)); 2- зависимость от плотности тока (ось абсцисс - плотность тока (Д/.u²)). Ось ординат - время запаздывания (не)

Рисунок 1

Использование при решении краевой задачи (15) численных методов позволило авторам /ИЗ/ установить, что величина]$і₃ определяется свойствами материала эмиттера

jlU ^2,2^. (17)

Аналогичное выражение было получено для эмиттеров в форме конуса /114/

JlU ~2,2^f(E_Kpiа), (18)

где функция 0,75 < f(E_Kp,a) < 2,3 при изменении Е_кр от 0,9 10^ш до 1,3-10¹⁰ В/м и половинном угле при вершине конуса от 0,1 до 0,8 рад.

Дальнейшее исследование нестационарной термоавтоэмпсспи с остри иного катода /115/ показало, что при напряженности поля на вершине эмиттера Екр > 10^ш В/м температура электронов может значительно превышать температуру решетки. В этом случае 1₃ определяет уже не столько плотность тока jo, сколько скорость передачи энергии от электронов решетке.

Взрыв эмиттера обеспечивает образование плотной плазмы, расширяющейся в промежутке со скоростью от 2 10⁴ до 2,5 1С¹ м/с /112/. При коммутации вакуумного промежутка эмиссия электронов, происходит с фронта катодного факела. Время коммутации t_K прямо пропорционально межэлектродному зазору г/, а отношение dfi_K составляет от 2-Ю¹ до 2,5-Ю⁴ м/с /НС/.

В образовании плазмы катодного факела принимает участие и боковая поверхность эмиттера /117/. Спектральные исследования /117, 118/ показали, что в образовании плазмы активно участвует материал эмиттера. Экспериментальные результаты по уносу металла в плазму катодного факела при взрывной эмиссии нашли объяснение с позиций джоулева разогрева эмпттцрующсго острия /119/.

Результаты приведенных исследований показывают, что в случае вакуумных промежутков с остринным катодом имеет место катодный механизм инициирования вакуумного пробоя, при этом пробой инициирует джоулев разогрев эмпттцрующсго острия проходящим через него термоавтоэлектронным током,

1,2.2 Промежутки с протяженными электродами

W. S. Boyle, P. Kisluik и L. Н. Gcrmcr /120/ исследовали характеристики вакуумной изоляции при микронных зазорах между обезгажен-нымп вольфрамовыми электродами в высоком вакууме Р = 10^_f Па

на прямоугольных импульсах напряжения мнкросекундной длительности. Было показано, что макронапряженность электрического поля, обеспечивающая одну и ту же величину тока в промежутке, зависит от его длины.

D. Alport с сотрудниками /С1/ на основе своих исследований, а также с использованием результатов /120/ установили, что, несмотря на сильное изменение макронапряженности Eg электрического поля при пробое, а также коэффициента усиления поля (3 с изменением межэлектродного зазора (I, критическая мпкронапряженность Е_кр — fiE, приводящая к инициированию пробоя, остается величиной постоянной. Найденное значение Е_кр для вольфрама составило величину, равную критической напряженности, определенной W. P. Dyke /102/ на монокристаллическом вольфрамов эмиттере.

Это обстоятельство позволило авторам /61/ высказать предположение, что вакуумный пробой между электродами с большими поверхностями наступает прп достижении некоторой критической величины электрического поля на вершинах эмпттпрующнх остріш. Прп критическом значении поля ток автоэлектронной эмиссии вызывает термический разогрев и разрушение мпкровыступов, наиболее активно участвующих в эмиссии.

С целью проверки предложенной модели инициирования пробоя для больших чем в работе /120/ промежутков были проведены дополнительные эксперименты с широкими вольфрамовыми электродамп в высоком вакууме при изменении межэлектродного расстояния от 0,05 до 0,35 мм. Для каждого промежутка после тренировки пробоями строилась вольт-амперная характеристика предпробойного тока в Ф-Н координатах, по углу наклона которой определялся коэффициент (3.

Было показано, что при изменении величины межэлектродного промежутка на пять порядков критическая мпкронапряженность электрического поля постоянна в пределах ошибок измерении и не зависит от геометрии электродов. Для вольфрама Е_Щ1 = (6, о ± 1)10⁹ В/м.

Проверка предложенной Альпертом модели инициирования вакуумного пробоя на целой серии металлов /89, 121/ подтвердила основное положенно теории, что критическая микронапряженность электрического поля неизменна в большом интервале межэлектродных расстоянии Е_Кр — const, но для каждого металла имеет свое значение. Величины критической мнкронапряженностн электрического поля для ряда металлов приведены в таблице 1 /61/.

Таблица 1

Критическая микронапряженность электрического поля

Критическая мпкронапряженность электрического поля составляет постоянную величину лишь при достаточно больших длительностях импульсов напряжения. Как следует из /112/ мпкронапряженность электрического поля, инициирующего вакуумный пробои, возрастает с уменьшением длительности высоковольтных импульсов, достигая на импульсах t_u ~ 1 не величины в два раза большей значения, определенного Дай ком и Альпсртом.

Зависимость критической микронапряженности электрического поля на катоде от мелеэлектродного расстояния в статическом режиме приведена на рисунке 2.

Критическая микронапряженность электрического поля на

вольфрамовом катоде

-*-

ОО 9 QC^OCb^V О

W

1(Г⁵ 1СГ³ кг¹

d—-

Ось абсцисс - межэлектродное расстояние (см), ось ординат - мпкронапряженность поля (В/м). Экспериментальные резз'льтаты: -/120/; о - /61/; о - /102/

Рисунок 2

Важная роль при изучении физических явлений вакуумного пробоя принадлежит изучению его временных характеристик. Результаты первых работ на импульсном напряжении, выполненных L. В. Stiocldy и J. A. Chiles /122, 123/, дали основание полагать, что время развития пробоя в промежутках d ~ 1 мм составляет 10"' с. В работах /124-126/ было показано, что напряжение пробоя возрастает по мере уменьшения времени его воздействия на вакуумную изоляцию.

Исследования вакуумного пробоя на импульсах с фронтом ~ Ю^-9 с. выполненные Г. М. Касспровым, Б. М. Ковальчуком и Г. А. Месяцем /127, 129/, показали, что время запаздывания разряда t₃ уменьшается с ростом напряжения и при перенапряжении К > 1,1 не превышает нескольких десятков наносекунд. Время спада напряжения t_cn прямо пропорционально длине вакуумного зазора.

Дальнейшие исследования развития импульсного пробоя коротких вакуумных промежутков, выполненные Г. А. Месяцем с сотрудниками /130-132/, показали, что время запаздывания определяет только макронапряженность поля и материал катода.

Зависимости времени запаздывания от средней напряженности поля для электродов из разных материалов приведены рисунком 3,

Время коммутации прямо пропорционально величине промежутка, а отношение d/t_K соответствует значению ~ 2-Ю⁴ м/с для острпйного катода /112, 133/. Результаты, полученные при d < 1 мм, нашли подтверждение при экспериментальном изучении временных характеристик развития пробоя в вакуумных промежутках d < 7 мм /11G/.

Исследование вакуумного пробоя между плоскими электродами из нержавеющей стали при изменении межэлектродного расстояния от 5 до 15 мм, выполненное Н. Ф. Олендзской и М. А. Сальманом /134/, показало, что имеет место уменьшение t₃ с ростом крутизны фронта высоковольтного импульса, подаваемого на электроды. Была предложена методика и рассчитано время запаздывания для прямоугольного импульса с бесконечно коротким фронтом по экспериментальной зависимости напряжения пробоя от времени запаздывания на косоугольной волне.

В основе методики лежит предположение, что накопление определяющих пробой факторов до некоторой критической величины G вызывает пробой, т. е. критерий возникновения пробоя может быть представлен в следующем виде /134/

Jl³ f(U)dt - G,

(19)

где f{U) — скорость накопления факторов, определяющих возникновение пробоя.

