Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Условия инициирования электрического пробоя в вакууме 13
1.1 Физические процессы, определяющие возникновение и развитие электрического пробоя в вакууме 13
1.2 Механизмы инициирования пробоя в вакууме 28
1.3 Влияние свойств поверхности и конфигурации электродов на инициирование пробоя 37
1.3.1 Макрогеометрические параметры электродов 37
I 1.3.2 Микрогеометрия электродной поверхности 41
1.3.3 Подготовка поверхности электродов 44
1.4 Импульсный пробой вакуумной изоляции 48
1.5 Существующие критерии и методы контроля инициирования пробоя в вакууме 54
1.6 Постановка задачи исследований 61
ГЛАВА 2 Оптимальные режимы импульсного кондиционирования электродов в вакууме 65
2.1 Анализ режимов кондиционирования электродов в вакууме 65
2.2 Эффективность оптимальных режимов импульсного кондиционирования 67
2.3 Достижение предельных значений электрической прочности вакуумной изоляции 73
ГЛАВА 3 Разработка критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме 78
3.1 Расчет зависимости времени запаздывания пробоя от напряженности и электрического поля 78
3.2 Критерий инициирования пробоя в вакууме, основанный на относительных величинах 88
3.3 Малые изменения состояния поверхности 92
3.4 Метод и способ контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме, реализующий предложенный критерий 93
3.5 Выводы по 3 главе 96
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка разработанного метода контроля катодного механизма инищирования пробоя в импульсном режиме 98
4.1 Экспериментальная установка 98
4.2 Погрешности измерений 103
4.3 Экспериментальные исследования коэффициента усиления поля и импульсной электрической прочности 105
4.4 Оценка катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме по относительным величинам 121
4.5 Выводы по 4 главе 128
Заключение 130
Список использованной литературы 132
Приложения 141
- Механизмы инициирования пробоя в вакууме
- Эффективность оптимальных режимов импульсного кондиционирования
- Критерий инициирования пробоя в вакууме, основанный на относительных величинах
- Погрешности измерений
Введение к работе
Актуальность темы
Наиболее важной прикладной задачей в области создания и использования электровакуумных приборов (ЭВП) является повышение электрической прочности. Повышение прочности возможно в результате контролируемого воздействия на рабочие поверхности электродов ЭВП. Эффективный контроль предполагает знание механизма, инициирующего вакуумный пробой, и наличие критерия, отражающего условия возникновения пробоя. Одним из основных механизмов вакуумного пробоя является катодный, когда инициирование пробоя связано с процессами на катоде вакуумного промежутка.
Открытие и исследование взрывной эмиссии электронов (академик Г.А. Месяц, профессора Г.Н. Фурсей, Д.И. Проскуровский, Е.А. Литвинов и др.) позволили установить, что наилучшее состояние поверхности катода, вплоть до его полировки, достигается в результате обработки импульсами тока начальной стадии взрывной эмиссии. Исследования инициирования импульсного пробоя показали, что воздействие на электроды вакуумного промежутка высоковольтных импульсов длительностью равной времени запаздывания пробоя tu = t3 соответствует оптимальному режиму обработки электродов,
улучшающему состояние катодной поверхности и повышающему электрическую прочность вакуумной изоляции.
Существующие критерии катодного механизма основаны на измерении абсолютных значений плотности автоэлектронного тока j,
микронапряженности электрического поля Е, длительности высоковольтного импульса tu и других величин, достижение которыми критического значения
инициирует вакуумный пробой. Использование абсолютных значений физических величин, включающих систематическую ошибку измерений, приводит к погрешности вычисления критериев и снижает точность оценки механизма инициирования. При оценке механизма инициирования пробоя переход от абсолютных значений физических величин к относительным исключает влияние систематической погрешности и позволяет разработать новые критерии, обладающие повышенной точностью.
Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с исследованием электрической прочности вакуумной изоляции и разработкой новых критериев и методов контроля катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, обладающих повышенной точностью, представляется актуальной.
Целью диссертационной работы является исследование электрической прочности при оптимальных режимах импульсного воздействия на электроды вакуумного промежутка, разработка критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, исключающих систематическую погрешность измерений.
Основные задачи исследования
1. Анализ оптимальных режимов импульсного кондиционирования
электродов и существующих критериев и методов контроля катодного
инициирования электрического пробоя в вакууме.
2. Разработка критерия катодного механизма инициирования вакуумного
пробоя в импульсном режиме, использующего относительные изменения
характеристик состояния катодной поверхности и электрической прочности и
исключающего систематическую погрешность измерений.
3. Разработка метода контроля катодного механизма инициирования
вакуумного пробоя, реализующего предлагаемый критерий.
4. Экспериментальная проверка эффективности предложенного критерия
и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя.
Методы исследования
При выполнении работы применялись аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализа, математической статистики и математического моделирования.
Экспериментальные исследования проводились на отпаянных макетах высоковольтных вакуумных конденсаторов с использованием генератора высоковольтных наносекундных импульсов и широкополосной регистрирующей аппаратуры. Обработка экспериментальных данных проводилась при помощи прикладных программных пакетов Microsoft Excel, Maple.
Научная новизна
Разработан новый подход к оценке эффективности оптимальных режимов обработки электродов вакуумного промежутка, использующий относительное изменение коэффициента усиления поля на микронеоднородностях катодной поверхности Р с изменением длительности воздействующих импульсов tu.
Разработан новый критерий катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме для электродов с развитой рабочей поверхностью, использующий относительные изменения состояния поверхности катода и электрической прочности в результате оптимальных режимов импульсного воздействия и исключающий систематическую погрешность измерений.
Предложен метод оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя по относительным изменениям коэффициента усиления напряженности электрического поля катодными микронеоднородностями и электрической прочности, определяемым в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования электродов.
Достоверность и обоснованность основных положений и результатов достигнута за счет анализа и обобщения известных и авторских экспериментальных данных по импульсной электрической прочности вакуумной изоляции; экспериментального подтверждения полученных в работе критерия и метода контроля и их соответствия известным теоретическим положениям;
применения современных методов исследований и статистической обработки результатов экспериментов.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
Обоснована целесообразность применения оптимальных режимов импульсного кондиционирования для получения предельной электрической прочности вакуумной изоляции, достижимой при катодном инициировании пробоя.
Разработан способ оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, реализующий предложенный метод обработки электродов вакуумного промежутка для импульсов разной длительности (патент РФ № 2249879).
3. Достигнуто 2-х кратное повышение точности при оценке катодного
механизма инициирования пробоя в вакууме по сравнению с известными
методами.
Реализация и внедрение результатов исследования
Разработанный критерий оценки катодного механизма вакуумного пробоя в импульсном режиме используется при исследовании и разработке вакуумных конденсаторов во ФГУП «НИИ Электронно-механические приборы» г. Пенза. Результаты работы внедрены в учебный процесс Орловского государственного технического университета.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Эффективность кондиционирования электродов в вакууме значительно
(на два порядка) повышается при переходе от длительного воздействия
высокого напряжения к воздействию импульсами, длительность которых равна
времени запаздывания пробоя в диапазоне 0,1 - 1нс.
2. Использование предложенных в работе критериальных параметров,
рассчитываемых по соотношениям Kv = U2 /Ul и Кр = / /J32 , гДе Ul и U2 -
пробивные напряжения при двух значениях длительности импульсов, р1 и Р2 ~ коэффициенты усиления электрического поля при соответствующих значениях длительностей импульсов, Kjj и Ка - коэффициенты относительного
изменения напряжения пробоя и усиления поля, существенно (в два раза) повышает достоверность результатов контроля электрической прочности вакуумных промежутков.
