Содержание к диссертации
Введение
2. Характеристики вакуумной электроизоляции при контроле состояния поверхности высоковольтных электродов
2.1. Введение
2.2.Экспериментальная установка и приборы. Индикация состояния поверхности электродов 15-33
2.2.1. Типичные обработки высоковольтных электродов
2.2.2. Метод контроля состояния поверхности электродов с помощью послеразряднои, фотоэлектронной эмиссии и величины нормального катодного падения тлеющего разряда
2.3. Характеристики вакуумной электроизоляции с электродами, очищенными до чистометаллического состояния
2.3.1. Первые опыты по исследованию характеристик вакуумной электроизоляции при контроле состояния поверхности высоковольтных электродов (медные, молибденовые электроды ). Вакуумные промежутки свыше 1 мм зз. б
2.3.2. Опыты с чистометаллическими электродами при отсутствии послеразряднои эмиссии электронов (приборы № 1+5) 46
2.3.3. Длительная вьщержка вакуумного промежутка с чистометаллическими электродами под напряжением 60-62
2.3.4. Влияние микропробоев вакуумного промежутка с чистометаллическими электродами на характеристики вакуумной электроизоляции 63
2.3.5. Характеристики Фаулера-Нордгейма; "эффекты полного напряжения и ка" для чистометаллических электродов 65f-66
2.3.6. Причина появления больших предпробойных токов с чистометаллических электродов 67 -
2.4.Влияние загрязнений на поверхности электродов 70-99
2.4.1.Влияние пленки окисла.Сравнение методов кондиционирования электродов микропробоями в вакууме и предварительной очистки тлеющим разрядом 70—83
2.4.2. Влияние пленок масла, попадающего из вакуумных наСОСОВ 84—89
2.4.3. Влияние загрязнений материалами, поступающими с оксидного термокатода g;9 „ 98
2.5. Основные результаты 98f- 99
3. Аномальные характеристики Фаулера-Нордгейма предпробойных токов в вакууме - проявление неизвестных ранее процессов в порах поверхности электродов 116
3.1.Объяснение аномальных характеристик Фаулера Нордгейма предпробойных токов в вакууме в опубликованных работах
3.2. Предлагаемая модель физических процессов, вызывающих аномалию характеристик Фаулера- Нордгейма для токов в вакууме 105 т116
4 Основные характеристики нового явления в порах поверхности высоковольтных электродов под действием внешнего электрического поля, пороэлектронная эмиссия 117-199
4.1.Вольт-амперная характеристика предпробойных токов в вакууме для электродов большой пористости 117-125
4.2.Влияние газонасыщенности пористой поверхности электродов на вольт-амперную характеристику вакуумного промежутка 125Н64
4.2.1. Чистометаллические электроды большой пористости (режим геттерирования) 12 5— ы
4.2.2. Опыты с пористыми электродами, длительно находившимися на атмосфере Ь2 - 164
4.3. Влияние размеров и конфигурации пор поверхности электродов на вольт-амперную характеристику вакуумного промежута 164 -174
4.4. Гистерезис вольт-амперных характеристик пористых электродов 174Н76
4.5. Свечение в вакуумном промежутке при измерении вольт-амперных характеристик пористых электродов f 76—17 7
4.6. Влияние продольного магнитного поля на вольт-амперные характеристики пористых электродов 7Х
4.7. Эрозия пористых электродов 178-184
4.8.Холодный катод на основе пороэлектронной эмиссии 184-194
4.9.Использование пороэлектронной эмиссии для индикации состояния поверхности электродов 194-19 8
4.9.1. Индикация напыленных металлических пленок 194-196
4.9.2. Метод определения микропористости поверхности 196-197
4.9.3. Метод оценки газ о насыщенности пористых материалов 197-198
4.10. Основные результаты главы 4 199
5. Нарушение вакуумной электроизоляции при возбуждении процессов в порах поверхности высоковольтных электродов 2СКК27 2
5.1. Предпробойные токи 201-210
5.2. Микроразряды и вакуумная дуга 210-216
5.3. Запаздывание пробоя вакуума с пористыми электродами 216-222
5.4. Влияние анода 222 - 227
5.5. Влияние объема и конфигурации вакуумного промежутка 22 7-230
5.6. "Эффекты полного напряжения и тока" 230-239
5.7. Диэлектрик в вакуумном промежутке 239
5.7.1. Нарушение вакуумной электроизоляции при наличии диэлектрика- следствие процессов в порах "тройной точки" 241-245
5.7.2. Опыты, подтверждающие предложенный механизм нарушения вакуумной электроизоляции с диэлектриком 245-259
5.8. Влияние процессов в порах на различные явления в вакууме и газе 259-Г-26 3
5.9. Подавление процессов в порах - метод повышения электрической прочности вакуумной электроизоляции 263-270
5.10. Основные результаты главы 5 270-272
Подтверждение предложенного механизма развития троцессов в порах высоковольтных электродов 273г2Х()
6.1. Расчет электрических полей, провисающих в поры 6.2. Экспериментальное подтверждение предложенного механизма Заключение
- Метод контроля состояния поверхности электродов с помощью послеразряднои, фотоэлектронной эмиссии и величины нормального катодного падения тлеющего разряда
- Причина появления больших предпробойных токов с чистометаллических электродов
- Предлагаемая модель физических процессов, вызывающих аномалию характеристик Фаулера- Нордгейма для токов в вакууме
- Опыты с пористыми электродами, длительно находившимися на атмосфере Ь2
Введение к работе
';; Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния :остояния и структуры поверхности электродов .на характеристики вакуумной їлектронзоляции. В" результате исследований обнаружены новые процессы, протекающие в порах поверхности электродов, которые ответственны за нарушение вакуумной злектройзоляции при низких напряженностях внешнего электрического поля. Они: представляют собой особый вид газового разряда в порах поверхности электродов. Газовая среда создается как за счет потока газа из материала электрода, так и при резонансной десорбции газа с поверхности пор. Изучены эакономёрности этого явления и предложена физическая модель процессов в порах, объясняющая различные. виды нарушения электрической прочности вакуумного промежутка/ в частности, при наличии диэлектрика. Получены высокие уровни электрической прочности вакуумного промежутка с помощью методов обработки и изготовления электродов, предложенных на основании этой модели.
