СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ КАТОДА Российский патент 2007 года по МПК H01J19/02 

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности для повышения качества катодов и электрической прочности электровакуумных приборов и конструкций.

Известен способ повышения качества поверхности катода вакуумного промежутка, включающий воздействие одиночных пробоев импульсного напряжения при длительностях, меньших длительности эксплуатационного напряжения [1].

Недостаток способа состоит в отсутствии оптимизации амплитуды импульсного напряжения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ повышения качества поверхности катода [2]. Способ включает обработку поверхности катода одиночными высоковольтными импульсами полярностью, соответствующей полярности эксплуатационного напряжения, при амплитудах, поддерживающих время запаздывания пробоя, равным длительности кондиционирующего импульса t_з=t_и. Выполнение условия t_з=t_и соответствует оптимальному режиму кондиционирования, приводящему к разрушению существующих микровыступов катодной поверхности без образования новых. Эффективность способа возрастает с уменьшением длительности импульсов, достигая предельных значений при t_и≈10^-10с.

Однако этот способ обработки поверхности катода не предусматривает контроля состояния поверхности, изменяющегося после импульсного воздействия. Введение контроля поверхности катода позволит оптимизировать амплитуду каждого импульса, минимизировать число импульсов в тренировочном цикле и продолжительность процесса обработки.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет контроля состояния поверхности катода в процессе обработки и оптимизации амплитуды каждого импульса, воздействующего на вакуумный промежуток.

Это достигается тем, что в известном способе повышения качества поверхности катода вакуумного промежутка, включающем воздействие одиночных импульсов наносекундной длительности при амплитудах, обеспечивающих время запаздывания пробоя, равным длительности воздействующего импульса, по заданным материалу катода и длительности импульса определяют критическую микронапряженность Е_кр электрического поля, измеряют предпробойные токи и определяют коэффициент усиления поля β на микронеоднородностях катодной поверхности, рассчитывают амплитуду U воздействующего импульса, подают на промежуток импульс расчетной амплитуды U, затем измеряют предпробойные токи и повторяют все последующие операции до достижения требуемого значения коэффициента усиления β, в случае недостаточной величины коэффициента β уменьшают длительность импульса и повторяют все упомянутые операции.

Зависимости времени запаздывания вакуумного пробоя от критической микронапряженности электрического поля t_з(E_кр) для разных материалов приведены в [3]. Зависимости t_з(E_кр) получены на основе джоулева механизма инициирования пробоя, соответствуют наносекундному диапазону длительностей и позволяют по заданной длительности t_и=t_з высоковольтного импульса определять соответствующее значение критической микронапряженности Е_кр.

Операция измерения предпробойных токов дает возможность построить вольтамперную характеристику в координатах Фаулера-Нордгейма и по ее крутизне определить величину коэффициента β, характеризующего состояние поверхности катода.

Зная критическую микронапряженность и коэффициент усиления β, определяют пробивную макронапряженность электрического поля E₀=Е_кр/β, а затем по макронапряженности и геометрии промежутка рассчитывают амплитуду U воздействующего импульса.

Операция подачи на вакуумный промежуток импульса расчетной амплитуды U обеспечивает оптимальный режим воздействия, разрушающий существующие микронеоднородности катодной поверхности без образования новых. Повышение качества поверхности отражается уменьшением коэффициента усиления β.

Операция измерения предпробойных токов по окончании импульсного воздействия и повторение всех последующих операции необходимы для контроля состояния поверхности и выбора оптимальной амплитуды каждого последующего импульса до достижения требуемого качества катодной поверхности.

Операция уменьшения длительности воздействующего импульса с последующим повторением всех упомянутых операций позволяет выйти на другой более высокий уровень качества поверхности, ее следует выполнять, если достигнутой величины коэффициента β оказалось недостаточно.

Способ повышения качества поверхности катода осуществляют следующим образом. Задают длительность t_и=t₁ высоковольтных импульсов.

Учитывая, что эффективность оптимальных режимов кондиционирования импульсами микросекундной длительности не отличается от эффективности оптимальных режимов кондиционирования пробоями постоянного тока, начальную длительность следует устанавливать не более 100 нс. По зависимости t_з(E_кр) для данного материала катода и выбранной длительности t_и=t_з графически определяют величину Е_кр критической микронапряженности.

Для оценки исходного состояния поверхности катода измеряют предпробойные токи, строят вольтамперную характеристику в координатах Фаулера-Нордгейма и по ее крутизне определяют начальное значение β₀ коэффициента усиления.

По найденным значениям β₀ и Е_кр рассчитывают пробивную макронапряженность E₀=Е_кр/β₀, а по макронапряженности и геометрии промежутка - амплитуду U₁ первого импульса. На промежуток подают импульс оптимальной амплитуды U₁, затем контролируют состояние поверхности. Для этого измеряют предпробойный ток и напряжение, строят вольтамперную характеристику в координатах Фаулера-Нордгейма, по крутизне которой определяют новое значение β₁ коэффициента усиления.

Для величины β₁ рассчитывают пробивную макронапряженность E₀=E_кр/β₁, а по ней и геометрии промежутка - оптимальную амплитуду U₂ следующего импульса. Подают на промежуток импульс амплитуды U₂, после чего снова контролируют состояние поверхности: выполняют измерения тока и напряжения, строят характеристику в Ф-Н координатах и определяют коэффициент усиления β₂. Процедуры воздействия на катод импульсов напряжения оптимальной амплитуды и контроля состояния поверхности после каждого импульса повторяют до достижения требуемого значения коэффициента усиления. В случае если в результате кондиционирования импульсами t_и=t₂ качество поверхности оказалось недостаточно высоким, то устанавливают меньшую длительность t_и=t₂ и повторяют все вышеупомянутые операции на импульсах меньшей длительности. Учитывая сильную зависимость времени запаздывания от критической микронапряженности электрического поля, длительность кондиционирующих импульсов следует уменьшить примерно на порядок величины. Предельных результатов, соответствующих идеальной поверхности с коэффициентом усиления β=1, достигают на импульсах t_и˜10^-10 c.

Для осуществления способа используют генератор высоковольтных наносекундных импульсов.

Согласно заявляемому способу осуществлена обработка поверхности катода вакуумного промежутка одиночными импульсами длительностью t_и=10 нс. Вакуумный промежуток между стальными электродами Роговского площадью S≈1см составлял d=0,12 мм. Расчетная зависимость t_з(E_кр) для железа приведена на Фиг.1.

По расчетной кривой t_з(Е_кр) для длительности t_и=10 нс графически определена величина Е_кр=7,1·10⁹ В/м критической микронапряженности электрического поля. Измерение предпробойных токов позволило построить вольтамперную характеристику в Ф-Н координатах и по ее крутизне определить начальное значение коэффициента усиления β₀=136. Токовые характеристики с указанием порядкового номера импульса и коэффициента усиления, полученного после его воздействия, приведены на Фиг.2.

Пробивная макронапряженность до начала обработки составляла E₀=E_кр/β₀=5,2·10⁷ В/м. По макронапряженности для однородного поля при d=0,12 мм вычислена амплитуда первого импульса U₁=E₀d=6 кВ. Затем на промежуток подан один импульс с параметрами t_и=10 нс, U₁=6 кВ.

Измерения предпробойных токов показали, что импульсное воздействие изменило характеристику (кривая 2), уменьшив коэффициент усиления в 2,3 раза до β₁=58. По новому значению коэффициента β₁=58 рассчитана амплитуда второго импульса U₂=E_крd/β₁=15 кВ. Воздействие импульса U₂=15 кВ изменило характеристику (кривая 3), повысив качество поверхности катода β₂=40. Воздействие третьего импульса оптимальной амплитуды U₃=E_крd/β₂=21 кВ снизило коэффициент усиления до β₃=32. Четвертый импульс амплитуды U₄=E_крd/β₃=27 кВ при напряженности Е₀=2,2·10⁸ В/м уменьшил величину коэффициента усиления до β₄=26. Это значение оказалось установившимся минимальным значением коэффициента усиления при обработке катода импульсами t_и=10 нс.

Повышение качества поверхности катода вакуумного промежутка достигнуто воздействием четырех импульсов длительностью t_и=10 нс, причем амплитуда каждого импульса соответствовала оптимальному режиму обработки. Оптимизация амплитуды каждого импульса осуществлена на основании контроля состояния катодной поверхности после предыдущего воздействия. Каждый импульс оказывал кондиционирующее действие, что позволило повысить качество поверхности в K_β=β₀/β₄ ˜ 5 раз.

Данный способ повышает эффективность известного способа за счет контроля состояния поверхности катода в процессе обработки и оптимизации амплитуды каждого импульса.

Источники информации

1. А.с. СССР № 50702. Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции, БИ № 10, 1977 // А.А.Емельянов, Г.М.Кассиров, Г.В. Смирнов.

2. Патент RU № 2241277. Способ повышения электрической прочности вакуумной изоляции. Бюл. № 33, 2004 // А.А.Емельянов, Е.А.Емельянова - прототип.

3. Емельянов А.А. Запаздывание пробоя в вакууме // ЖТФ, 2003, т.73, Вып.9, с.113-119.

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности для повышения качества катодов и электрической прочности электровакуумных приборов и конструкций. Способ повышения качества поверхности катода вакуумного промежутка заключается в воздействии одиночных импульсов наносекундной длительности при амплитудах, обеспечивающих время запаздывания пробоя, равное длительности воздействующего импульса. По заданным материалу катода и длительности импульса определяют критическую микронапряженность Е_кр электрического поля, измеряют предпробойные токи и определяют коэффициент усиления поля β на микронеоднородностях катодной поверхности, рассчитывают амплитуду U воздействующего импульса, подают на промежуток импульс расчетной амплитуды U, затем измеряют предпробойные токи и повторяют все последующие операции до достижения требуемого значения коэффициента усиления β, в случае недостаточной величины коэффициента β уменьшают длительность импульса и повторяют все упомянутые операции. Технический результат: повышение эффективности способа за счет контроля состояния поверхности катода в процессе обработки и оптимизации амплитуды каждого импульса. 2 ил.

Способ повышения качества поверхности катода вакуумного промежутка, включающий воздействие одиночных импульсов наносекундной длительности при амплитудах, обеспечивающих время запаздывания пробоя равным длительности воздействующего импульса, отличающийся тем, что по заданным материалу катода и длительности импульса определяют критическую микронапряженность Е_кр электрического поля, измеряют предпробойные токи и определяют коэффициент усиления поля β на микронеоднородностях катодной поверхности, рассчитывают амплитуду U воздействующего импульса, подают на промежуток импульс расчетной амплитуды U, затем измеряют предпробойные токи и повторяют все последующие операции до достижения требуемого значения коэффициента β, в случае недостаточной величины коэффициента β уменьшают длительность импульса и повторяют все упомянутые операции.