3. Предложенное и экспериментально обоснованное критериальное
р уравнение —-r-z
= 1, где Кр = Py/р2 - коэффициент относительного
t«=t3
изменения состояния катодной поверхности, Kjj = U2 /Ul - коэффициент
относительного изменения импульсной электрической прочности, при соблюдении условия оптимальности (равенства длительности импульса времени запаздывания пробоя tu = t3), представляет собой новую форму критерия катодного инициирования, применимую в импульсном режиме и для электродов произвольной геометрии.
4. Разработанный метод оценки реализации катодного механизма инициирования импульсного пробоя в вакууме, заключающийся в определении коэффициентов эффективности обработки катодной поверхности К a = / //32 и
ПОВЫШеНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛеКТрИЧеСКОЙ ПРОЧНОСТИ Kjj = U2 jU\ для
последовательно подаваемых на вакуумный промежуток импульсов одинаковой или разной длительности, и последующей проверке предложенного критериального уравнения, позволяет надежно выявлять катодный механизм инициирования вакуумного пробоя и обоснованно разрабатывать технологические мероприятия, направленные на повышение электрической прочности приборов.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты работы доложены и обсуждены на
- XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in
Vacuum, Yalta, Crimea, Sept. 27, 2004 - Oct. 1, 2004 (XXI Международном
симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме, Ялта, Крым, 27
сентября - 1 октября 2004г.);
Третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г.Томск, 12-14 октября 2005г.;
VIII международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г.Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 28 сентября 2007г.;
X международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г.Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 23 сентября 2009г.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, две из них в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 6 таблиц. Состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 93 наименования, и приложений.
Механизмы инициирования пробоя в вакууме
Процесс развития пробоя можно разбить на три стадии — стадию инициирования, запускающую весь процесс, стадию развития инициирующего процесса, создающего условия для перехода к заключительной третьей стадии — искровому разряду.
Инициирование вакуумного пробоя может быть вызвано различными процессами, азвивающимися на катоде, аноде и прилегающих к ним областях вакуумного промежутка, например, взрывным разрушением эмиттирующего катодного выступа, нагрева и испарения в результате электронной бомбардировки материала анода, взаимодействия электродов с микро- и макрочастицами, разрушающим действием электростатического поля, наличия поверхностных загрязнений и инородных включений и др.
Многообразие физических процессов, возникающих при подаче на электроды высокого напряжения, привело к тому, что существует множество гипотез о механизме возникновения вакуумного пробоя. Эти гипотезы можно подразделить на несколько групп, по тем физическим явлениям, которые считаются ответственными за нарушение электропрочности вакуумной изоляции [2, 6]:1. Автоэлектронная эмиссия. Пробой в результате локального разогрева эмиттирующего микроострия на катоде или аноде автоэмиссионным током. В качестве вторичных процессов рассматривается испарение материала или выделение газов и последующие явления, возникающие после ионизации в объеме выделившихся паров и газов.2. Развитие пробоя связано с взаимной вторичной эмиссией электронов, ионов и фотонов, приводящей к самопроизвольному росту тока и в конечной стадии к пробою. Здесь рассматриваются элементарные процессы взаимодействия заряженных частиц и квантов с поверхностью электродов.3. Пробой вызывается крупинками, пылью или микрочастицамиматериала самих электродов. Пробой возникает либо при ударе заряженнойчастицы о противоположный электрод, либо при развитии поджигающегоразряда между частицей и электродом.4. При механическом воздействии на электрод электростатических силпроисходит изменение рельефа поверхности электрода, например, появление накатоде больших и острых выступов с возникновением на их вершинеавтоэлектронной эмиссии, рост вискеров (или усов), отрыв кусочков или капельпри наличии жидкой фазы на поверхности. 5. Частичный пробой диэлектрических пленок и включений, практически всегда присутствующих на поверхности электродов, приводящий к пробою всего промежутка. Кроме того, диэлектрические включения или пленки на катоде понижают работу выхода и могут способствовать образованию эмиссионных центров, приводящих к пробою.6. К пробою межэлектродного промежутка приводит протекание газового разряда в парах и газах, десорбируемых электродами (десорбция газов может происходить не только под действием предпробойных токов и микроразрядов, но и под действием электростатических сил, уменьшающих энергию адсорбции).