Актуальность работы. Вакуумная изоляция широка используется в промышленных приборах и установках для научных исследований. В.настоящее время к электрической изоляции вакуума предъявляются ^ все' более жесткие требования, так как ее уровень влияет на характеристики и конструкцию высоковольтных приборов 'и установок, также на стабильность работы и долговечность. В первую очередь, это относится к малогабаритным источникам заряженных частиц и нейтронов, которые широко используются в радиационных и пучковых технологиях, а также к приборам для коммутации тока при высоких напряжениях. Для. решения проблем вакуумной электроизоляции необходимо знать те физические процессы, которые определяют ее уровень и их закономерности, а также методы, подавляющие развитие этих процессов.
Состояние вопроса. На протяжении более полувека интерес к вакуумной электроизоляции не ослабевает. Большое количество опубликованных рабо і посвящено пробою вакуума (вакуумной дуге) и предпробойной проводимости, так как для некоторых приборов и электрических установок появление в вакуумном промежутке токов очень низких значений уже является нарушением вакуумної" электроизоляции. .
В настоящее время полученные результаты не позволяют доспи а п стабильных во времени нанряжешюстсіі внешнего поля, значптслыи превышающих 107 В/м, без заметной предпробойной проводимости. Одни и те жт закономерности вакуумной электроизоляцип по-разному трактуются автора мі опубликованных работ, а некоторые нельзя объяснить существующим) представлениями. Имеются противоречивые результаты.
Сложившееся представление о вакуумной электроизоляцип, вероятна определяется не только сложностью и разнообразием процессов при с нарушении, но также отсутствием единых критериев оценки злектрическоі прочности, и в первую очередь, при длительной работе электрофизически установок и приборов. Одни авторы оценивают электрическую прочность и определенному уровню предпробойпых токов, другие - по напряжению появлени микроразрядов, третьи - по количеству микроразрядов за некоторый иптерпа времени и т.д. Основная часть опубликованных результатов относится неконтролируемым поверхностям электродов. Как .правило, результаті сообщаются по измерениям после проведения кондиционирования эдектродо микропробоями в закууме, т.е. после изменения поверхности электродо! Наиболее неопределенными результатами являются те, которые использук" коэффициенты усиления внешнего электрического поля на предполагаемы микролеровностях поверхностей электродов, способ измерения которых весь.ч спорный.
.'„-' Цель работы. Целью диссертационной работы .является исследование вакуумной электрбизоляции при контроле состояния поверхности электродов для создания. методик обработки и подготовки электродов, обеспечиваюишх повышение-электрической прочности вакуумной электроизоляции, и выяснение условий^ приводящих к ее снижению. К последним относятся неизвестные ранее процессы в порах поверхности электродов, а также поверхностные загрязнения.
:. Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем. , ;';.' U Впервые показано, что_ уровень электрической прочности вакуумной электронзбляцнн- в значительной, степени: определяется наличием пор на поверхности электродов. ..,-"
.-.-.' 2: Обнаружены'-. новые : процессы в порах поверхности отрицательного
электрода, возникающие вследствие создания газовой среды в объеме поры при
резонансной десорбции газа и формирования над порой катодной части
самостоятельного газового разряда. Эмиссия заряженных частиц за счет этих
процессов была названа пороэлектронной. / :
3, Исследованы зависимости величины пороэлектронной эмиссии от газонасыщенности пористой поверхности; от размеров и конфигурации пор.
д 4. Удаление пористого окисленного слоя с-помощью тлеющего разряда в инертном газе позволило достигнуть высокого уровня электрической прочности в вакуумном промежутке,сохраняющегося при длительных испытаниях. Дается новое объяснение загрязняющих факторов, снижающих электрическую прочность вакуумной электроизоляции.
5. Предложена новая гипотеза физических процессов в порах поверхности электродов вакуумного промежутка, согласно которой начальный ток заряженных частиц и газовая среда в поре создаются с появлением резонансной десорбции газа. При развитии ионизационных процессов в газе инициируется вакуумная дуга (пробой вакуума).
-
Впервые показано.что создание газовой среды в вакуумном промежутке не является обязательным для формирования вакуумной дуги, что существенна отличает предложенный механизм от известных до настоящего времени.