Время запаздывания для электродов из различных материалов /132/

t₃ 12

0,8 1,6 2,4 3,2 4,0

Eq

Ось абсцисс- средняя напряженность поля (хЮ⁸ В/м), ось ординат время запаздывания (не)

Рисунок 3

На прямоугольном импульсе напряжения функция f(U) неизменна во времени и может быть представлена в виде /134/

/(СО = G/h.

(20)

В случае косоугольной волны напряжение на промежутке растет линейно U = i]t и, следовательно, dt = dU/ij. После подстановки этого выражения D (19) с учетом (20) крутизна импульса принимает вид /134/

После дифференцирования (21) время запаздывания пробоя на прямоугольном импульсе равно /134/

U = ^. (22)

(11)

Из выражения (22) следует, что для расчета времени запаздывания на прямоугольном импульсе необходимо построить экспериментальную зависимость напряжения пробоя на косоугольной волне от крутизны импульса, а затем ее продифференцировать. Авторамп было показано удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений i₃. Время запаздывания пробоя на косоугольной волне напряжения на порядок превосходит t₃ на прямоугольном импульсе, причем с ростом его величины растет разброс отдельных значений.

Экспериментальные результаты по времени запаздывания вакуумного пробоя могут быть использованы для определения коэффициента усиления поля Р на микроостриях поверхности катода. Сопоставление зависимости времени запаздывания t₀ = ДД)) Для широких электродов с аналогичной зависимостью t₃ = f[E) для острпйного катода при t₃ = const дает /G/

Р = Е/Е₀. (23)

Расчеты, выполненные для молибдена, меди, алюминия, дали значения р от 50 до 120, соответствующие обычно измеряемым значениям при вакуумном пробое.

Г. Ы. Кассировым и Г. В, Смирновым исследованы временные характеристики пробоя сантиметровых промежутков /135, 13G/. Было показано, что среднее значение времени запаздывания, также как и разброс его значений, уменьшается с ростом перенапряжения. Как и в миллиметровых зазорах время коммутации линейно возрастает с увеличением длины промежутка. Скорость коммутации сантиметровых промежутков составляет v_K = 3 10⁴ м/с.

Электроннооптичсские исследования световых явлении, сопровождающих пробой, показали /130, 131, 137/, что после приложения к промежутку высоковольтного импульса с фронтом іф ~ 10~⁹ с начало роста тока совпадает с появлением катодных факелов, распространяющихся к аноду со скоростью от 2 10'¹ до 3-10⁴ м/с. Анодное свечение возникает при токе / = 0,и/,„_а1 в местах противоположных катодным факелам. Яркость анодного свечения растет, достигая величины, сравнимой с яркостью катодного свечения, через время t ~ t_K.

Спектральный анализ прпкатодной плазмы в начальной стадии вакуумного разряда /117, 118, 138/ подтвердил, что материал катода

принимает активное участие в образовании плазмы катодного факела, состав и температура которой близки к составу и температуре плазмы катодного пятна вакуумной дуги.

Из полученных результатов следует, что, как и в случае острннного эмиттера, инициирование пробоя вакуумных промежутков с широкими электродамп происходит в результате взрывного разрушения микровыступов на поверхности катода, приводящего к появлению плазмы, распространяющейся в промежуток и представляющей собой интенсивный источник электронов, обеспечивающий рост тока пробоя.

Постоянство критической мнкронапряженностн электрического поля при работе с импульсами t_u > 10~^б с дает возможность предсказывать электрическую прочность вакуумной изоляции по вольт-амперной характеристике продпробойного тока. Однако, экспериментальных данных по прогнозированию электрической прочности реальных ЭВП получено не было.

При работе с импульсами наиосскундного диапазона длительностей t_u < Ю~^б с основное положение предложенной Альпертом модели инициирования вакуумного пробоя, заключающееся в постоянстве критической микронапряженности электрического поля, оказывается неприменимым, т. к. с уменьшением длительности импульса величина Е_кр, приводящая к инициированию пробоя, возрастает.

Для количественного объяснения основных экспериментальных зависимостей по импульсному электрическому пробою вакуумных промежутков, а также прогнозирования их электрической прочности должно быть перспективным использование математического аппарата, описывающего разрушение эмпттпрующего мнкровыступа катодной поверхности протекающим через него термоавтоэлектронным током.

1.3 Кондиционирование электродов в вакууме

Одним из основных факторов, определяющих электрическую прочность вакуумной изоляции, является состояние поверхности электродов, образующих вакуумный промежуток. Присутствие на электродных поверхностях микровыступов, слабосвязанных частиц, оксидных пленок, загрязнений, диэлектрических и газовых включений в конечном счете определяет величину предпробоцных токов и напряжения пробоя. В технологическом процессе производства высоковольтных ЭВП, а также при использовании электроизоляционных свойств вакуума в специальной электрофизической аппаратуре применяют раз-

личные методы обработки поверхности электродов, направленные на повышение электрической прочности вакуумной изоляции.

Перед установкой электродов в вакуумную камеру их подвергают предварительной обработке. Шлифование и полировка позволяют получать рабочие поверхности с весьма небольшими неровностями. Однако механическая обработка приводит к образованию поверхностного аморфного слоя, в котором помимо разрушенных н деформированных зерен металла присутствуют остатки карбидов и абразивных материалов, продукты химических реакции и загрязнений. Механическую обработку электродов завершают их очисткой с последующим обез-жнреванпем растворителями, промывкой и обработкой ультразвуком. После установки электродов на рабочее место в откачиваемую вакуумную систему их обезгажпвают путем продолжительного нагрева.

После обезгаживання прогревом электроды подвергают кондиционированию тлеющим разрядом, током в полувакууме, предпробойнымп токами и пробоями.

1.3.1 Тлеющий разряд

При кондиционировании тлеющим разрядом используют бомбардировку поверхностен электродов ионами инертного газа, увеличивающую работу выхода и электрическую прочность промежутка. Кондиционирование осуществляют напряжением постоянного и переменного тока.

Тренировка тлеюшпм разрядом в водороде в течение 3 минут при давлении от 400 до 4000 Па, полярности электродов обратной рабочей н плотности тока ~ 2,5 А/м² может приводить к удвоению пробивного напряжения /124/. В работах /44, 139, 140/, выполненных под руководством П. Н. Чистякова, кондиционирование тлеющим разрядом позволило получать высокие значения электрической прочности вакуумиых промежутков.

Так в результате 8 часового прогрева молибденовых электродов до 950 С электронной бомбардировкой в высоком вакууме и последующего кондиционирования тлеющим разрядом в аргоне в течение 1 часа при давлении 400 Па и токе 100 мА был получен ток / = 10~⁶ А в промежутке d = 0,12 мм при напряженности 7 = 2,5* 10⁸ В/м /140/. Во время кондиционирования достигали равномерного покрытия свечением рабочей поверхности электродов. По окончании тренировки состояние поверхности электродов контролировали с помощью после-разрядной эмиссии /141/.

Кондиционирование тлеющим разрядом переменного тока исполь-

зуют в технологическом процессе производства высоковольтных вакуумных выключателей и конденсаторов. Вакуумные коммутирующие устройства с целью получения и поддержания в них высокого вакуума подвергают вакуумно-технологнческой обработке, включающей обезгажнвание контактов. Контакты обезгаживают при их разомкнутом положении, зажигая между ними разряд переменного тока в среде инертного газа или водорода /142/. При этом обеспечивают возможность обработки контактов из металлов и сплавов с различными удельными электрическими сопротивлениями и температурами плавления.

Наилучшие результаты обычно достигают в случае пропускания тока 30 мА в течение часа. Более длительное горение тлеющего разряда часто приводит к быстрому уменьшению электрической прочности. По окончании кондиционирования перед подачей высокого напряжения камеру откачивают до Ю^-5 Па /16/.