Несколько различных совокупностей физических процессов может независимо привести к пробою, т.е. существует несколько различных механизмов пробоя. Однако в реальных условиях эти механизмы часто действуют одновременно и взаимосвязано, помогая друг другу в инициировании пробоя.
К условиям возникновения пробоя относятся величина и длительность напряжения, материал и форма электродов и состояние их поверхности. В подавляющем большинстве практических случаев имеются сведения только об усредненных характеристиках поверхности. Эти характеристики, как правило, не отражают свойств отдельных микроучастков электродов, где начинаются процессы, приводящие к пробою. Поэтому, когда одновременно могут возникнуть несколько механизмов пробоя, знание указанных усредненных характеристик позволяет судить лишь о наиболее вероятном механизме пробоя при том или ином напряжении, форме и материале электродов и т.д. [6].
Многие дефекты поверхности появляются в результате тренирующих пробоев или нормальной работы электровакуумных приборов. Характер и параметры возникающих при пробоях дефектов поверхности сильно зависят от параметров электрической цепи и условий возникновения пробоев. Если эти условия различны, то это приводит к образованию различных дефектов, а, следовательно, к различным механизмам инициирования пробоя [1].
При нетренированных и малотренированных пробоями электродах токи перед пробоями малы и пробои вызываются частицами вещества электродов и пылью, образовавшимися в результате механической обработки электродов. На частицу имеющую заряд, действует электростатическая сила, стремящаяся оторвать ее от электрода. Оторвавшись, частица, пройдя ускоряющую разность потенциалов, приобретает кинетическую энергию, которая при ударе переходит в тепловую. Кроме того, заряженная частица в промежутке обладает еще и потенциальной энергией W = - —, напряженность поля между частицей ипромежутком возрастает примерно в 11 раз. Велика вероятность, что при подлете частицы к электроду между ними возникнет разряд [6, 25].
На поверхности автоэмиттера даже при очень хорошем вакууме всегда есть диэлектрический (полупроводниковый) слой (адсорбированные атомы, оксидный слой, загрязнения, специально выращенные или напыленные слои диэлектрика, полупроводника или другого металла) [15]. Наличие на электродах адсорбированных атомов или микровключений с полупроводниковыми (диэлектрическими) свойствами существенно меняет характер автоэмиссии [40, 41], приводя к аномально большим коэффициентам усиления поля [15].
Эффективность оптимальных режимов импульсного кондиционирования
Эффективность воздействия можно определять по изменению таких параметров вакуумного промежутка как напряжение пробоя и коэффициент усиления напряженности поля на микронеоднородностях катодной поверхности.
В работах [64, 66] представлены экспериментальные результаты по высоковольтному наносекундному кондиционированию электродов в вакууме. Показано, что кондиционирование импульсами длительностью tu =t3, равнойвремени запаздывания пробоя, является оптимальным режимом, повышающим электрическую прочность вакуумной изоляции. По мере уменьшения длительности импульсов и роста макронапряженности электрического поля эффективность кондиционирования возрастает. Независимо от материала и характера электродов уменьшение длительности импульсов приводит к сглаживанию микронеоднородностей поверхности катода и снижению коэффициента усиления поля /?, что говорит об эффективности данныхрежимов кондиционирования.
Однако, результаты получены в относительно небольшом диапазоненапряженностей электрического поля 1,5-10 Е0 ЮВ/м.