-
Полученные ранее данные по вакуумной электроизоляцин рассмотрены с точкн зрения процессов в порах. Экспериментально и расчетами подтверждены на основе предложенной модели вольт-амперная характеристика вакуумного промежутка, "эффекты полного напряжения и тока" влияние анода и наличия диэлектрика в вакуумном .'промея^ке>;--"-на''^-хараетери^і'кн^.;::;іак5уміюГі
ЭЛектрОИЗОЛЯЦИИ, ' '.'. ."''. .'с;.-' }-')[_:.';: .'"'-^"V.-.';-. \ /.^0--/,^..- '?' .'-'--"л''- '';'-: '';'-:.-.'
8. Впервые установленоч влияние і«фактора объемш> .на; электрическую
прочность вакуумного промежутка. Десорбированный газ вблизи анода ионизуется
предпробойным током, При этом возникает ;Jiotqk -заряженных частицtна: катод,
что способствует процессам: в порах,"'.-т.е.Г снижению электрической прочности
вакуумного промежутка. : v.: --'' і.--.,'"'';:'."." 'C.'t.'VV:'-',''" 3 '" ;'-'""~-'*-*.'" :-' '. '''-"' :'' '."''"-'';''
9. Экспериментально показано, что пороэлёктроиная эмиссия может служить
индикатором состояния металлической поверхности в"-^вакууме, а! также
источником заряженных частиц. .Разработай; холодный -катод на основе
пороэлектронной эмиссии,который. может работать при низішх напряженностях
поля и техническом вакууме. Наибольшее пренмуїцствб катод может иметь для
источников электронов с большой площадью.:; . ; V-'\\' ::-;--:-А--У-'.,"":'-:.
Практическая ценность. Разработаны методы подготовки поверхности электродов; позволяющие получить' в', статическом режиме высокие уровіїїі электрической прочности вакуума (более 5-Ю7 В/м), длительно выдерживаемые во времени без пробоев при, низком уровне предпробойньїх' токов вследствие подавления процессов в порах поверхности электродов! Результаты работы изменили представление о правильности технологии подготовки высоковольтных электродов. Наряду со сглаживанием поверхности следует принимать меры По
устранению микропор на поверхности электродов, а также в местах контакта изолятора с электродами (в "тройной точке").
".;';. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научные семинарах МИФИ, ВЭИ, ИАЭ, . ВНИИОФИ, на Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Ленинград - 1978," 1990; Ташкент -І997); на Всесоюзном'симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1982), на Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков -1983, Протвино - 1995), на конференции по физике газового разряда (Рязань, I996)i наМеждународных конференциях по экзоэлектронной эмиссии и ее практическому применению (Россия - 1991, Польша - 1997), на Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород - 1993, 1995, 1997), на Международной, конференции по явленням в ионизованных газах (Минск, 1984), на Международной конференции по электрическим контактам (Чикаго, 1994); на Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции вакуума (Польша- 1972, Россия - 1976, США - 1982, Германия - 19.84, Франция-1988,США- 1990, Германия-1992,Россия-1994,США-1996).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 50 статьях (в научных журналах, в сборниках конференций и симпозиумов); в 15 отчетах по хоздоговорным темам, в I препринте, а также защищены 10 авторскими свидетельствами и 2 патентами.
;".\ Автор защищает: _ '-'-:'',-. :".
' - результаты исследованиявлияния пористости поверхности электродов на электрическую прочность вакуумной эдектроизоляции, которые показали, что физические процессы в порах ответственны за нарушение всех видов вакуумной электроизоляции при низких напряженнрстях поля, т.е. за появление предпробойных токов, микроразрядов и вакуумной Луги. Развитие этих процессов
8'-'.-'' :''.'''':-' '-"' ''"".і' : '
приводит к формированию катодной части самостоятельного газового разрядав вакуумном промежутке; ток этого разряда был назван пороэлектронной эмиссией;
результаты исследования нового явления - процессов в порах поверхности: исследованы В АХ токов в вакуумном промежутке от размеров пор, газонасыщенности поверхности электродов; гистерезис ВАХ; условия появления "эффекта полного напряжения и тока", эрозии поверхности и свечения в вакуумном промежутке; - '-' _'-.-< .'"'.;-. / -/. : '::'.".?._.' .'':;;
предложенные методы увеличения электрической прочности /подавлением процессов в порах поверхности электродов: 1) удаление окисленного пористого слоя Бельби с помощью тлеющего разряда в полом катоде" в инертном газе; 2) изготовление электродов с определенными размерами пор;.-. . ::''..--; . ' ];
- результаты исследования сшжения электрической,' прочности" при
появлении пленки окисла на предварительно .'очищенных электродах, пористой
пленки напыления от оксидного термокатода,'а также пленки; масла "при работе
вакуумных насосов с масляными средствами, откачки: і V,
- предложенную гипотезу, объясняющую физические процессы.в порах
поверхности электродов, согласно которой начальный ток заряженных частиц и
газовая среда в поре создаются резонансной десорбцией газа, а пробой вакуумного
промежутка является результатом ионизационных, процессов в объеме>.поры и
появления дугового разряда. '.'' :.--'- ,-~ > ';.'/'.: ;*.. /:/> .... -v ;..V; -.::';'"" ''._'.