Однако, интенсивное разложение оксидов и обезгажнвание под действием бомбардировки ионами имеет место только лишь на поверхности катода, то имеет место перенос отрицательно заряженных частиц примесей и загрязнений, выделяемых с сто поверхности, на противоположный электрод под действием электрического поля. Так как кондиционирование осуществляют на переменном токе, то в следующую полуволну после смены полярности отрицательные ионы примесей и загрязнении будут перенесены в обратном направлении и так далее. Непрерывная смена полярности при обработке контактов вакуумных коммутирующих устройств тлеющим разрядом переменного тока не позволяет получать требуемого качества очистки и обезгажи-ванпя контактов, снижая долговечность и надежность работы коммутирующих устройств.

1.3.2 Предпробойные токи

Кондиционирование предпробойнымн токами используют при изготовлении маломощных электровакуумных приборов, не допускающих возникновения искрового разряда.

Кондиционирование осуществляют по схеме, приведенной на рисунке 4.

Баластнып резистор 7?^, включенный последовательно вакуумному промежутку ВП, должен иметь сопротивление много большее сопротивления промежутка. В зависимости от типа ЭВП используют резисторы величиной от 10⁷ до 5 10^Q Ом /18/. Баластнып резистор, играя роль элемента обратной связи, стабилизирует кондиционирую-

шее напряжение на электродах ЭВП, не допуская его увеличения до напряжения пробоя U_np. С ростом прсдпробоГшого тока во время кондиционирования возрастает падение напряжения на сопротивлении Rs баластного резистра, что приводит к уменьшению напряжения на промежутке.

Схема кондиционирования электродов предпробойнымп токами /17/

Л*

Rs - баластное сопротивление; ВП - вакуумный промежуток

Рисунок 4

При кондиционировании постоянное напряжение на вакуумном промежутке увеличивают до достижения определенно!! величины предпро-бойного тока на грани возникновения пробоя, выдерживают промежуток под этим напряжением, после чего далее повышают напряжение в соответствии с повышением электрической прочности вакуумной изоляции /143/. В результате кондиционирования обеспечивают стабилизацию предпробойного тока и уменьшение его величины. Тренировку продолжают до достижения напряжения, превышающего на 25% рабочее напряжение промежутка U_pag.

Медленное увеличение напряжения на электродах способствует удалению из промежутка десорбированного газа и слабосвязанных микрочастиц, уменьшая при этом постоянную составляющую предпробойного тока и частоту следования микроразрядов /144/. Кондиционирование предпробойнымп токами приводит к обработке поверхности обоих электродов и обеспечивает большую электрическую прочность чем кондиционирование током в полувакууме /145/.

В результате электронной бомбардировки происходит нагрев 11 обез-гажпванпе поверхности анода. Использование длительного попеременного нагрева молибденовых электродов током / = 1 мА при температурах от 800 до 900С /44/ приводит к стабильному току менее Ю^-8 А в промежутке й — 1 мм при напряжении U — 90 кВ, при более высоких плотностях тока имеет место оплавление мпкроэмнттеров /146/.

Однако, кондиционирование предпробопными токами слишком длительно и не нашло широкого применения при производстве высоковольтных ЭВП. В случае ФЭП с пленочными электродами эффективность такой тренировки невысока и часто вызваст инициирование вакуумного пробоя с последующим разрушением металлизации.

1.3.3 Пробои

Наиболее распространенным методом кондиционирования электродов является тренировка высоковольтными пробоями. В работах И. Н. Сливкова /1, 3, 8/ приведено большое количество данных о влиянии различных условий тренировки на ее эффективность. Тренировку пробоями осуществляют на постоянном, переменном и импульсном напряжениях.

В результате проведения такой тренировки за счет эрозии катода происходит уничтожение локальных областей с повышенной эмиссионной способностью. В местах возникновения пробоев наблюдают оплавление мпкровыступов, испарение материала электродов, десорбцию газов, диссоциацию окислов и загрязнении. Испаренные вещества осаждаются на окружающие участки поверхности электродов и вакуумной камеры. В результате этих процессов происходит изменение поверхностных свойств электродов, причем наиболее сильные изменения наблюдают в местах возникновения пробоев.

Пробои, уничтожая слабые места, кондиционируют электроды и повышают электрическую прочность вакуумной изоляции, с другой стороны, пробои создают новые центры эмиссии на электродной поверхности и ухудшают электрическую прочность. Число пробоев необходимое для достижения максимальной электрической прочности изменяется в широких пределах и может достигать нескольких тысяч.

В процессе кондиционирования с ростом числа пробоев устанавливается равновесие процессов уничтожения имеющихся и создания новых центров инициирования вакуумного пробоя. Изменением условий кондиционирования достигают различных уровней равновесия этих процессов и, соответственно, разных значений электрической прочности вакуумной изоляции. Изменяя энергию, выделяющуюся на элек-

тродах вакуумного промежутка при пробое, можно не только повысить электрическую прочность тренируемого электровакуумного прибора, но и необратимо ухудшить ее /17/ пли даже разрушить электроды ЭВП /18/.

Время достижения рабочих напряжений на электродах минимально, если минимальна энергия, выделяемая в межэлектродном зазоре при высоковольтных пробоях /147, 148/. При малых значениях энергии разряда интенсивность разрушения микроиеоднородностеп больше интенсивности их образования. Менее мощные пробои обычно оказывают кондиционирующее действие, тогда как более мощные пробои ухудшают электрическую прочность изоляции /149/. При площади электродов в несколько квадратных сантиметров количество пробоев необходимое для получения высокой и стабильной электропрочности, может достигать нескольких тысяч. Время тренировки возрастает с увеличением площади электродов /147/. Для достижения продолжительной и стабильной работы электровакуумных приборов их подвергают длительной тренировке до пробивного напряжения, превышающего номинальное до 2 раз /16/.

Тренировку на постоянном напряжении осуществляют по схеме, приведенной на рисунке 5.а.

При возникновении пробоя через вакуумный промежуток протекает ток /, равный сумме тока разряда конденсатора 1с, изменяющегося по экспоненте, и тока источника Ir, ограниченного сопротивлением R {рисунок 5.6).

Емкость С определяет энергию пробоя и ток в его начальной стадии, сопротивление R — время заряда конденсатора, т. е. частоту следования разрядов, и величину тока в конечной стадии пробоя. После достижения током разряда конденсатора величины, соответствующей точке л, ток через тренируемый промежуток определяют напряжение источника и величина сопротивления R. При достаточной мощности источника и малом сопротивлении дуга в промежутке не погаснет, что вызовет повреждение электродов. Поэтому величина R должна обеспечивать значение Iji меньшее тока гашения дуги.

С другой стороны, величина сопротивления R определяет время заряда шунтирующего кондесатора, а значит, и частоту следования пробоев, влияющую на продолжительность тренировки. Так как при каждом разряде вакуум в приборе ухудшается, то форсирование этого процесса может оказать дскондншюиируюшее действие. Оптимальные значения R и С при разных условиях могут быть различными и

для получения максимальной электрической прочности в каждой конструкции необходим соответствующий выбор их величин /17/.

Схема кондиционирования электродов пробоями (а) и ток вакуумного промежутка (б) /17/

_{" с}

«)

б)

а). Л - ограничительное сопротивление, ВП - вакуумный промежуток, С - шунтирующая емкость; б). Ось абсцисс - время (с), ось

ординат - ток (А)

Рисунок 5

В /2/ приведены эксперимстальные данные, показывающие влияние величины шунтирующей емкости на электрическую прочность промежутка d = 0,25 мм. Напряжение пробоя изменяли на порядок при изменении емкости. Максимальное значение U_np = GO кВ было достигнуто при С = 12,5 нФ.

Однако, кондиционирование вакуумных промежутков высоковольтными пробоями не позволяет достигать высоких значений электрической прочности в случае цельнометаллических электродов, а в случае напыленных пленочных электродов оказывается недопустимым в принципе, т. к. вызывает разрушение металлического напыления.

Вопрос выбора величин ограничительного сопротивления и шунтирующей емкости исследован недостаточно. Ориентировочно, наиболее благоприятна величина сопротивления от 10'¹ до 10⁵ Ом. Величина С должна быть такой, чтобы энергия, запасаемая в шунтирующей емкости, составляла от 5 до 15 Дж при рабочем напряжении и чисто металлических электродах /8/.

