WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 9 04;11;12 Запаздывание пробоя в вакууме © А.А. Емельянов Орловский государственный технический университет, 302020 Орел, Россия e-mail: orelrce@ostu.ru (Поступило в Редакцию 7 октября 2002 г.) На основе механизма джоулева инициирования рассмотрено запаздывания пробоя в вакууме. Исследовано влияние материала катода на время запаздывания пробоя. Сформулирован критерий оптимальности кондиционирования электродов вакуумного промежутка. Показано, что реализация оптимальных режимов кондиционирования формирует поверхность катода с минимальным значением коэффициента усиления поля на ее микронеоднородностях, позволяя оценивать эмиссионные параметры поверхности катода, а также импульсную электрическую прочность вакуумной изоляции.

Введение Критерий инициирования Воздействие высоковольтного импульса на электро- Использование импульсов напряжения длительностью ды вакуумного промежутка может приводить к элекtr tp h2c/, (1) трическому пробою, возникающему с некоторым запаздыванием после приложения импульса. Запаздыва- где tr — время термической релаксации; h — высота ние пробоя в вакууме определяется инерционностью эмиттера;, c, — соответственно плотность, удельная процессов, приводящих к его инициированию. Время теплоемкость и коэффициент теплопроводности материзапаздывания пробоя td зависит от состояния поверх- ала эмиттера, позволяет привести краевую задачу для ности и электрофизических параметров материала ка- распределения температуры эмиттера [2] к виду тода, а также от величины и формы воздействующего c dT = j2 T /2T 20T, импульса.

0 dt sin(T /2T ) Применение импульсов напряжения наносекундного (2) T = T0, T t=t = Tcr, диапазона длительностей существенно сокращает число t=0 d возможных механизмов инициирования вакуумного прогде j0 — плотность тока автоэлектронной эмиссии, боя, при этом основным остается катодный механизм, 0 — коэффициент пропорциональности в зависимости когда инициирование вызвано взрывным разрушением удельного сопротивления материала эмиттера от темпеэмиттера в результате джоулева разогрева протекающим ратуры (T ) =0T ; T — температура инверсии, равная через него термоавтоэлектронным током.

T = 5.67 · 10-7-1/2; — работа выхода [3].

Использование механизма джоулева инициирования Решение задачи (2) позволяет, не конкретизируя геопроводит к аналитическим соотношениям, связывающим метрию эмиттирующего участка катодной поверхности, время запаздывания пробоя в вакууме с напряженполучить аналитические соотношения, представляющие ностью электрического поля и физическими постоянвремя запаздывания td как функцию критической микроными материала катода. Эти соотношения позволяют напряженности Ecr электрического поля и физических не только объяснять экспериментальные результаты, постоянных материала катода.

но и дают возможность проанализировать влияние Запись уравнения (2) в интегральной форме материала электродов за время запаздывания пробоя, сформулировать критерий оптимальности кондициони- td c рования электродов вакуумного промежутка. Обработj2(t)dt = a, (3) ка электродов высоковольтными импульсами длительностью равной времени запаздывания пробоя tp = td где соответствует оптимальному режиму кондиционирова x=Tcr/T sin x 1 sin2(x/2) ния. Данный режим формирует поверхность катода с a = Ci(x) - -, минимальным значением коэффициента усиления наx 2 (x/2)2 x=T0/T пряженности электрического поля на ее микроне однородностях и максимизирует испульсную электриcos y Ci(x) =- dy.

ческую прочность изоляции. Реализация оптимальных y x режимов кондиционирования позволяет достигать заданной электрической прочности вакуумной изоляции, а является критерием инициирования вакуумного пробоя, также оценивать эмиссионные параметры поверхности согласно которому инициирование происходит в резулькатода [1]. тате выделения в эмиттере за промежуток до взрыва 8 114 А.А. Емельянов Физические постоянные металлов Материал, kg/m3 Tf, C, W/m· C c, J/kg · C, 10-10 m/K, eV c/0, 1016 A2 · s/mZr 6500 1860 17 276 15.02 3.70 0.Ti 4500 1725 15 577 17.58 3.85 0.Be 1850 1284 167 200 1.46 3.90 0.Nb 8570 2410 50 272 5.13 4.00 0.Ta 16 700 2850 54 142 4.94 4.10 0.Al 2703 657 209 922 0.96 4.25 2.Mo 10 200 2620 151 264 1.90 4.27 1.Ag 10 500 961 408 234 0.59 4.30 4.Au 19 300 1063 311 126 0.81 4.30 3.Fe 7870 1535 73 452 3.59 4.31 1.Cu 8890 1083 394 386 0.63 4.40 5.Ni 89 001 1455 95 444 2.67 4.50 1.W 19 300 3380 168 218 2.01 4.54 2.Cr 7100 1890 67 461 7.69 4.58 0.Re 20 500 3180 71 138 7.69 4.80 0.энергии, равной энергии его разрушения [4]. Величина время td на прямоугольном импульсе, что соответствует ac/0 определяет удельную энергию разрушения эмит- экспериментальным результатам [6].

тера.

Время запаздывания пробоя Влияние материала электродов Экспериментальное определение времени запаздываАналитические выражения (4)–(6) представляют врения td выполняют на импульсах напряжения прямоугольмя запаздывания пробоя как функцию критической миной формы при различных соотношениях длительнокронапряженности электрического поля, работы выхода стей фронта t и импульса tp. При этом значения td, f и удельной энергии разрушения эмиттера. По выражеопределенные на прямоугольных импульсах с бесконию (4) для металлов со значениями работы выхода нечно коротким фроном (t tp), отличаются как от f от 3.7 до 4.8 eV построены зависимости td = f (Ecr).

значений td1, измеренных на прямоугольных импульсах Физические постоянные [7–9], использованные при расс конечным фронтом (t tp), так и от значений td2, f четах, приведены в таблице.

определенных на фронте импульса (t = tp).

f На рис. 1 представлены зависимости времени запазРешение уравнения (3) дает выражения для времени дывания пробоя от микронапряженности электрического запаздывания на импульсах разной формы: прямоугольполя, инициирующего пробой, рассчитанные по выраженый импульс с бесконечно коротким фронтом нию (4) для циркония, бериллия, тантала, молибдена и ac меди.

td = 4.2 · 1011 2 exp{-21.6-1/2} -exp{1.32 · 10103/2Ecr }, (4) Ecr косоугольный импульс 3/td2 = 1.32 · 1010 td, (5) Ecr прямоугольный импульс с конечным фронтом td1 = td + t (1 - 7.58 · 10-11-3/2Ecr). (6) f Зависимости td = f (Ecr), рассчитанные по выражениям (4)–(6) для вольфрама, удовлетворительно соответствуют экспериментальным результатам [5], что указывает на справедливость использованного подхода Рис. 1. Зависимость времени запаздывания от микронапряи сделанных допущений. При Ecr = const время запазды- женности электрического поля для разных металлов: 1 —Zr, вания td2 на косоугольной волне на порядок превосходит 2 —Be, 3 —Ta, 4 —Mo, 5 —Cu. td —в секундах.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Запаздывание пробоя в вакууме Переход от циркония к меди сопровождается ростом времени запаздывания на 4 порядка величины, при этом 2 порядка дает увеличение работы выхода и столько же увеличение удельной энергии разрушения. Переход от меди к рению практически не изменяет значение времени запаздывания, так как рост td за счет увеличения скомпенсирован соответствующим уменьшением ac/0.

Приведенные результаты позволяют обосновывать выбор материала электродов вакуумных промежутков. Для обеспечения заданной электрической прочности следует использовать материалы не только с высоким значением работы выхода, но и с максимальной величиной удельной энергии разрушения.

Критерий оптимальности При длительности высоковольтного импульса, меньшей времени запаздывания пробоя tp < td, энергии импульса недостаточно для разрушения эмиттера. С увеличением длительности и приближения к критическому состоянию, инициирующему пробой и характеризуемому равенством tp = td, имеет место сглаживание микрорельефа и полировка поверхности катода [10].

При tp > td энергия высоковольтного импульса идет Рис. 2. Удельная энергия разрушения эмиттера (a) и время не только на разрушение эмиттера, но и на развитие комзапаздывания пробоя (b) как функции работы выхода. td —в мутационных процессов в промежутке. С уменьшением секундах.

длительности импульса тока взрывной эмиссии по мере приближения длительности высоковольтного импульса к критической величине, равной времени запаздывания При Ecr = const переход от циркония к меди сопро- пробоя в вакууме tp = td, происходит сокращение развождается ростом времени запаздывания на 4 порядка меров микрократеров вплоть до полировки катодной величины. Зависимости td = f (Ecr), рассчитанные для поверхности [11,12].

никеля, вольфрама, хрома и рения, мало отличаются от При tp = td энергия, запасаемая в эмиттере за промеприведенной кривой для меди, практически совпадая с жуток времени до взрыва, оказывается равной энергии ней. При переходе от одного материала к другому сущеего разрушения. Энергии импульса достаточно лишь для ственное влияние не величину времени запаздывания td инициирования пробоя, ее не хватает на поддержание оказывают как работа выхода, так и удельная энергия и дальнейшее развитие разряда. Обработка поверхноразрушения эмиттера ac/0.

сти катода высоковольтными импульсами длительноНа рис. 2, a приведены значения удельной энергии стью tp = td лишь разрушает микровыступы поверхности разрушения ac/0 для разных металлов как функция катода без регенерации новых центров эмиссии.

работы выхода.

Таким образом, режим обработки электродов вакуПереход от циркония (Zr = 3.7eV) к меди умного промежутка, при котором длительность высоко(Cu = 4.4eV) сопровождается ростом работы выхода вольтного импульса равна времени запаздывания пробоя на 0.7 eV, при этом удельная энергия разрушения tp = td, является оптимальным, обеспечивающим максиувеличивается в 40 раз, достигая максимального мальное выравнивание микрорельефа поверхности катозначения у меди ac/0 = 7.24 · 1016 A2s/m4. Переход да и соответствующую ему максимальную импульсную от меди к рению (Re = 4.8eV) увеличивает на 0.4 eV, электрическую прочность вакуумной изоляции при миоднако при этом ac/0 уменьшается в 13 раз нимальной продолжительности процесса кондициониродо 5.4 · 1015 A2s/m4. Наличие максимума в зависимости вания. Критерий оптимальности получаем в результате ac/0 = f () существенным образом сказывается на подстановки tp = td в (3) характере кривой td = f ().

tp На рис. 2, b приведены значения логарифма времени c запаздывания при Ecr = 7 · 109 V/m для разных металлов, j2(t)dt = a. (7) представленные в виде функции от работы выхода.

8 Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 116 А.А. Емельянов Рост мощности импульсов при соответствующем уменьшении их длительности, обеспечивающем выполнение равенства tp = td, повышает эффективность процесса кондиционирования электродов, приводя в пределе к полировке поверхности катода.

Оценка эмиссионных параметров В экспериментах по времени запаздывания пробоя электроды вакуумного промежутка предварительно тренируют высоковольтными импульсами tp = const с минимальным перенапряжением, достигая для каждого значения амплитуды кондиционирующего импульса стабильной величины времени запаздывания, а следовательно, и стабильного состояния поверхности катода, характеризуемого коэффициентом усиления напряженности электрического поля на ее микронеоднородностях.

Локальная и макронапряженности электрического поля Рис. 3. Зависимости времени запаздывания пробоя от насвязаны соотношением пряженности электрического поля, инициирующего пробой, для меньших электродов. 1 — экспериментальная td = f (E0), E = E0. (8) 2 — расчетная td = f (Ecr); экспериментальные результаты:

— [13], — [14], — [15], — [16], • — [17].

Экспериментальная зависимость td = f (E0), получаемая в результате высоковольтной тренировки с минимальным перенапряжением, соответствует реализаtd = f (E0) и td = f (Ecr), которые сходятся при некотоции оптимального режима кондиционирования, когда ром критическом значении tp td. Из сравнения при td = const экспериментальной td = f (E0) и расчетной td = f (Ecr) кривых можно опреE0 = Ecr = 1.32 · 1010 V/m, (10) делять величину коэффициента усиления, достигаемую при оптимальных режимах кондиционирования. Сопо- по достижении которого напряженности на вершине ставление при E0 = const экспериментальных зависимо- и у основания микровыступа оказываются равными, а стей td = f (E0) для импульсов разной формы позволяет коэффициент усиления поля принимает минимальное оценивать значения как коэффициента усиления поля, значение = 1, соответствующее идеально гладкой потак и работы выхода. верхности.

1. Коэффициент усиления поля. Эксперимен- Сопоставляя при td = const экспериментальную и тальные результаты по времени запаздывания пробоя расчетную кривые, можно построить зависимости ков вакууме наиболее полно представлены для медных эффициента усиления поля = f (E0) и = f (tp) от электродов. Они получены в техническом и сверхвысо- параметров кондиционирующего воздействия. Кривые ком вакууме для широкого диапазона межэлектродных = f (E0) и = f (tp), приведенные на рис. 4, характерипромежутков от 3 µm до 20 cm, перекрывающего пять зуют изменение коэффициента усиления в результате порядков величины [13–17]. На рис. 3 представлены реализации оптимальных режимов кондиционирования экспериментальная td = f (E0) (кривая 1) и расчетная импульсами tp = td при разных значениях макронапряtd = f (Ecr) (кривая 2) зависимости времени запаздыва- женности E0.

ния вакуумного пробоя от напряженности электрическо- Коэффициент усиления поля, получаемый в резульго поля, инициирующего пробой, для медных электро- тате кондиционирования импульсами tp = td, аппроксидов. Расчетная зависимость td = f (Ecr) построена по со- мируется степенной зависимостью [18] отношению (4) и физическим постоянным, приведенным -0. = 1.28 · 109 E0. (11) в таблице.

Разность абсцисс расчетной td = f (Ecr) и эксперименСогласно (11), реализация оптимальных режимов контальной td = f (E0) кривых при td = const определяет диционирования позволяет получать поверхности катовеличину коэффициента усиления поля да с заданным значением коэффициента, величина которого определяется лишь макронапряженностью Elg = lg Ecr - lg E0, (9) электрического поля, инициирующего пробой.

достигаемую в результате реализации оптимальных ре- Оптимальные режимы кондиционирования позволяют жимов кондиционирования. при соответствующем регулировании амплитуды и длиКак следует из графиков, с ростом напряженности тельности высоковольтных импульсов изменять коэффиэлектрического поля имеет место сближение кривых циент усиления поля до 3 порядков величины. Это Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Запаздывание пробоя в вакууме можно использовать для формирования микрорельефа с заданным значением.

Изменение характера зависимости = f (tp), приведенной на рис. 4, b, при td > 10-7 s, очевидно, связано с влиянием охлаждения эмиттера теплопроводностью.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.