результаты исследования ішияния диэлектрика;в вакуумном промежутке, анода и "фактора объема" вакуумного промежутка на характеріїстикіівак>'умноіі
электроизоляции; :.:„/. ':/"'.-; ,.;.д" ;.:.'.-" ' '':; ''-';/:;,V"-;.'"/;.' --Л-
- результаты разработки холодного катода на освове пороэлектронной
эмиссии, для которого^не требуется высокий вакуум.прост.'в йзготовлении,что
особенно важно для больших площадей, а также использование этой эмиссии для
индикации состояния поверхности, электродов /(микроструктуры .';*'и
газонасыщенности поверхности электродоа).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из шести слан, основных результатов и списка литературы. В конце разделов приводятся основные выводы, а общие итоги исследования - в разделе " заключение ft . Работа содержит 185 страниц текста, 14 таблиц, 167 рисунков и список литерэтуры (200 наименований). Всего з диссертации 303 страницы.
Метод контроля состояния поверхности электродов с помощью послеразряднои, фотоэлектронной эмиссии и величины нормального катодного падения тлеющего разряда
Накопленный экспериментальный материал по вакуумной электроизоляции показывает, что состояние поверхности электродов в сильной степени влияет на характеристики вакуумного промежутка.Это состояние определяется как микроструктурой поверхности, так и наличием на ней загрязнений [1-4]. В настоящее время используются очень точные приборы для оценки состояния поверхности электродов. Так, автопроекторы и эцектронные микроскопы позволяют проводить измерения радиусов острий микровыступов на поверхности электродов. Оже- и рентгеновские спектрометры выявляют на поверхности и в объеме различные загрязнения. Совмещение этих устройств в одном экспериментальном приборе использовано в очень интересных работах Латама и его сотрудников[4]. Однако эти приборы требуют специфическую конструкцию электродов. Например, анод выполняется в виде острия. Использование этих установок затруднительно при исследовании различных технологий обработки электродов рабочих высоковольтных установок.
В данной работе была поставлена цель исследовать характеристики вакуумных промежутков после очистки электродов от пленок окисла и других загрязнений, которые присутствуют в результате их изготовления и пребывания в атмосфере воздуха. В качестве чувствительного контроля был использован метод, предложенный профессором Чистяковым П.Н., в лаборатории которого в МИФИ была выполнена эта часть работы[5]. Наличие неметаллических пленок и включений оценивалось по возбуждению послеразрядной эмиссии электронов (см. [6] ). Опыты[7,8] показали,что наблюдается соответствие между токами послеразрядной эмиссии и вольт-амперными характеристиками вакуумной изоляции(ВАХ). Снижение этой эмиссии при обработке тлеющим разрядом обоих высоковольтных электродов соответствует увеличению электрической прочности вакуумной электроизоляции. Действительно, неметаллические пленки на поверхности электродов должны снижать напряжение пробоя за счет зарядки этих пленок и соответственно усиления электрического поля вблизи поверхности, а также за счет их повышенного газоотделения. Первые опыты были проведены при некотором снижении послеразрядной эмиссии, и в дальнейшем они были продолжены при условии практически полного ее отсутствия.
Очистка электродов разрядом в инертном газе предпринималась и в более ранних работах[9-11].Однако используемые авторами времена обработки были слишком кратковремменными ,чтобы удалить разрушенный поверхностный слой.Поверхность электродов не контролировались и не было данных по длительной выдержке вакумного промежутка под напряжением. В главе 2 изложены результаты опытов с очищенными электродами, а также данные по контролю состояния поверхности электродов с наиболее вероятными загрязнениями парами масла вакуумных насосов и продуктами напыления с оксидного термокатода.При исследовании этих состояний электродов были обнаружены аномальные характеристики предпробойных токов, исследованию которых посвешены следующие главы.
Характеристики вакуумной электроизоляции исследовались в стеклянных вакуумных приборах (рис.2.2.1-2.2.7). Конструкция позволяла визуально наблюдать за поведением вакуумного промежутка, регистрировать разряд по длинному пути . Стеклянная оболочка прибора служила хорошим изолятором. Первые опыты выполнялись в неразборных приборах (рис.2.2.1;2.2.4-2.2.7), последующие - в разборных (рис.2.2.2). У всех приборов имеется боковой электрод, на который высаживался материал электродов при очистке их тлеющим разрядом. В некоторых приборах этот вспомогательный электрод представлял собой спираль, помещенную в экранирующий цилиндр. (см.рис.2.2.2-2.2.6). Эта спираль использовалась для прогрева основных электродов в вакууме до высоких температур. Все приборы имели сильфон для перемещения одного из электродов в вакууме. Расстояние между основными электродами можно было изменять от нуля до 10 мм с точностью 0,05 мм.
Первые приборы со впаянными электродами (рис 2.2.1) были рассчитаны на рабочее напряжение до 20 кВ . С увеличением высокого напряжения длина стеклянного изолятора была увеличена до 25-35 мм, а диаметр шаровой части -до 150 мм. У разборных приборов можно было проводить замену электродов (рис.2.2.2: і); у других - электроды были жестко вмонтированы в прибор. Эти приборы перемещались на высоковольтный импульсный стенд после подготовки электродов. Перед транспортировкой прибор отпаивался под высоким вакуумом от вакуумного поста методом холодной отпайки. Высокий вакуум в отпаянном приборе поддерживался вмонтированным в прибор электроразрядным насосом.