Для кондиционирования электродов в вакууме перспективным должно быть применение высоковольтных импульсов с длительностью меньшей времени формирования пробоя.

1.3.4 Наносекундные импульсы

Н. В. Черепннным /17/ отмечено, что тренировка на импульсах мили- и микросекундной длительности близко копирует рабочие режимы электровакуумных приборов и эффективность ее мало отличима от эффективности кондиционирования в статическом режиме. Им высказано предположение, что в основу разработки импульсного режима тренировки может быть положено то обстоятельство, что развитие разряда в межэлектродном промежутке требует определенного времени, необходимого для завершения коммутационных процессов. Следовательно, может быть осуществлена импульсная тренировка при такой длительности импульса, при которой острия иа отрицательно заряженных электродах успевают испариться, но дуговой разряд не возникает.

Эффективность импульсной тренировки существенным образом зависит от коэффициента перенапряжения и длительности высоковольтных импульсов. Учитывая, что в промежутках d < 1 мм время развития пробоя составляет от 10~⁷ до 10~⁶ с /150, 151/, а критическая мнкронапряженность Е_кр, приводящая к инициированию вакуумного пробоя, остается величиной неизменной как в статическом режиме, так п на импульсах мпкросекундной длительности, можно предполагать, что при t_u > Ю^-6 с, превышающей время развития пробоя, импульсное кондиционирование не будет эффективнее тренировки в статическом режиме, а при длительности меньшей времени формирования разряда, т. е. в наносекунд ном диапазоне, следует ожидать существенного повышения эффективности процесса электронмпульсного кондиционирования.

1.3.4.1 Предпробойный режим

В работах /152, 153/, выполненных В. Jiittncr, было изучено влияние высоковольтных импульсов нано- п субнаносекундной длительности на электроды вакуумного промежутка в предпробойном режиме. В качестве электродов были использованы закругленные штыри диаметром 1,4 мм, изготовленные из вольфрама, никеля и меди. Межэлектродный зазор изменяли в пределах от 0 до 200 мкм с погрешностью ±3 мкм. Давление в вакуумной камере до Р = 10"' Па создавали электроразрядным насосом.

В режиме постоянного тока были сняты вольт-амперные характе-

ристикп вакуумного промежутка с одновременной регистрацией эмиссионного изображения катода на люминесцентном экране, установленном на расстоянии 30 см за анодом. При проекционных исследованиях в качестве анода был использован диск диаметром 5 мм и толщиной 0,3 мм, имевший отверстие диаметром 0,6 мм. На статическое напряжение накладывали импульсы фиксированной амплитуды U_u — 80 кВ наносекундной длительности. Длительность импульсов регулировали в диапазоне от 0,1 до 80 не.

Эксперименты были начаты при t_u — 0,1 не и продолжены с увеличением длительности. Импульсы длительностью 0,1 нс вызывали вариации газового покрытия эмиттеров. Эти изменения носили реверсивный характер и в течение нескольких секунд снова устанавливалось первоначальное газовое покрытие. Изображения эмиссии после воздействия более длинных импульсов становились темнее и внезапно исчезали.

Показано, что в предпробонном режиме при амплитуде U_u = const эффективность кондиционирования возрастает с ростом длительности высоковольтных импульсов. При этом имеет место уменьшение коэффициента усиления поля Р на микронеоднородностях поверхности катода.

На рисунке 6 приведены вольт-амперные характеристики в координатах Фаулера—Нордгсйма, подтверждающие это.

Номер кривой соответствует последовательности измерения. На кривых отмечен коэффициент усиления поля /?, вычисленный из их наклона при заданном значении работы выхода ф — 4,0 эВ. Перед снятием кривых от первой до пятой промежуток подвергали импульсному кондиционированию при постепенном увеличении длительности от 0,1 до 1,25 нс.

С увеличением t_u наблюдалось уменьшение коэффициента усиления поля Р и числа эмиттеров на эмиссионном изображении. Возникновение единственного вакуумного пробоя на импульсе U» = 80 кВ, t_u = 80 нс привело к появлению новых эмиссионных центров и к ~ 3-х кратному увеличению коэффициента /?. Кривая G представляет вольт-амперную характеристику после пробоя.

Эксперименты с импульсами длительностью от 0,1 до 80 нс позволили сделать вывод, что в предпробойном режиме при U_u — const и увеличении длительности от 0,1 до 1,0 нс воздействие высоковольтных наносекундных импульсов на электроды приводит лишь к разрушению мнкровыступов поверхности катода без регенерации новых эмпсснон-

ных центров.

Вольт-амперные характеристики после кондиционирования вакуумного промежутка наносекундными импульсами различной

длительности /153/

IgW-²

и-¹—-

Ось абсцисс - величина обратная напряжению (х10~⁴ В^-1), ось ординат - логарифм отношения тока к квадрату напряжения (А/В'²). Над кривыми обзначен порядковый номер эксперимента, внизу - соответствующие значения коэффициента усиления поля

Рисунок G

Учитывая высокую эффективность воздействия высоковольтных на-носекундных импульсов на электроды вакуумного промежутка, представляет интерес рассмотрение экспериментальных результатов, по-

лученных при инициировании пробоя п возникновении взрывной эмиссии электронов,

1.3.4.2. Возникновение взрывной эмиссии

Исследование электродов вакуумного промежутка при инициировании пробоя и возникновении импульсов тока взрывной эмиссии электронов выполнено в работах В. Juttner /154/, Г. А. Месяца и Д. И. Проскуровского /155, 15G/.

В экспериментах /155, 15G/ с острпйными электрополированными катодами из меди и молибдена с углом конуса до 30 п радиусом вершины до 20 мкм были использованы высоковольтные импульсы фиксированной амплитуды U_u = 30 кВ и переменной длительности от 1,5 не до 5 мкс. Формирование микрорельефа поверхности катода изучали с помощью растрового электронного микроскопа при длительностях импульсов тока t_u < t_K = dJv_K на стадии их роста (di/dt ~ 5 10⁹ А/с).

Результаты исследовании показали, что элементарными следами поражения поверхности катода являются мпкрократеры, возникающие при длительности t_u = 5 не, С ростом t_lt до 100 не размеры кратеров возрастали до 5 мкм. Дальнейшее увеличение длительности приводило к появлению новых кратеров на краях возникших ранее. При уменьшении t_u наблюдали сокращение размеров микрократеров и сглаживание поверхности острийного катода.

Уменьшение длительности импульсов тока взрывной эмиссии на два порядка с t_u = 100 не до i_u = 1,5 не приводило к 0-кратному уменьшению коэффициента усиления поля на мнкровыступах поверхности катода от 30 до 5 (рисунок 7).

При t_u = 1,5 не размеры кратеров были сравнимыми с разрешением микроскопа и поверхность катода выглядела практически полированной, как и при кондиционировании в предпробойном режиме /152, 153/.

Эксперименты по наносскундному кондиционированию электродов в вакууме как в предпробойном режиме (однородное поле, U_u — 80 кВ), так и при пинцировании пробоя и возникновении взрывной эмиссии электронов (резко неоднородное поле, U_и — 30 кВ) выполнены при фиксированной амплитуде высоковольтных импульсов U_u — const. В обоих случаях эффективность кондиционирования возрастает по мере приближения к некоторому критическому состоянию, соответствующему длительности импульсов t_u ~ 1 не. Только приближение к нему происходит с разных сторон.

Коэффициент усиления поля на мнкроострпях /155/

10:

6 = 4

_и—-

Ось абсцисс - длительность импульса тока взрывной эмиссии (не), ось ординат - коэффициент усиления поля. Эксперимент для: d — 3 (о); 12 () и 18 мм (о)

Рисунок 7

В пред пробойном режиме приближение к критическому состоянию происходит по мере роста длительности импульсов напряжения, прикладываемых к промежутку. В режиме инициирования пробоя и возникновения взрывной эмиссии электронов приближение к этому же состоянию имеет место при уменьшении длительности пмпз'льсов тока взрывной эмиссии. Вблизи критического состояния в обоих случаях достигнуты результаты близкие к предельным, когда имеет место лишь разрушение микровыступов катодной поверхности, а катод выглядит практически полированным.