С целью оценки эффективности оптимальных режимов импульсного кондиционирования проанализируем и обобщим известные экспериментальные результаты по времени запаздывания вакуумного пробоя [33, 39, 49, 57, 61, 63, 80], полученные в существенно большем диапазоне напряженностей
Для получения зависимости f3- f(tи), отражающей изменение качествакатодной поверхности с длительностью оптимального режима кондиционирования, построим на одном графике кривые зависимости времени запаздывания от макро - и микронапряженности, т.е. t3 = f(EQ) и t3 = f(E )для медных электродов.
Для медных электродов сопоставление кривых зависимости времени запаздывания от макро - и микронапряженности приведено на рисунке 2.2. Сопоставление при tu = const экспериментальных и расчетных зависимостейвремени запаздывания от макро- t3 = f(EQ) и микронапряженности t3 = f(E ) электрического поля для электродов из разных материалов позволяет построить кривые J3 = f(tu) и /3 = f{EQ), характеризующие изменение коэффициента усиления поля в результате импульсной обработки катода при макронапряженностях Е0, обеспечивающих выполнение условия
Для каждого конкретного времени запаздывания из графика при ttt = const по разности абсцисс определяем величину коэффициента усиленияполя на микроэмиттере /?:-5-7
Зависимость коэффициента усиления /? от длительности кондиционирующих импульсов tu &t3, построенная на основе известных экспериментальных результатов по времени запаздывания для медных электродов [33, 39, 57, 61, 80] приведена на рисунке 2.3.
Как следует из рисунка 2.3 при tu \0 с имеет место изменение характера кривой /3 = f(tu). При уменьшении длительности высоковольтныхимпульсов tu \0 с, удовлетворяющих условию оптимальности /ц«/5, происходит снижение коэффициента усиления поля /?, означающее повышение эффективности воздействия на поверхность катода и улучшение ее качества. При tu \0 7c изменение длительности кондиционирующих импульсов не влияет на коэффициент усиления поля и качество катодной поверхности. Такой характер зависимости связан с влиянием охлаждения эмиттера теплопроводностью. Эффективность импульсной обработки в этом случае не отличается от эффективности кондиционирования на постоянном токе.
Считая коэффициент усиления поля /?0, полученный в микросекундном диапазоне длительностей, соответствующим кондиционированию в стационарном режиме, можно оценить относительную эффективность импульсных режимов обработки катода вакуумного промежуткагде /Зи - коэффициент усиления, полученный в результате импульсногокондиционирования.
Зависимости fi = f(tu), аналогичные кривой для меди, получены и длядругих материалов. По кривым /3 = f(tu) на основании соотношения (2.2)построены зависимости K (tu), характеризующие относительное изменениеэффективности обработки и качества поверхности катода в результате кондиционирования импульсами tu «t3. Кривая Кр (tu), объединяющаярезультаты для Си, AI, Mo, Ni, Fe , вместе с точками, полученными в результате обработки экспериментальных данных по времени запаздывания, приведена на рисунке 2.4.
Эффективность оптимальных режимов импульсного кондиционирования, оцененная по относительному изменению коэффициента усиления поля Kg изэкспериментов по времени запаздывания пробоя, возрастает по мере уменьшения длительности кондиционирующих импульсов и в субнаносекундном диапазоне более чем на два порядка превосходит эффективность кондиционирования на постоянном токе. Обработкаимпульсами tu 10_10с при напряженности, обеспечивающей условие tu&t3, формирует идеальную поверхность с коэффициентом усиления Р 1 [57].
Зависимости /? = f{tu) характеризуют изменение состояния поверхности катода в результате обработки электродов высоковольтными импульсами tu »t3, то есть использование оптимальных режимов импульсного кондиционирования формирует вполне определенное состояние катодной поверхности с коэффициентом усиления р.
Этому может быть дано следующее объяснение: на поверхности находятся множество микровыступов с различными значениями коэффициента /3. При подаче на вакуумный промежуток некоторого импульса амплитудойЕ0, на поверхности разрушаются выступы, у которых /3 Екр/Е0 и в целом интегральный параметр /3 для всей поверхности будет определяться P"EJEQ.