Приборы на рисунках 2.2. 5 2.2.7 были использованы для выяснения влияния дозированных загрязнений на характеристики вакуумной электроизоляции. Все приборы, представленные на рис.2.2.2-2.2.7 выдерживали импульсное напряжение не менее 200 кВ (в отсутствие заметных токов с высоковольтных электродов). С появлением токов в вакуумном промежутке между электродами электрическая прочность стеклянного изолятора снижалась иногда до 150 кВ в импульсном режиме и до 90-100 кВ - при постоянном напряжении. Иногда возникали пробои стекла с нарушением вакуума. Как правило, пробои по стеклянному изолятору появлялись вследствие неравномерной зарядки стекла при электронной бомбардировке предпробойными токами в вакуумном промежутке в диапазоне величин 100мкА-1мА.
Экспериментальные приборы откачивались на вакуумных установках ЭРА-100, ЭРА-300 с безмаслянньши средствами откачки (цеолитовыми и электроразрядными насосами).Экспериментальный прибор подсоединялся к вакуумному посту через вакуумный трубопровод из изолятора. Это позволяло включать для измерения тока прибор между корпусом установки и высоковольтным электродом. Наличие такого изолятора требовалось и при измерении токов послеразрядной эмиссии электронов.
Причина появления больших предпробойных токов с чистометаллических электродов
Первые микропробои вакуума увеличивали напряжение последующих пробоев, однако предпробойные токи, как правило, также увеличивалисьфис.2.3.14). Существенным бьшо выяснить, возникают ли эти предпробойные токи вследствие появления загрязнений в результате пробоев. С этой целью измерялась послеразрядная эмиссия электронов после большого количества пробоев(более 100).Оказалось, что послеразрядная эмиссия с обоих электродов не появлялась, и величина измеряемого тока соответствовала фону (рис.2.3.15). Предпробойные токи в вакуумном промежутке в 1 мм, возникающие в результате как единичных пррбоев, так и серии пробоев измерялись с обоих электродов. Начальные токи, (до первого пробоя) были Ю-8 А. Как правило, ток, появившийся в результате пробоев промежутка, оказывался нестабильным, имел разброс, составляющий около четырех порядков величины. Токи с электрода, который был при пробое вакуума анодом, заметно большей величины, чем при пробое с другой полярноетью(рис.2.3.14-а,б) .Как видно из графиков, для исследуемых поверхностей электродов не наблюдается связи между числом пробоев вакуума и величинами появившихся токов, т.е. первые единичные пробои могут создавать большие токи, чем серия пробоев и наоборот.При пробоях вакуума балластное сопротивление - Кб = 100 ком, емкость на выходе выпрямителя С= 0,01 мкф.
Отсутствие послеразрядной эмиссии после серии " пробоев вакуума свидетельствует о достаточно высоком качестве очистки поверхности электродов и причина появления токов вероятно связана с изменением микрогеометрии поверхности электродов и газонасыщенностью ее поверхностных слоев, т.к. при микропробоях наблюдается резкое выделение газов.
Ток, появившийся в результате пробоев вакуума во всех случаях мог быть уменьшен дальнейшим прогревом электродов в вакууме при температуре rI8 1000-1500С. На рис.2.3.16 показаны примеры уменьшения токов после прогрева электродов электронной бомбардировкой до 1300С в течение нескольких часов. Хотя уменьшение тока более чем на 3-4 порядка, только прогревом не удавалось уменьшить эти токи до величины, которая была до первого пробоя. Необходимо было повторить обработку тлеющим разрядом в инертном газе. Режим обработки, который давал бы возможность восстановить поверхность после пробоя, был следующим: в аргоне при давлении несколько мм рт. ст. поверхности обоих электродов обрабатывались тлеющим разрядом с током плотностью J 0,1 А/см2 в течение одного или нескольких часов, причем разряд полностью покрывал поверхность электродов (общий ток - 70 мА). Такие же результаты можно было получить и при обработке плотностью тока J= 0,3 А/см2 ( ток 500-600мА), при этом электроды разогревались до высоких температур (900-1000 С). Многочисленные опыты по определению напряжения первого пробоя показали, что в 70% случаев величины напряжения первого пробоя превышали напряжения 60 кВ, а предпробойный ток был менее 108 А.
Предпробойные токи, возникающие после пробоев вакуума, построенные в координатах Ф-Н In I/E2=f(l/E), представляют собой прямые линии. Для каждого вакуумного промежутка имеется свой линейный график, отличающийся углом наклона (рис.2.3.17-б). Такие же закономерности наблюдаются и для случаев, когда предпробойные токи возникают не после пробоев, а в результате неудачного режима тлеющего разряда при очистке электродов.
Линейность графиков сохраняется и после прогрева электродов в вакууме до высоких температуро 500С), хотя при этом, как правило, предпробойные токи уменьшаются. Однако, в некоторых случаях характеристики Ф-Н, построенные для разных вакуумных промежутков, сливались в одну прямую Е,107 (В/м) «эффект» полного тока при токах через вакуумный промежуток 10"5 А(а),10-6 А(б) и 10 7 А(в) для чистометаллических молибденовых электродов после обработки тлеющим разрядом - 1, после одного микропробоя вакуума П и после серии микропробоев Ш. линию(кр. І на рис.2.3.17-б). Такая зависимость соответствовала отсутствию "эффекта полного тока"(кр. I на рис.2.3.17-а). После одного микропробоя вакуума этот "эффект" появился (кр. II) и после серии пробоев он стал ярко выраженным(кр. III). "Эффект полного напряжения" также наблюдается для чистометаллических электродов. Это видно из таблицы 2.3.10. Характеристики вакуумной электроизоляции для вакуумного промежутка d=0,5 мм значительно выше, чем для промежутка d=l мм. "Эффект полного напряжения" и по аналогии"эффект полного тока" - наиболее трудно объяснимые закономерности вакуумной электроизоляции. Первый проявляется в снижении напряженности внешнего поля, при которой возникает пробой вакуума, при увеличении длины вакуумного промежутка. Подобным же образом напряженность поля уменьшается при увеличении длины вакуумного промежутка при постоянном значении дока через вакуумный промежуток.