Можно предположить, что критическое состояние, для достижения которого при фиксированной амплитуде высоковольтных импульсов, воздействующих на электроды вакуумного промежутка, нужно максимально увеличивать длительность импульсов напряжения в пред пробойном режиме, а при инициировании пробоя — максимально уменьшать длительность импульсов тока, характеризует оптимальный режим высоковольтного импульсного кондиционирования.

При оптимальном режиме энергия, выделяемая высоковольтным импульсом в мпкроэмиттсре, достаточна лишь для его разрушения и не

идет на поддержание разряда. Это возможно только при кондиционировании высоковольтными импульсами с длительностью равной времени запаздывания пробоя в вакууме t_u ~ i₃.

Однако, экспериментальные результаты по воздействию высоковольтных наносекундных импульсов на электроды вакуумного промежутка выполнены в модельных условиях на электродах малой плоша-дп. Данные о влиянии наносекундного кондиционирования на параме-тры электр и ческой прочности реальных электровакуумных приборов как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродамп к началу наших исследований отсутствовали.

Для определения оптимальных и отработки технологических режимов электронмпульсного кондиционирования необходимо:

- проведение исследований по инициированию пробоя вакуумных
промежутков с широкими электродами;

- установление закономерностей, связывающих электрическую проч
ность вакуумной изоляции с характеристиками материала электродов
и параметрами кондиционирующего воздействия;

выполнение экспериментов по отработке оптимальных режимов высоковольтного наносекундного кондиционирования при различных значениях амплитуд и длительностей импульсов;

доведение отработанных режимов до технологических применений.

1.4 Выводы

Традиционные технологии повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных приборов и конструкции ограничены использованием тлеющего разряда, пред пробойных токов и пробоев при длительно воздействующих напряжениях, позволяющих достигать заданных значении электрической прочности.

Однако, величина электрической прочности, получаемой в результате использования известных решений, остается недостаточно высокой в случае цельнометаллических электродов. В случае напыленных пленочных электродов традиционные технологии либо малоэффективны, обладая при этом высокой вероятностью инициирования пробоя и разрз^гшения металлизации, либо непригодны в принципе.

Основу новых технологии повышения электрической прочности вакуумных промежутков как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродамп может составить использование нано-

РОССИЙСКАЯ

'ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

секундных импульсов напряжения.

Из полученных к настоящему времени экспериментальных результатов по воздействию высоковольтных наносекундных импульсов на электроды вакуумного промежутка как в предпробойном режиме, так и в режиме инициирования пробоя и возникновения взрывной эмиссии электронов следует высокая эффективность наносскундного кондиционирования, позволяющего достигать минимальных значений коэффициента усиления поля на микронеоднородностях поверхности катода, соответствующих его полировке.

Однако, результаты получены в модельных условиях идеального остригшого эмиттера, а сведения об использовании наносекундных импульсов напряжения для повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций, обладающих электродами с развитой рабочей поверхностью, к настоящему времени отсутствуют.

Особый интерес представляют исследования по электроимпульсно-му кондиционированию вакуумных промежутков с напыленными пленочными электродами, основной особенностью которых является низкая электрическая прочность и недопустимость возникновения вакуумного пробоя, разрушающего металлизацию.

Однако, данные по воздействию высоковольтных наносекундных импульсов на напыленные пленочные электроды до настоящего времени отутствуют.

В этой связи необходимо проведение экспериментальных исследований с последующей разработкой режимов наносскундного кондиционирования, позволяющих учитывать влияние параметров кондиционирующих импульсов п материала электродов в конкретных условиях высоковольтных электровакуумных приборов и конструкции как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродами.

Разработка новых технологических процессов и совершенствование существующих могут быть осуществлены на базе знания физики явлений, происходящих при кондиционировании электродов и, прежде всего, определяющих инициирование вакуумного пробоя.

Инициирование пробоя вакуумных промежутков на импульсном напряжении происходит в результате концентрирования энергии в мн-крообъеме эмиттера. Разогрев мнкроэмиттера протекающим через него термоавтоэлсктронным током, возникновение термической нестабильности и его последующее взрывное разрушение определяют ИНН-

щшрующую стадию вакуумного пробоя на импульсах короткой длительности.

Применение джоулсва механизма разогрева эмиттера на высоковольтных импульсах наносекундного диапазона даст возможность получать аналитические решения, определяющие влияние параметров кондиционирующих импульсов, материала п формы электродов на инициирование пробоя.

Изучение процесса инициирования импульсного пробоя позволяет, в конечном счете, построить расчетные схемы для оценки:

электрической прочности вакуумных промежутков, образованных электродами разной геометрии н материала, на импульсах напряжения с конечным и бесконечно коротким фронтом;

характеристик импульсного воздействия, кондиционирующего поверхность катода и повышающего электрическую прочность изоляции;

— эмиссионных параметров поверхности катода.
Основываясь на фундаментальных исследованиях в области физики

электрических разрядов в вакууме, современном состоянии технологических процессов повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных и фотоэлектронных приборов, а также отмеченных выше работах, были поставлены следующие задачи, решаемые в диссертационной работе:

выполнение комплекса теоретических и экспериментальных исследований инициирования вакуумного пробоя на импульсном напряжении наносекундной длительности в промежутках с цельнометаллическими и пленочными электродами;

разработка методов и способов оценки электрической прочности вакуумной изоляции и эмиссионных параметров поверхности катода для электродов разной геометрии и материала на высоковольтных на-носекундных импульсах;

разработка способов повышения электрической прочности, включая формирование основных концепций выбора параметров кондиционирующих импульсов, режимов кондиционирования и управления процессом электроимпульсного воздействия на поверхность электродов в вакууме;

создание технологии электропмпульсного кондиционирования с использованием оптимальных режимов обработки цельнометаллических и пленочных электродов и внедрение технологических приемов и операций в промышленность.

Главные положения, выносимые на защиту:

технология электр 01 імпуль с ного кондиционирования электродов в вакууме с использованием высоковольтных ианосекундных импульсов, максимизирующая электрическую прочность в конкретных условиях электровакуумных приборов и конструкций с цельнометаллическими и напыленными пленочными электродамп;

критерий оптимальности электропмпульсного кондиционирования и методы расчета импульсной электрической прочности, достигаемой в результате оптимизации режимов кондиционирования;

комплекс теоретических и экспериментальных исследовании электрической прочности вакуумных промежутков с цельнометаллическими и напыленными пленочными электродами на импульсах напряжения разной формы и длительности;

совокупность способов повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных приборов и конструкции и оценки эмиссионных параметров поверхности катода;

результаты создания и промышленного освоения высокоэффективных технологических режимов повышения электрической прочности высоковольтных электровакуумных и фотоэлектронных приборов.

2 Инициирование импульсного пробоя

Инициирование вакуумного пробоя может быть вызвано различными процессами: взрывным разрушением эмпттирующего катодного выступа; десорбцией газов и паров с анода в результате его разогрева электронной бомбардировкой; взаимодействием электродов с мнкро-п макрочастицами; различными процессами в диэлектрических пленках и инородных неметаллических включениях; разрушающим воздействием электростатических сил и др.

Приведенные выше исследования показывают, что, в случае высоковольтных импульсов микро- п наноеекундноп длительности, инициирование пробоя вакуумных промежутков как с острипным катодом, так и с широкими электродами происходит в результате реализации катодного механизма, когда имеет место взрывное разрушение эмиттера за счет джоулева разогрева протекающим через него термоавто-электронным током.

Использование механизма джоулева инициирования, позволяет найти аналитические зависимости, связывающие время запаздывания пробоя в вакууме с напряженностью электрического поля, инициирующего пробой, и физическими постоянными материала катода, что может быть полезным при объяснении экспериментальных результатов и получении дополнительной информации об электрической прочности вакуумной изоляции, эмиссионных параметрах поверхности катода и режимах элсктроимпульсного кондиционирования.