Эффективность оптимальных режимов кондиционирования определяется кроме времени запаздывания еще и мощностью высоковольтных импульсов, используемых для обработки катода. С ростом мощности эффективность импульсного воздействия возрастает, но при этом уменьшается длительность импульсов, обеспечивающих выделение в эмиттере энергии, равной его энергии разрушения. С уменьшением длительности импульсов уменьшается расстояние, на которое успевает распространиться тепловая волна, а вместе с ним и объем разрушения. Увеличения мощности кондиционирующих импульсов можно добиться, увеличивая амплитуду прикладываемого к вакуумному промежутку напряжения.
Таким образом, оптимальные режимы импульсного кондиционирования в нано- и субнаносекундном диапазонах, обладающие высокой эффективностью, требуют создания предельных напряженностей электрического поля.
Для оценки значений Е0, обеспечивающих выполнение условия tu &t3, также используем известные экспериментальные результаты [33, 39, 57, 61, 80] и результаты автора по времени запаздывания вакуумного пробоя [90].
Критерий инициирования пробоя в вакууме, основанный на относительных величинах
Для оценки катодного механизма необязательно определять абсолютную величину пробивной микронапряженности. Нахождение абсолютного значения /ЗЕ0 можно, согласно (1.17) заменить определением величин, характеризующихотносительные изменения состояния катодной поверхности и электрической прочности вакуумной изоляции.
С целью разработки нового критерия и метода оценки катодного инициирования вакуумного пробоя, применимых для электродов произвольной геометрии, исследовано влияние высоковольтного кондиционирования импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, на качество поверхности катода и импульсную электрическую прочность изоляции [79].
Качество катодной поверхности характеризует коэффициент усиления поля Р на микронеоднородностях. Обработка катода импульсами длительностью tu =t3 равной времени запаздывания пробоя, является оптимальным режимом кондиционирования и формирует поверхность, качество которой определяется мощностью кондиционирующих импульсов. Мощность импульсов оптимального режима задается макронапряженностью Е0, инициирующей пробой, при этом коэффициент /?, характеризующий качество поверхности в результате обработки импульсами tu =t3, оказывается функцией пробивной макронапряженности [81] где Е =1,32-10 В1м - критическая напряженность, кондиционирование при которой дает идеальную поверхность с коэффициентом усиления /? = 1, когда напряженности Е на вершине и Е0 у основания микровыступа оказываются равными Е = Е0=Екр (рисунок 3.3). Выражение (3.19) получено [81] врезультате анализа известных экспериментальных данных [23, 33, 61, 62, 64, 80], соответствующих различным вакуумным условиям и диапазонам межэлектродных промежутков и подтверждено авторскими экспериментами [88, 89, 90]. Рисунок 3.3 — Зависимости времени запаздывания пробоя от напряженности электрического поля на катоде для медных электродов (кривые сходятся при Е =1,32-1010В/ми t = 0,02нс)
Рисунок 3.4 - Коэффициент усиления поля после кондиционирования импульсами tu = t3 электродов из меди как функция макронапряженности электрического поля на катоде, инициирующей пробой
Как видно из рисунка 3.4 экспериментальные точки с малым разбросомукладываются на одну кривую, которая и аппроксимируется выражением(3.19). Все эксперименты проводились при длительности импульсов tu &t3,соответствующих оптимальному режиму кондиционирования, когда мощности импульса достаточно только для разрушения микроэмиттера.
В случае катодного механизма, изменение состояния поверхности в результате кондиционирования сопровождается изменением электрической прочности, напряжения пробоя и коэффициента усиления Е0 U 1/Д. Используя зависимость (3.19), можно связать относительные изменения параметра Д и импульсной электрической прочности Е0, достигаемые в результате кондиционирования импульсами tu=t3in получить новую формулу критерия катодного инициирования, применимую для электродов с развитой рабочей поверхностью любой геометрии [79].