При появлении "эффекта полного тока" графики Ф-Н представляют собой семейство прямых линий отличающихся углом наклона для разных вакуумных промежутков. Если следовать представлениям об автоэлектронной эмиссии, то угол наклона этих характеристик будет определяться коэффициентом р, усиления внешнего макрополя на микронеровностях. Такая зависимость(рис 2.3.17в) была построена по результатам рис.2.3.17б [32] и эта зависимость отсутствует ,если не наблюдается , эффекта полного тока.
Таким образом, для исследуемых чистометаллических электродов графики Ф-Н и "эффекты полного напряжения и тока" близки к тем же характеристикам для необработанных электродов.
Предлагаемая модель физических процессов, вызывающих аномалию характеристик Фаулера- Нордгейма для токов в вакууме
Напрашивается вопрос, откуда возможен поток электронов с низкой энергией, который бы бомбардировал адсорбированные слои на поверхности металла. Оказывается, такой поток электронов возможен со стороны металла.
Обратимся к работам Тамма [60] о поверхностных состояниях электронов. Они возникают на границах раздела кристалла с вакуумом,а также вследствие адсорбции на внешних поверхностях различных молекул. В работе [61] подтверждается это положение: наряду с "зонными" состояниями электронов в кристалле у его поверхности могут существовать также состояния электронов совершенно иного типа. Эти "поверхностные" состояния электронбв обладают дискретным энергетическим спектром и волновыми функциями, экспоненциально затухающими по мере удаления от поверхности как в глубину кристалла, так и в сторону вакуума. В случае металла поле поверхностного заряда проникает в глубину кристалла лишь на расстояние меньше, чем постоянная решетки: оно очень сильно экранируется положительным зарядом, возникающим в тонком приповерхностном слое металла, вследствие частичного ухода из этого слоя электронов проводимости. Таким образом, заполнение нижайших поверхностных уровней электронами приводит к образованию на поверхности металла дополнительного электрического двойного слоя. Отрицательный поверхностный заряд сосредоточен в тонком слое протяженностью 10"8 см. При поверхностной концентрации электронов 10 14 1/см2 возникает поле поверхностного заряда 1О9.Ч010 В/м, отталкивающее электроны. Следовательно,чтобы нарушить равновесие, необходимо на очень близком расстоянии снаружи наличие потенциала 0,1 - 1 В.
В стационарном состоянии нижайший поверхностный уровень должен приближаться или совпадать с уровнем Ферми. Поверхностные состояния могут заполняться электронами из атомов и молекул, адсорбируемых на поверхности.
Таким образом, при наличии, например, адсорбированных слоев воды и провисании внешнего электрического поля в объем поры появляется поток электронов из объема металла к его поверхности, который создает эмиссию нейтральных частиц и отрицательных ионов в обьем поры.(рис. 3.2.3)
Согласно обзору [62] поперечные сечения десорбции нейтральных частиц не зависят от концентрации адсорбированных частиц, а поперечные сечения десорбции ионов при покрытиях больше половины монаслоя постепенно уменьшаются с ростом покрытия. Эти данные относятся к десорбции при внешнем облучении поверхности электронами, хотя возможно они справедливы и для условий бомбардировки поверхности со стороны металла.
Для зажигания самостоятельного газового разряда в объеме поры кроме газовой среды необходимо наличие электронов, а также провисание поля с потенциалом более, чем потенциал ионизации газа. Состав газа в поре будет определяться не только процессами резонансной десорбции с поверхности, но и потоком газа, выходящим из твердого тела в вакуум при диффузии его к поверхности, поэтому можно считать, что в пору должна провиснуть, по крайней мере, эквипотенциаль соответствующей величине потенццала 10-20 В (учитывается начальная энергия электронов, эмиттированных с поверхности при нарушении поверхностного состояния).
Начальные электроны в объеме поры могут появиться еще и за счет космического фона или радиоактивного фона лаборатории. Однако их очень мало. Необходимое количество электронов может появиться при разрушении отрицательных ионов. Наиболее вероятные процессы разрушения отрицательных ионов для данной ситуации приведены в таблице 3.2.1 [63]. Таблица 3.2.1. Константы скоростей разрушения отрицательных ионов при Т = 300 К [63]. Реакция Выделение энергии, эВ Константы скоростиV 1А"10 3K(j, 10 см . Н" + Н - Н2 + е 3,8 13 Н + 02 -» Н20 + е 1,25 12 ОН + О - Н20 + е 0,9 2 ОН" + Н Н20 + е 3,2 113 Таким образом, изложенные процессы могут создать условия для возникновения самостоятельного газового разряда в порах.
Эмиттирование электронов при комнатной температуре и очень низких напряженностях внешнего электрического поля мы наблюдали в чистом инертном газе с чистометаллическим катодом [23 ]. В этой работе измерялось запаздывание зажигания газового разряда при разных значениях коэффициента перенапряжения К = Uc/U, где Uc- статическое напряжение зажигания газового разряда; U - напряжение на газовом промежутке. Известно [63 ], что при К = 1,25 каждый электрон с поверхности отрицательного электрода вызывает разряд в газовом промежутке. Однако, как следует из рис. 3.2.4,[23] запаздывание зажигания разряда продолжало уменьшаться при увеличении К. Было сделано предположение, что влияет объем промежутка, из которого электроны участвуют в зажигании газового разряда. В7отсутствие эмиссии с отрицательного электрода эти электроны создаются космическим и радиоактивным фоном лаборатории. Однако, как следует из картины электрического поля в газовом промежутке (рис. 3.2.5) при К=4, активный объем увеличивается приблизительно в 2 раза, а запаздывание же уменьшается на порядок. Используемый метод измерения токов с помощью определения статистических запаздываний зажигания газового разряда позволил оценить величину тока в газовом промежутке в диапазоне 1019 - Ю-18 А. Эти токи не были токами послеразрядной эмиссии, так как они не зависели от времени, и не были токами автоэлектронной эмиссии, так как при увеличении К 4 они резко бы возрастали и более того, напряженность внешнего поля не превышала 2,5 106 В/м.
При наличии пор эмиссию электронов при низких напряженностях поля наблюдали в работе [64]. При разработке протяженного полевого полупроводникового фотокатода была создана регулярная острийная структура с усилением внешнего поля более чем в 200 раз. Однако на люминисцирующем экране высвечивались эмиссионные центры не с острий. Они появлялись при напряженности (143) 107 В/м. Эти центры представляли собой прямые линии, отрезки хорд или скопления размером до 10 мкм. Количество эмиссионных центров росло с увеличением напряжения. При некоторой плотности ток становился нестабильным. Наблюдались скачки тока, после которых появлялся гистерезис ВАХ. Отдельные участки ВАХ можно было экстраполировать законом Фаулера-Нордгейма. При прогреве в вакууме ток сначала увеличивался, достигая максимума при 800 - 1000 К, а затем резко уменьшался, и далее совсем исчезал. В первую очередь эмиссионные центры появлялись в местах скопления щелочных примесей и графита. По мнению авторов на границе сред имеются трещины, внутри которых контактная разность потенциалов создает поле более 109 В/м при размере щели меньше или равной 10 А0, а температурная зависимость объясняется поведением размера щели и контактной разностью потенциалов. Необходимым условием, по мнению авторов, является наличие неметаллических включений.
В работе [65] исследовались холодные алюмосиликатоцезиевые катоды, которые работают при низких напряженностях электрического поля (105- 106 В/м). Авторы считали, что образование субмикронных выступов у краев каналов эмиссии и понижение электронного сродства материала (возможно, до отрицательной величины благодаря адсорбции цезия), приводит к появлению автоэлектронной эмиссии. Однако не все полученные закономерности для этого типа катода можно, было объяснить автоэлектронной эмиссией. Это относится в первую очередь к температурной зависимости тока эмиссии, которая подтверждает модель газового разряда в порах как источника заряженных частиц [66-68].
Для подтверждения модели процессов в порах исследования проводились с различными пористыми материалами. С точки зрения классических представлений об электрическом разряде в газе основными 7 условиями, влияющими на его характеристики, должны быть давление газа, размер пор и работа выхода материала. Результаты этих исследований представлены в главе4.
Опыты с пористыми электродами, длительно находившимися на атмосфере Ь2
Подобные результаты были получены и для других таких электродов со сквозными порами - с микроканальными пластинами - МКП. Эксперименты проводились в связи с исследованием электрической прочности вакуумной электроизоляции электронно-оптических преобразователей [82,83]. На обеих сторонах пластины напылен слой металла толщиной 1 мкм. Диаметр пластин 25-35 мм. МКП помещалась в разборную металлическую оправку (рис.4.2.25). Пружинное кольцо обеспечивало хороший контакт напыленных слоев на МКП с оправкой и верхний и нижний слой напыления находились под одним потенциалом. В этом случае исключалась возможность зарядки МКП. Верхний напыленный слой, обращенный к аноду, был также пористый, однако размер пор был значительно меньший, чем размер каналов.Место контакта МКП с оправкой было удалено от анода на расстояние на порядок величины больше, чем длина исследуемых вакуумных промежутков. Диаметр анода - 10 мм.
На рис. 4.2.31 представлены ВАХ в день начала откачки с атмосферного давления и последующие две недели. Эти графики показывают уменьшение токов в процессе откачки. Построенная зависимость тока от длительности откачки не по начальным линейным участкам (ток на которых менее КИ А), а по переходным, показана на рис. 4.2.32. Вследствие быстрой откачки газа через сквозные поры МКП первый максимум не наблюдается, т.к. его вероятно можно измерить лишь в первые часы откачки с атмосферного давления, однако в течение этого времени не достигался высокий вакуум.
Пористые массивные электроды из графита имеют широкий спектр размеров пор, трещин, причем масимальные размеры достигают сотен мкм. Общий вид катода на фото рис 4.7.1. При напряженности внешнего поля Е=1л106В/м ток в вакуумном промежутке достигал 1 мА, однако на начальном участке он был менее 10 8 А. При длительной откачке прибора с отбором тока он превысил эту величину только через месяц, а через 1,5 месяца можно было измерить линейные участки ВАХ (рис.4.2.33-а). Изменение тока на линейном участке при ухудшении вакуума показано на (рис.4.2.33-6).
Подытоживая результаты опытов по исследованию токов в вакуумном промежутке в зависимости от газонасыщенности пористого катода, можно отметить следующее:
1. Как в режиме геттерирования газа, так и при уменьшении газонасыщенности пористого катода, начиная с атмосферного давления, путем длительного обезгаживания в вакууме, начальные участки ВАХ линейные.
2. Имеется оптимальная газонасыщенность пористого катода, при которой ток на линейном участке достигает максимального значения. Плотность тока составляет примерно 1 мкА/см2, формирование таких условий определяется структурой пористой поверхности, массивностью электрода, а также вакуумными условиями.
Так, для тонких электродов со сквозными порами эти условия создаются в течение часов или одних суток при откачке атмосферы, а для массивного электрода из графита 1,5 месяца. В режиме геттерирования газа требуются сутоки или недели.
Влияние размеров и конфигурации пор поверхности электродов на вольт-амперные характеристики вакуумного промежутка.
Размеры и конфигурация пор определяют основные условия, от которых зависят исследуемые процессы в порах. К ним относятся давление десорбированного газа и степень провисания внешнего электрического поля.
Электроды со специально изготовленными порами были выполнены из медного порошка методом прессования. Диаметр электродов - 20 мм; края электродов закруглены. У одного электрода (1) сделаны регулярные поры размером 50x180 мкм. Такая поверхность была получена при запрессовке вольфрамовой сетки с последующим ее удалением (фото рис.4.3.1) . Фотография другого электрода (2) (с меньшими размерами пор) представлена на рис. 4.3.2. Измерялись размеры пор и степень пористости - отношение площади, занимаемой порами, к общей плошади электродов.
Как видно из фото 4.3.1, 30% площади занимают поры размером (50-180) мкм. Темные участки на фото соответствуют углублениям. Более мелкие поры (1-10) мкм составляют 10% и 1% пор имеет размеры менее 1 мкм. У другого (2) электрода (фото 4.3.2) до 40% занимают поры размером (5-Ю) мкм; 25% - размер 1 мкм и остальные поры менее J мкм. При сравнении поверхностей этих двух электродов видно, что преимущественный размер пор отличается на порядок. Исследовались пористые электроды (3,4) из графита (также с разными размерами пор) - фото рис.4.3.3 и 4.3.4. У электрода (3) основной процент пористости составляют поры размером (90-100) мкм, у другого (4) - (50-60) мкм. Эти поры специально не формировались. Их конфигурация и повторяемость в плане поверхности не являются однотипными.
Были измерены ВАХ для электродов с разными размерами пор. Ввиду того, что появление микроразрядов и пробоев вакуума могли изменить исследуемую структуру пор, уровень токов ограничивался. Для медных электродов (1,2) ВАХ представлены на рис. 4.3.5, для графитовых (3,4) на рис.4.3.6. Как и предполагалось, разные размеры пор влияют на вид семейства ВАХ. Исследуемые электроды были катодами. Для медных электродов 1,2 с разными размерами пор, токи отличались на два порядка и это отличие сохранялось при увеличении длины вакуумного промежутка. Для графитовых электродов разница в токах составляла не более одного порядка и она также сохранялась для разных вакуумных промежутков. Можно предположить, что величина тока как у медных, так и графитовых электродов определяется размером и конфигурацией максимальных размеров пор. Для исключения влияния состояния анода электроды помещались под общим медным массивным анодом, диаметр которого (110мм) превосходил размеры двух катодов. Опыт проводили в высоковольтной вакуумной камере, показанной нарис.2.2.3.
Далее была проведена длительная выдержка как медных, так и графитовых электродов под напряжением. На рис. 4.3.7 показаны ВАХ для медных катодов после 20 часового отбора тока (0,5-1) мА при напряжении V = (17-22) кВ , (вакуумный промежуток d = 2 мм). Как видно из графиков, существенная разница в ВАХ практически исчезла. Такая же картина наблюдалась и для графитовых электродов (рис.4.3.8).
Как показали снимки на электронном микроскопе, изменение ВАХ было следствием эрозии поверхности. У медного электрода 2 появились поры с размером пор электрода 1 (фото рис.4.3.9). Четко видна граница эрозии на поверхности электрода. Она появилась вследствие небольшой непараллельности электродов, что свидетельствует о критичности токовых условий появления эрозии. По другому происходила эрозия основных больших пор электрода 1. Их размер практически не изменился (фото рис.4.3.10). Однако на дне этих пор появились микрообразования за счет выхода материала электрода. Как правило, они располагались в центре донышка пор. Стрелками указаны участки, где произошла эрозия. Новое образование хорошо видно на фото рис. 4.3.11 [76-80].
Анализируя полученные результаты, необходимо отметить, что максимальные размеры пор обуславливают довольно большие токи при низких напряженностях внешнего поля. Например, общий ток величиной 108А регистрировался при напряженности Е = 106 В/м, а плотности тока в стационарном режиме более j = 300 мкА/см2 при напряженности Е = (8-9) 106 В/м. Изменение ВАХ для обоих графитовых электродов дает основание предполагать, что после эрозии поверхности наибольший размер пор превысил 100 мкм у обоих электродов.