2.1 Критерий инициирования пробоя

Исследования пробоя, выполненные W. P. Dyke на острипных катодах /101-103/, позволили высказать предположение, что плотность протекающего через эмиттер тока является доминирующим критерием инициирования вакуумного пробоя. Для достаточно больших длительностей импульсов t_u > 10~^G с, а также в стационарном режиме критерий инициирования пробоя имеет вид /103/

j = Зк_Р = const. (24)

D. Alpert показал, что в случае плоских электродов и однородного электрического поля при t_u > 10~^G с инициирование вакуумного пробоя происходит при достижении мнкронапряженностыо поля на катоде

некоторого критического значения /61/

Е = Е_кр = const. (25)

При выполнении условия (25) разрушение микровыступа катодной поверхности происходит в результате его омического нагрева автоэлектронным током критической плотности.

Из экспериментальных и теоретических исследовании, выполненных под руководством Г. А. Месяца и Г, Н. Фурсея /111-113/ следует, что при t_u < 10~⁶ с критерий инициирования вакуумного пробоя имеет вид /111/

j²t₃ = const. (26)

Позднее было показано /115/, что критерии (26) справедлив для длительностей высоковольтных импульсов, намного превосходящих время термической релаксации в металлах, составляющее величину /_р - КГ¹¹ с.

D работе Н. Ф. Олендзской и М. А. Сальмана /134/ дана методика определения напряжения пробоя на прямоугольном импульсе по экспериментальным данным для косоугольной волны напряжения. Методика основана на критерии инициирования пробоя, представленного выражением (19).

В предположении, что имеет место катодный механизм инициирования вакуумного пробоя в результате джоулева разогрева, возникновения термической нестабильности и взрывного разрушения микро-эмиттера катодной поверхности протекающим через него термоавто-электронным током, покажем справедливость критерия инициирования пробоя (19), конкретизируем вид и определим физический смысл величин, входящих в него.

Использование импульсов напряжения длительностью

h²pc .„„.

tp < U < -у- (27)

позволяет пренебречь, с одной стороны, конечностью времени передачи энергии от электронов решетке, с другой — охлаждением эмиттера теплопроводностью. Для микровыступов высотой до 10 мкм, имевших место в работах /77, 78, 81/, ограничение (27) принимает следующий вид КГ¹¹ ( < t_u < 10~^s с.

Таким образом, использование высоковольтных импульсов наиосе-кундного диапазона длительностей позволяет привести краевую зада-

чу (15) к виду /157, 158/

'р^с*Ж ⁼ (Л^хо^т + «1/>^{сГ 1/2 cos Q}'^r) (<*^т/ ^{shi aT}f ,

(28)

где яі = 2kT*j₀/ey/Xpc; а = тг/2Г\

Первое слагаемое в дифференциальном уравнении (28) учитывает джоулев нагрев эмиттера, второе — нагрев поверхностным источником тепла (эффект Ноттппгама). В пренебрежении теплопроводностью данное уравнение справедливо для эмиттера произвольной формы.

С целью определения вклада джоулеоа источника и эффекта Нот-тингама в процесс разрушения эмиттера исследовали влияние каждого из источников в отдельности.

2.1.1 Поверхностный источник

Для оценки влияния поверхностного источника на разогрев эмиттера рассмотрим задачу (28) в отсутствие джоулева нагрева /157, 158/

'f = аіГ¹*² cos аТ[аТ/ sin аГ)²,

(29)

Состояние поверхности электродов

Одной из электротехнических систем, требующей оптимизации режимов управления, является система технологических приемов и операций, обеспечивающая достижение и поддержание высокой электрической прочности п надежности ИЗОЛЯЦИИ различных высоковольтных электровакуумных устройств. Вакуумная электрическая изоляция нашла широкое применение в таких высоковольтных устройствах, аппаратах и приборах, как ускорители и сепараторы заряженных частиц, электрорсактивные космические двигатели и генераторы электромагнитного излучения, электронные микроскопы и рентгеновские трубки, вакуумные конденсаторы и разрядники, электронно-оптические преобразователи и фотоэлектронные умножители и т. п.

К настоящему времени получены значительные результаты по физике процессов, определяющих возникновение и развитие электрических явлений в вакууме /1-9/. Так, Г. А. Месяцем, С. П. Бугаевым, Е. А. Литвиновым, Д. И. Проскуровским, Г. Н. Фурссем и др. было открыто и всесторонне исследовано явление взрывной электронной эмиссии /4-G, 9-15/, заставившее пересмотреть ряд представлений о механизме развития электрического разряда в вакууме.

Несмотря на достижения в понимании физики вакуумных разрядов, больших успехов в области повышения электрической прочности электровакуумных приборов (ЭВП) и оборудования высокого напряжения достигнуто не было /7, 16-18/.

Для обеспечения необходимой электрической прочности вакуумной изоляции электроды высоковольтных электровакуумных приборов II конструкций после окончания предварительной обработки, включающей ряд технологических операций, подвергают на заключительной стадии кондиционированию тлеющим разрядом, током в полувакууме, предпробойными токами и пробоями. Эти методы, основанные на использовании длительно воздействующих напряжений приводят к достижению заданной электрической прочности.

Однако, традиционные методы кондиционирования, используемые в процессе производства и эксплуатации высоковольтных электровакуумных приборов, не позволяют достнгнть высоких значений электрической прочности в случае цельнометаллических электродов, а в случае вакуумных промежутков с напыленными пленочными электродами оказываются либо малоэффективными, обладая при этом высокой вероятностью инициирования вакуумного пробоя с последующим разрушением металлизации, либо неприменимыми в принципе.

На практике проблему электрической прочности вакуумной изоляции часто решают эмпирически и такими дорогостоящими способами, как увеличение размеров вакуумных промежутков, использование специальных материалов при изготовлении электродов, применение трудоемких технологий обработки поверхностей, создание сложных электронных схем защиты оборудования /7/.

Электрическая прочность является одним из важнейших параметров высоковольтных ЭВП. Вопросы уменьшения токов утечки, повышения напряжения пробоя и стабилизации их значении особенно актуальны при разработке и эксплуатации ЭВП с большими рабочими поверхностями электродов. Так, широкое применение в высоковольтной высокочастотной аппаратуре находят высоковольтные вакуумные конденсаторы /16/. В отличие от других типов ЭВП они имеют электродную систему, характеризуемую значительной площадью электродов и большой неоднородностью электрического поля в торцевых областях. В этих условиях существенно обостряется проблема достижения п поддержания высокой электрической прочности, в значительной степени обеспечивающей надежность сложных радиопередающих систем. Разработка новых технологических приемов и операций, направленных на решение этой проблемы, имеет важное практическое значение.

Широкое распространение в оптико-физическом приборостроении, ядерно-физических исследованиях, астрономии, медицине и т. д. получили фотоэлектронные приборы (ФЭП) с мпкроканальным усилением: электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, временные и позишюнно-чувствительные детекторы, детекторы различных видов излучения, — вакуумные промежутки которых образованы напыленными пленочными электродами /19/. В процессе производства и эксплуатации ФЭП с микроканальным усилением на выходной поверхности мнкроканальной пластины (м. к. п.) могут возникать эмиссионные центры, приводящие к появлению локальных свечений на катодолюмннесцентном экране усилителя яркости изображения или недопустимо больших темповых токов в фотоэлектроннных умножителях.

Для ликвидации эмиссионных центров, как правило, применяют кондиционирование темновымн токами на постоянном напряжении в предпробойном режиме. Однако, эффективность такой системы треннровки, как и способов управления его, невысока и обладает ВЫСОЕДШ вероятностью разрушения напыленных пленочных электродов. Кондиционирование пленочных электродов имеет свою специфику, так как не допускает возникновения электрического пробоя, разрушающего металлизацию. Проведение работ, направленных на создание новых технологий, позволяющих путем оптимизации кондиционирующего воздействия улучшать электроизоляционные характеристики вакуумных промежутков с напыленными электродами, имеет несомненную практическую значимость.