Обработка катода импульсами фиксированной длительности tul =t3l формирует поверхность с коэффициентом усиления поля Д. При условии катодного инициирования поверхности с коэффициентом Д соответствуют импульсная электрическая прочность 0] и напряжение пробоя Ul. Обработка катода импульсами длительности tu2 = tj2 формирует поверхность с коэффициентом усиления Д2. Этой поверхности соответствуют электрическая прочность Е02 и напряжение пробоя U2.
Введя в рассмотрение коэффициенты относительного изменения качества поверхности которое представляет собой новую форму критерия катодного инициирования пробоя в импульсном режиме. Критерий (3.22) связывает относительные изменения качества поверхности катода и импульсной электрической прочности в результате оптимальных режимов кондиционирования.
Малые изменения поверхности катода будут сопровождаться малым изменением коэффициента усиления поля. Тогда конечное значение коэффициента усиления поля Д,, достигаемое в результате кондиционирования импульсами tu2 = t32, можно представить через начальное значение /Зх и малое приращение Л/?
При катодном инициировании малому изменению параметра /3 соответствует малое изменение электрической прочности и напряжения импульсного пробоя93 В пренебрежении величиной второго порядка малости критерий катодного инициирования (3.24) принимает вид
Согласно (3.25), относительному уменьшению коэффициента усиления /? (А/? О) в результате кондиционирования импульсами tu = t3 соответствует относительное увеличение напряжения пробоя (At/ О) и соответственно, электрической прочности Е0, и наоборот, относительному ухудшению состояния катодной поверхности (Д/? 0) соответствует снижение электрической прочности и пробивного напряжения (At/ О).
С учетом случайного характера величин, определяющих электрическуюпрочность вакуумной изоляции, разброс отдельных значений обычнопревышает 15%, что противоречит условию малых изменений, поэтомуприближенный метод контроля можно применять только к средним значениямотносительных величин, характеризующих изменение состояния поверхностикатода —— и электрической прочности
Метод контроля катодного механизма заключается в определении коэффициентов эффективности обработки катодной поверхности Ко иповышения импульсной электрической прочности KJJ в результате реализацииоптимальных режимов импульсного кондиционирования и проверке критерия (3.22) или (3.25) [82]..
Погрешности измерений
Рассмотрим источники возникновения погрешностей при проведении измерений. В экспериментах производились измерения предпробойных токов вдиапазоне 10-10 А и напряжений пробоя в диапазоне 5 - бОкВ.
Определение напряжения пробоя осуществлялось прибором С196. Вольтметр С196 позволяет измерять напряжение до ЗОкВ, поэтому он включался в цепь резистивного делителя (два резистора КЭВ-5 по ЗЗОМОм погрешностью 20%). Погрешность С196 для всего диапазона измерений составляет 1%. Из-за большой погрешности используемого резистивного 104 делителя было определено точное значение сопротивлений этих резисторов с помощью мегаомметра ЭС0202 с погрешностью измерений 1,5%.
Коэффициент деления используемого резистивного делителя равен:здесь Rl,R2 — сопротивления резисторов; Ro6u{ =R{+R2 - общее сопротивление резистивного делителя; Rx — резистор, с которого снималось измеряемое напряжение.
Таким образом, измеряемое напряжение UmM связано с напряжением в цепи U0 следующим образом:здесь к - коэффициент деления. Относительная погрешность определения напряжения в общем виде выразится:
Сопротивление одиночного резистора и сопротивление всего делителя измерялось с помощью мегаомметра ЭС0202 с погрешностью 1,5%, поэтому относительная погрешность определения коэффициента деления:
Предпробойные токи регистрировались автоматическим потенциометром КСП-4 с стематической погрешностью 4нА. Проверка предложенного критерия и метода оценки катодного инициирования осуществлялась на коаксиальных медных электродах вакуумного конденсатора (рисунок 4.7) площадью S = 2500мм2 при величине межэлектродного зазора d = 0,2мм и остаточном давлении Р м \0 5Па.
