СПОСОБ ОЦЕНКИ КАТОДНОГО МЕХАНИЗМА ИНИЦИИРОВАНИЯ ПРОБОЯ В ВАКУУМЕ Российский патент 2005 года по МПК H01J21/00 

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности при достижении предельных значений электрической прочности электровакуумных приборов и конструкций, а также в научных исследованиях при изучении механизмов вакуумного пробоя.

Известен способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме в стационарном режиме, выбранный в качестве прототипа [1]. Способ включает подачу напряжения постоянного тока на вакуумный промежуток, измерение приложенного напряжения и предпробойного тока, построение вольтамперной характеристики, определение по ее наклону коэффициента усиления напряженности электрического поля β на микронеоднородностях поверхности катода, измерение напряжения U_пр первого после оценки параметра β пробоя, вычисление по геометрии промежутка и напряжению первого пробоя электрической прочности E₀ и проверку выполнения критерия катодного инициирования

Если микронапряженность электрического поля E=β E₀ равна критической Е_кр, то имеет место катодное инициирование вакуумного пробоя.

Недостаток способа заключается в том, что при предельных значениях электрической прочности выполнение измерений тока и напряжения в предпробойном режиме постоянного тока сопряжено с большой вероятностью инициирования пробоя, существенно усложняющего определение параметра β , характеризующего состояние катодной поверхности и искажающего его значение.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет исключения операций, связанных с проведением измерений в предпробойном режиме при предельных значениях электрической прочности.

Это достигается тем, что в известном способе оценки катодного механизма инициирования, включающем измерение напряжения пробоя в режиме постоянного тока, применяют обработку катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, а измерения напряжения пробоя осуществляют до и после импульсной обработки, после чего проверяют выполнение критерия

где Кβ =β ₀/β _и - относительное изменение параметра β в результате импульсной обработки, определяемое по известной зависимости Кβ (t_и);

β ₀, β _и - значения параметра β соответственно до и после импульсной обработки;

K_U=U_и/U₀ - относительное изменение электрической прочности в результате импульсной обработки;

U_и - напряжение первого по окончании импульсной обработки пробоя;

U₀ - установившееся значение напряжения пробоя до начала импульсной обработки.

Введение операции обработки катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, обеспечивает реализацию оптимальных режимов импульсной обработки катода, повышающих электрическую прочность вакуумной изоляции и приводящих к достижению ее предельных значений. Осуществление операции измерения напряжения пробоя в режиме постоянного тока до и после импульсного воздействия позволяет определять относительное изменение электрической прочности в результате импульсной обработки. Относительное изменение параметра β , соответствующее импульсной обработке, определяется по известной зависимости Кβ (t_и). Проверка выполнения критерия Кβ /К_U=1 позволяет сделать вывод о применимости механизма катодного инициирования пробоя.

Зависимость Кβ (t_и) относительного изменения коэффициента усиления поля β на микронеоднородностях поверхности катода как функция длительности кондиционирующих импульсов, равной времени запаздывания пробоя, t_и=t_з построена в результате анализа экспериментальных данных по времени запаздывания, полученных в работах [2-8].

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены экспериментальные значения относительного повышения электрической прочности в результате обработки импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, совместно с кривой Кβ (t_и) относительного изменения параметра β , характеризующего состояние катодной поверхности.

Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме осуществляют следующим образом. Реализуют оптимальный режим кондиционирования электродов вакуумного промежутка в режиме постоянного тока и определяют установившееся значение напряжения пробоя, затем применяют обработку катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, и измеряют напряжение первого после импульсной обработки пробоя в режиме постоянного тока. Далее, по окончании импульсной обработки вычисляют относительное повышение электрической прочности К_U, из кривой Кβ (t_и) определяют относительное уменьшение параметра β , соответствующее обработке катода импульсами данной длительности, и проверяют выполнение критерия (2).

Согласно заявляемому способу обработка катода осуществлена высоковольтными импульсами амплитудой до 60 кВ и длительностью 10≤ t_и≤_{8000 нс и измерено напряжения пробоя в режиме постоянного тока до и после ее осуществления. Экспериментальные результаты представлены чертежом, из которого следует, что экспериментальные данные КU совпадают с кривой Кβ (tи), указывая на реализацию механизма катодного инициирования вакуумного пробоя. Обработка поверхности катода импульсами tи=10 нс (n=50), соответствовавшая эффективности KU=1,8, позволила достичь электрической прочности E0=2,1· 10⁸B/м, близкой к предельной, полученной в результате многочасового прогрева (~18 час) и обработки тлеющим разрядом в аргоне в течение часа [9].}

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности известного способа оценки катодного механизма инициирования пробоя за счет исключения измерений напряжения и тока в предпробойном режиме.

Источники информации

1. Емельянов А.А., Кассиров Г.М., Филатов А.Л. Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляции в стационарном режиме. // Изв. вузов. Физика, 1976. - № 11. - С.138-140 - прототип.

2. Jьttner B., Rohrbeck W., Wolff H. Time delay of vacuum sparks in the subnanosecond region. // IXth IC PIG: Proc. - Bucharest, 1969, 140.

3. Каляцкий И.И., Кассиров Г.М., Смирнов Г.В. и др. Временные характеристики пробоя сантиметровых вакуумных промежутков. // Журн. техн. физ., 1975. - Т. 45. - № 7. - С.1547-1550.

4. Кассиров Г.М. Влияние материала электродов на время запаздывания разряда при электрическом пробое вакуумного промежутка. // Журн. техн. физ., 1966. - Т. 36. - № 10. - С.1883-1885.

5. Месяц Г.А., Бугаев С.П., Проскуровский Д.И. и др. Исследование инициирования и развития импульсного пробоя коротких вакуумных промежутков в наносекундном диапазоне времени. // Радиотехника и электроника, 1969. - Т. 14. - № 12. - С.2222-2230.

6. Вавилов С.П., Месяц Г.А. Исследование роста тока при импульсном пробое миллиметровых вакуумных промежутков. // Изв. вузов. Физика, 1970. - № 8. - С.90-94.

7. Олендзская Н.Ф., Сальман М.А. Временные характеристики электрического пробоя в вакууме. // Журн. техн. физ., 1970. - Т. 40. - № 2. - С.333-337.

8. Chalmers I.D., Phukan B.D. Breakdown time lags in short vacuum gaps. //Vacuum, 1982. - V. 32. - № 3. - P. 145-150.

9. Чистяков П.Н., Радионовский А.Л., Татаринова Н.В. и др. // ЖТФ, 1969. - Т. 39. - № 6. - С.1075-1079.

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности. Технический результат состоит в повышении эффективности оценки механизмов инициирования пробоя в вакууме. Для достижения технического результата инициирование пробоя в вакууме осуществляют на основе предварительной обработки катода высоковольтными импульсами с длительностью, равной времени запаздывания начала пробоя. Измерение напряжения пробоя осуществляют до и после импульсной обработки катода. 1 ил.

Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, включающий измерение напряжения пробоя в режиме постоянного тока, отличающийся тем, что применяют обработку катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, а измерения напряжения пробоя осуществляют до и после импульсной обработки, после чего проверяют выполнение критерия

Кβ/К_U=1, где

Кβ=β₀/β_и - относительное изменение параметра β в результате импульсной обработки, определяемое по известной зависимости Кβ(t_и);

β₀, β_и - значения параметра β соответственно до и после импульсной обработки;

K_и=U_и/U₀ - относительное изменение электрической прочности в результате импульсной обработки;

U_и - напряжение первого по окончании импульсной обработки пробоя;

U₀ - установившееся значение напряжения пробоя до начала импульсной обработки.