Таким образом, недостаточно высокие значения электрической прочности вакуумной изоляции высоковольтных электровакуумных приборов и конструкций, достигаемые с помощью традиционных технологии, дают основание для разработки новых и совершенствования существующих технологических режимов кондиционирования электродов в вакууме.

Экспериментальные результаты, полученные при изучении начальной стадии взрывной эмиссии электронов, позволили установить, что электрические разряды наносекундного диапазона длительностей обладают высокой эффективностью воздействия на поверхность катода вакуумного промежутка. Эти результаты служат исходными данными для разработки технологии электроимпульсного кондиционирования.

Однако, исследования выполнены только иаострнйных катодах, моделирующих идеальный эмиттер.

Обоснование целесообразности применения высоковольтного наносекундного кондиционирования для повышения электрической прочности вакуумных промежутков и улучшения их эксплуатационных характеристик требует выполнения комплекса исследований в конкретных условиях высоковольтных приборов и конструкций как с цельнометаллическими, так и с напыленными пленочными электродами, обладающими развитыми рабочими поверхностями.

Косоугольные импульсы напряжения

В /2/ приведены эксперимстальные данные, показывающие влияние величины шунтирующей емкости на электрическую прочность промежутка d = 0,25 мм. Напряжение пробоя изменяли на порядок при изменении емкости. Максимальное значение Unp = GO кВ было достигнуто при С = 12,5 нФ.

Однако, кондиционирование вакуумных промежутков высоковольтными пробоями не позволяет достигать высоких значений электрической прочности в случае цельнометаллических электродов, а в случае напыленных пленочных электродов оказывается недопустимым в принципе, т. к. вызывает разрушение металлического напыления.

Вопрос выбора величин ограничительного сопротивления и шунтирующей емкости исследован недостаточно. Ориентировочно, наиболее благоприятна величина сопротивления от 10 1 до 105 Ом. Величина С должна быть такой, чтобы энергия, запасаемая в шунтирующей емкости, составляла от 5 до 15 Дж при рабочем напряжении и чисто металлических электродах /8/.

Для кондиционирования электродов в вакууме перспективным должно быть применение высоковольтных импульсов с длительностью меньшей времени формирования пробоя.

Н. В. Черепннным /17/ отмечено, что тренировка на импульсах мили- и микросекундной длительности близко копирует рабочие режимы электровакуумных приборов и эффективность ее мало отличима от эффективности кондиционирования в статическом режиме. Им высказано предположение, что в основу разработки импульсного режима тренировки может быть положено то обстоятельство, что развитие разряда в межэлектродном промежутке требует определенного времени, необходимого для завершения коммутационных процессов. Следовательно, может быть осуществлена импульсная тренировка при такой длительности импульса, при которой острия иа отрицательно заряженных электродах успевают испариться, но дуговой разряд не возникает.

Эффективность импульсной тренировки существенным образом зависит от коэффициента перенапряжения и длительности высоковольтных импульсов. Учитывая, что в промежутках d 1 мм время развития пробоя составляет от 10 7 до 10 6 с /150, 151/, а критическая мнкронапряженность Екр, приводящая к инициированию вакуумного пробоя, остается величиной неизменной как в статическом режиме, так п на импульсах мпкросекундной длительности, можно предполагать, что при tu Ю-6 с, превышающей время развития пробоя, импульсное кондиционирование не будет эффективнее тренировки в статическом режиме, а при длительности меньшей времени формирования разряда, т. е. в наносекунд ном диапазоне, следует ожидать существенного повышения эффективности процесса электронмпульсного кондиционирования.

В работах /152, 153/, выполненных В. Jiittncr, было изучено влияние высоковольтных импульсов нано- п субнаносекундной длительности на электроды вакуумного промежутка в предпробойном режиме. В качестве электродов были использованы закругленные штыри диаметром 1,4 мм, изготовленные из вольфрама, никеля и меди. Межэлектродный зазор изменяли в пределах от 0 до 200 мкм с погрешностью ±3 мкм. Давление в вакуумной камере до Р = 10" Па создавали электроразрядным насосом.

В режиме постоянного тока были сняты вольт-амперные характе ристикп вакуумного промежутка с одновременной регистрацией эмиссионного изображения катода на люминесцентном экране, установленном на расстоянии 30 см за анодом. При проекционных исследованиях в качестве анода был использован диск диаметром 5 мм и толщиной 0,3 мм, имевший отверстие диаметром 0,6 мм. На статическое напряжение накладывали импульсы фиксированной амплитуды Uu — 80 кВ наносекундной длительности. Длительность импульсов регулировали в диапазоне от 0,1 до 80 не.

Эксперименты были начаты при tu — 0,1 не и продолжены с увеличением длительности. Импульсы длительностью 0,1 нс вызывали вариации газового покрытия эмиттеров. Эти изменения носили реверсивный характер и в течение нескольких секунд снова устанавливалось первоначальное газовое покрытие. Изображения эмиссии после воздействия более длинных импульсов становились темнее и внезапно исчезали.

Показано, что в предпробонном режиме при амплитуде Uu = const эффективность кондиционирования возрастает с ростом длительности высоковольтных импульсов. При этом имеет место уменьшение коэффициента усиления поля Р на микронеоднородностях поверхности катода.

Номер кривой соответствует последовательности измерения. На кривых отмечен коэффициент усиления поля /?, вычисленный из их наклона при заданном значении работы выхода ф — 4,0 эВ. Перед снятием кривых от первой до пятой промежуток подвергали импульсному кондиционированию при постепенном увеличении длительности от 0,1 до 1,25 нс. С увеличением tu наблюдалось уменьшение коэффициента усиления поля Р и числа эмиттеров на эмиссионном изображении. Возникновение единственного вакуумного пробоя на импульсе U» = 80 кВ, tu = 80 нс привело к появлению новых эмиссионных центров и к 3-х кратному увеличению коэффициента /?. Кривая G представляет вольт-амперную характеристику после пробоя.

Эксперименты с импульсами длительностью от 0,1 до 80 нс позволили сделать вывод, что в предпробойном режиме при Uu — const и увеличении длительности от 0,1 до 1,0 нс воздействие высоковольтных наносекундных импульсов на электроды приводит лишь к разрушению мнкровыступов поверхности катода без регенерации.

Расчет времени запаздывания на косоугольной волне

Из представленных на рисунке 15 графиков следует, что с целью уменьшения коэффициента (3 и, соответственно, повышения качества поверхности катода, вакуумный промежуток следует обрабатывать высоковольтными наносекундными импульсами, амплитуда и длительность которых достаточны лишь для инициирования пробоя, т. е, удовлетворяют критерию оптимальности (44).

При обработке электродов импульсами tu с t, энергия импульса идет лишь на разрушение мпкроэмпттера, не поддерживая дальнейшее развитие разряда. Качество обработки поверхности катода возрастает по мере увеличения напряженности электрического поля, инициирующего вакуумный пробой, и приближения Е$ к Екр, т. е, по мере увеличения мощности кондиционирующих импульсов, удовлетворяющих критерию (44).

Коэффициент усиления поля /?, представляющий собой отношение напряженности электрического поля на вершине мнкровыступа к напряженности на катоде в его отсутствие (б), определяют только его геометрические параметры, он не зависит от материала катода. Отсюда следует, что выражения (7С) и (77), полученные для медных электродов, должны быть справедливы и для других материалов /174/.

С целью проверки этого предположения выполнены аналогичные расчеты для .:.: : алюминия, молибдена, никеля, вольфрама и железа.

Значения коэффициента усиления поля /5, определенные из экспериментов по времени запаздывания вакуумного пробоя для С», Л1, Л/о, Лгг, Fe и W и соответствующие оптимальному режиму кондиционирования импульсами ttt t3, приведены в виде одного графика ft = /(1) на рисунке 1С.

Экспериментальные точки, соответствующие различным материалам катода, с большой точностью укладываются на одну кривую, из которой следует, что коэффициент усиления поля ft не зависит от материала электродов и удовлетворяет выражениям (76)V (77), полученным для медных электродов.

При выполнении критерия оптимальности электронмпульсного кондиционирования (44) с ростом макроиапряжешшетп EQ электрического поля, инициирующего вакуумный пробой, имеет место уменьшение коэффициента усиления ft, соответствующее улучшению качества поверхности катода. Кондиционирование электродов при EQ — Екр и длительностях высоковольтных импульсов tu t3 обладает эффектом полировки катодной поверхности.

Полученные соотношения (7G) и (77), связывающие коэффициент усиления ft с макронапряженностью электрического поля EQ, позволяют с помощью аналитических выражении для времени запаздывания вакуумного пробоя ,(49), (GG) и (71) рассчитывать зависимости времени запаздывания от макронапряженности электрического поля для различных материалов и форм импульсов напряжения, а также оценивать работу выхода электрона материала катода.

При контроле состояния поверхности катода вакуумного промежутка, образованного электродами с протяженной рабочей поверхностью, работу выхода электрона материала катода, как правило, предполагают известной, тогда как ее значения, определенные в экспериментах с автоэлектронной эмиссией, имеют существенный разброс. Более того, получаемые при этом значения отличны от величин работы выхода, рекомендуемых на основании измерений различными методами /8/.

В экспериментах с автоэлектронной эмиссией для определения работы выхода материала катода подают высокое напряжение постоянного тока на вакуумный промежуток с катодом в виде нити или острия известион геометрической формы, измеряют ток автоэлектронной эмиссии, определяют напряженность электрического поля на катоде, строят график в Ф-Н координатах и расчитывают величину работы выхода по тангенсу угла наклона этого графика.

Такой способ определения работы выхода предполагает использование катода в виде нити или острия известной гемстричеекон формы для расчета мпкронапряженностн электрического поля на катоде и не применим для катода с протяженной рабочей поверхностью, на которой присутствуют микровыступы неизвестной геометрии, приводящие к локальному усиления поля.

С целью оценки работы выхода материала катода из экспериментов по времени запаздывания пробоя в вакууме используем соотношения (66) и (71), связывающие времена запаздывания на косоугольной волне и прямоугольном импульсе напряжения с конечным фронтом с временем запаздывания на прямоугольном пмпз льсс с бесконечно коротким фронтом.

Экспериментальная установка и методика выполнения экспериментов

С целью проверки спрапсдлнвостп теоретических результатов, полученных с помощью использования механизма джоулева инициирования вакуумного пробоя и разработанных на их основе методик расчета импульсной элсктропрочности вакуумноп ИЗОЛЯЦИИ II эмиссионных параметров катода, а также отработки режимов электроимпульсного кондиционирования электродов выполнены экспериментальные исследования электрической прочности вакуумных промежутков.

Исследования были начаты в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете под руководством И. И. Каляц-кого и Г. М. Кассирова, а затем продолжены самостоятельно в Ал-матпнеком институте энергетики п связи и Казахском национальном техническом университете.

Первые экспериментальные результаты по импульсной электрической прочности вакуумной изоляции были получены нами в сантиметровом диапазоне межэлектродных промежутков на высоковольтных импульсах мшфосскундной длительности. Для отработки оптимальных режимов электроимпульсного кондиционирования были использованы высоковольтные вакуумные конденсаторы с миллиметровыми межэлектроднымн зазорами и наносскундные импульсы напряжения. По окончании экспериментов с цельнометаллическими электродами исследования были продолжены на напыленных пленочных электродах с высоковольтными фотоэлектронными приборами.

Исследования электрической прочности сантиметровых вакуумных промежутков на косоугольных импульсах микросекундной длительности выполнены на электровакуумной импульсной установке /135/. Экспериментальная установка состояла нз генератора импульсных напряжений Аркадьева-Маркса на 2 MB, формирующей (фронтовой) цепи ЛфСф, рабочей камеры с проходным изолятором и системы регистрации.

Генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса, включавший зарядное устройство, разрядную схему п блок управлення, имел емкость в ударе Ср = 7200 тгФ п формировал в нагрузке косоугольный импульс микросекундной длительности амплитудой до 2 MB. Генератор позволял пробивать вакуумные промежутки длиной до 20 см.

Крутизна высоковольтного косоугольного импульса регулировалась с помощью формирующей цепи ПфСф. Формирующая цепь включала батарею из десяти последовательно соединенных импульсных конденсаторов типа ИМ-110 емкостью С 0,022 мкФ и активное сопротивление, изготовленное из вишшластовой трубы, заполненной раствором медного купороса.

Рабочая камера, представлявшая собой цилиндр из нержавеющей стали диаметром 1200 мм и высотой 750 мм, была закрыта с обеих сторон крышками. Нижняя крышка имела отверстие для установки и смены электродов. Электроды устанавливали вертикально, при этом нижний электрод был подвижным. Регулирующее устройство позволяло изменять межэлектродное расстояние в диапазоне от 0 до 30 см с погрешностью ±0,05 мм.

Верхняя крышка вакуумной камеры имела в центре отверстие диаметром 800 мм, через которое к исследуемому промежутку подводили высокое напряжение. На верхней крышке был расположен проходной изолятор марки ПТ-220, высотой 2870 мм. Все уплотнения были выполнены из вакуумной резины. Два вакуумных агрегата ВА-2-3, установленных с противоположных сторон камеры, позволяли создавать разряжение до Р — 10 3 Па. Остаточное давление измеряли термопарным вакуумметром ВИТ-1А с погрешностью от минус 40% до плюс 80%. Исследование импульсной электрической прочности вакуумных промежутков длиной до 20 см требовало соответствующего выбора средств измерении. Учитывая, что скорость коммутации в вакууме составляет 2-Ю1 м/с /130-132/, следовало обеспечить измерение временных интервалов от 0,5 до 10 мкс. Для регистрации осциллограмм пробоя использовали осциллограф ОК-17-М, позволявший измерять временные интервалы от 0,1 мкс с погрешностью ±3% и амплитуды до 500 В с погрешностью ±5%. Сигнал на запуск и пластины явления осциллографа подавали с активного делителя напряжения, высоковольтное плечо которого составляло Иді = 150 кОм, низковольтное — RJJ2 = 30 Ом. Регистрацию импульсов напряжения осуществляли фотоаппаратом "Зоркпй-3" на фотопленку РФ-1000. Осциллограммы пробоя рассматривали на фотометрическом столике. По каждой осциллограмме определяли напря-женис пробоя Unp и время воздействия tu косоугольного импульса на промежуток. Изучение электрической прочности на косоугольном высоковольтном импульсе было выполнено для вакуумных промежутков с электродами различной формы. Один из электродов имел форму диска радиусом R = 100 мм, второй электрод представлял собой сферу радиусов R = 75 мм и R = 20 мм или острие с половинным углом при вершине а = 10. Электроды такой конфигурации широко используют в работах других исследователей и просты в изготовлении. В экспериментах применяли электроды, изготовленные из меди и алюминия. Перед установкой в камеру электроды полировали и обезжпревалп. При проведении исследовании полярность электродов изменяли. Эксперименты при фиксированной длительности косоугольного импульса начинали с кондиционирования электродов вакуумного промежутка последовательными пробоями, число которых составляло до 300. В результате кондиционирования достигали максимальной и стабильной электрической прочности, соответствовавшей тренировке с минимальным перенапряжением на импульсах длительностью tu t3. После стабилизации значений Unp снимали не менее 60 осциллограмм, по которым проводили измерение среднего значения напряжения пробоя. Изменяя межэлектроднос расстояние, строили зависимости Unp — f(d) для различных длительностей косоугольных импульсов и электродов разной формы и материала. Для обеспечения достоверности полученных в предыдущей главе теоретических результатов применяли параллельные методы расчета путем использования различных методов, а также сопоставляли результаты расчетов с экспериментальными данными.

Похожие диссертации на Электроимпульсное кондиционирование электродов в вакууме

Электрофизические процессы в плазме и электродах при разрядах в газе и вакуумеНемировский Аркадий Зельманович