В эксперименте были использованы высоковольтные импульсы длительностью tul = 200нс и tu2 = 50нс при минимальном перенапряжении. Перед каждым импульсным воздействием в режиме постоянного тока снималась вольтамперная характеристика (таблица 4.3.1 и рисунок 4.8), по крутизне которой в координатах Фаулера - Нордгейма определялся коэффициент усиления поля Р (рисунок 4.9). На рисунке 4.9. также приведены уравнения полученных прямых, из которых можно найти коэффициент крутизны. Далее в формулу (3.17) подставлялась работа выхода материала в эВ, и в нашем случае выражение для расчета коэффициента усиления j3 будет следующим: /3=2576/к, где к - коэффициент пропорциональности в уравнениях на рисунке 4.9.
После измерений на постоянном токе и оценки параметра /J на промежуток подавались импульсы, амплитуду которых последовательно повышали до возникновения при минимальном перенапряжении первого пробоя. Перед началом измерений на каждой длительности осуществлялось кондиционирование импульсами tu = t3 до достижения установившихся значений коэффициента усиления и напряжения пробоя. Обработка катода при минимальном перенапряжении соответствует оптимальным режимам импульсного кондиционирования. В таблице 4.3.2 представлены результаты эксперимента.
На рисунке 4.10 приведены графики изменения коэффициента усиления поля, и определяемого им напряжения первого импульсного пробоя в установившемся режиме с числом импульсов длительностью tul = 200нс иtu2 = 50нс, Рисунок 4.10 - Изменение напряжения первого пробоя и коэффициента усиления поля с числом импульсов длительностью tu = t3 в установившемсярежиме: а - tul = 200нс ;b - tul- 50нс; -/;-/?.Из сопоставления при tu = const кривых j3 = f{n) и U(n) следует, что состояние поверхности коррелирует с пробивным напряжением. Корреляция массивов U и /? вычислялась при помощи математического пакета Excel по формуле [83]и составила для первой пары значений 99%, для второй 60%.
Ухудшение качества поверхности (скачок /? в сторону увеличения) приводит к снижению пробивного напряжения (скачок U в сторону уменьшения) и, наоборот, улучшение качества поверхности (скачок /3 в меньшую сторону) сопровождается ростом пробивного напряжения (скачок U в большую сторону). Корреляция изменений U и (3 подтверждает ответственность катодных процессов за инициирование импульсного пробоя.
Произведем обработку результатов наблюдений используя методику [84, 85]. Среднее арифметическое результатов наблюдений составило:Находим средние квадратичные отклонения результатов наблюдений по формуле [85]:
На основании неравенства Чебышева [84] с доверительной вероятностью а = 0.95 ни одно значение результата измерения не может отклоняться отсреднего значения на величину, более чем За независимо от вида закона распределения вероятности, поэтому произведем проверку на наличие в группе наблюдений грубых погрешностей.
Ни одно из экспериментальных значений не выходит за рамки 3 т, наибольшая погрешность наблюдается для коэффициента усиления поля Д исоставляет 2,8 т. Отклонение результатов измерений от их среднего значения показано на рисунках 4.11 (а,Ь) и 4.12 (а,Ь).Как видно из рисунков, в результате обработки катода импульсами tul = 200нс сформирована поверхность с коэффициентом усиления поля72 Д 266 при среднем значении Д =110. Такому состоянию поверхности соответствует импульсное напряжение пробоя 9 U\ ЗОкВ при среднем значении U\ = 24кВ. Воздействие импульсов tu2 = 50нс улучшило состояние поверхности, снизив коэффициент усиления поля 59 Д) 131 при среднем значении Д=77 и увеличив пробивное напряжение 14 ІІ2 4\кВ до среднего значения СЛ = 34кЛ.
Похожие диссертации на Критерий и метод контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме
