СПОСОБ ТРЕНИРОВКИ ВАКУУМНЫХ ГЕРКОНОВ Российский патент 2024 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к технологии изготовления вакуумных выключателей, касается способа тренировки высоким напряжением их межконтактного зазора и может быть использовано, в частности, при производстве вакуумных герконов (ВГ).

Технический результат заключается в повышении электрической прочности ВГ за счет выбора оптимальных условий их высоковольтной тренировки.

Известны различные способы тренировки ВГ, которые отличаются характером используемых напряжений (постоянные, импульсные, переменные, их комбинации), значениями токов, их длительностью и подводимой мощностью.

Особенности вакуумного пробоя, сопровождающего тренировку ВГ, зависят от множества факторов, но последовательность его формирования, как правило, сохраняется [Л.В. Тарасова. Современные представления о механизме электрического пробоя в высоком вакууме. - УФН. - 1956 г. - Т. 58. - Вып. 2, с. 221-246].

Процесс развития пробоя состоит из трех стадий: инициирующего процесса, его развития и искрового разряда. Искровой разряд характеризуется резким спадом напряжения на межконтактном зазоре и переходом, при достаточной мощности источника питания, к низковольтному дуговому разряду в парах материала контактов. Контакты ВГ изготавливают из железоникелевого сплава, на поверхности которого нанесено защитное покрытие из молибдена, вольфрама или рутения.

Первая стадия развития вакуумного пробоя сопровождается возникновением темновых токов, вызванных автоэлектронной эмиссией с отдельных участков (микровыступов) поверхности контакта, имеющего отрицательный потенциал (катода). Образованные электроны ускоряются в межэлектродном зазоре высоковольтным напряжением и бомбардируют поверхность контакта, имеющего положительный потенциал (анода), которая локально разогревается до высокой температуры (вплоть до температуры плавления материала анода). При этом происходит активное выделение газа и образование паров металла.

Существует несколько источников образования газа: десорбция газа с поверхности анода; выделение газа, растворенного в материале анода; термическое разложение окислов, покрывающих поверхность защитного покрытия анода. Так, например, давление насыщенного пара трехокиси молибдена МоО₃ при температуре 700°С составляет 3,6⋅10^-1 торр и далее, по мере роста температуры, экспоненциально нарастает [Химия и технология редких и рассеянных элементов. Ч. 3. - М.: Высшая школа, 1976 г., с. 162-165].

Электроны производят ударную ионизацию атомов газа и паров металла, в результате чего развивается электронная лавина. Образовавшиеся в результате этого процесса положительно заряженные ионы двигаются в сторону катода, создавая пространственный заряд и локально увеличивая электрическое поле вблизи его поверхности, что в свою очередь увеличивает интенсивность автоэлектронной эмиссии. Одновременно возникает вторичная эмиссия электронов с поверхности контактов, вызванная ее бомбардировкой положительными и отрицательными ионами.

Данные процессы приводят к формированию второй стадии пробоя, при которой наблюдаются периодические импульсы тока, называемые микроразрядами. После очистки поверхности контактов от микровыступов и посторонних загрязнений ионной бомбардировкой микроразряды исчезают.

При длительности импульсного напряжения, превышающей 1,0 мкс, и достаточной мощности используемого источника питания микроразряды могут стимулировать развитие третьей стадии пробоя - искрового разряда [А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова. Импульсные технологии повышения электрической прочности в вакууме: Монография. - М.: Физматлит. - 2009 г., с. 21-22].

Оптимальное давление остаточных газов в ВГ составляет 10^-6-10^-5 торр. В этих условиях длина свободного пробега электронов соизмерима с величиной межконтактного зазора герконов (200-500 мкм). Поэтому наличие остаточных газов непосредственно не должно влиять на развитие пробоя. Однако, с ростом их давления в объеме герконов увеличивается адсорбированный на поверхности контактов слой газов, десорбция которого электронной бомбардировкой является одной из причин возникновения вакуумного пробоя герконов. Вероятно, именно поэтому давление остаточных газов влияет на интенсивность микроразрядов и значение напряжения пробоя ВГ.

Экспериментально измеренная зависимость напряжения пробоя ВГ от давления остаточных газов приведена в таблице 1.

Примечание. Измерения напряжения пробоя осуществлялось на отдельных, прошедших предварительную тренировку, герконах, в которых принудительно изменялось давление остаточных газов.

Для предотвращения роста давления остаточных газов в ВГ необходимо ограничивать развитие вакуумного пробоя на второй стадии - стадии существования микроразрядов. В этом случае имеет место дозированная ионная бомбардировка поверхности обоих контактов герконов, сопровождаемая процессом жестчения остаточного газа, приводящим к снижению его давления. Жестчение газа вызвано катодным распылением поверхности контактов. Часть газов при этом связывается продуктами распыления контактов и адсорбируется в виде устойчивых соединений на стенках стеклянной оболочки геркона и участках поверхности контактов, не участвующих в пробое.

С помощью высоковольтной тренировки можно добиться удаления с поверхности контактов микровыступов и различного рода загрязнений, а также снижения давления остаточных газов в объеме ВГ до требуемого уровня (таблица 1). Для этого необходимо выбрать условия тренировки, при которых уже происходит жестчение газа, но вакуумный пробой еще не переходит в разрушающую поверхность контактов искровую фазу.

Известен способ тренировки ВГ, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты постоянного напряжения [Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. - М.: Советское Радио. - 1973 г., с. 290]. Тренировка производится с помощью электрической схемы, которая содержит конденсатор, шунтирующий геркон, и включенный последовательно с ним резистор. Емкость конденсатора определяет энергию пробоя и ток его начальной стадии, сопротивление резистора - частоту следования разрядов и ток в конечной стадии пробоя.

При реализации известного способа к ВГ прикладывают напряжение, которое постепенно повышают до 10-15 кВ и выдерживают 10-30 секунд. Как отмечалось, в течение этого времени в межконтактном зазоре геркона возникают отдельные микроразряды, сопровождающиеся удалением с поверхности катода загрязнений, сглаживанием неоднородностей ее рельефа, а также жестчением остаточного газа.

Для того, чтобы добиться заметного снижения давления остаточных газов в герконах необходимо увеличивать интенсивность микроразрядов. Однако при этом на поверхности катода возникают оплавленные микроучастки, из которых выделяются растворенные в материале контакта газы - возникает эффект «перетренировки» поверхностей контактов. Данный эффект сопровождается снижением напряжения пробоя ВГ и не позволяет добиться необходимого уровня давления остаточных газов.

Известен способ тренировки ВГ, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты импульсного напряжения одной полярности длительностью 1,0-40,0 мкс [Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат. - 1972 г., с. 90].

В процессе тренировки выбором частоты и длительности импульсов можно управлять интенсивностью пробоев межконтактного зазора герконов, выделяя их различные стадии. При этом обеспечивается и разная степень изменения состояния поверхности контактов.

Однако, особенности тренировка ВГ в указанном диапазоне длительностей импульсов мало отличается от тренировки постоянным напряжением. Данное обстоятельство связано с тем, что в предлагаемом способе воздействие на поверхность контактов производится одиночными импульсами, в паузах между которыми за время, составляющее единицы микросекунд, происходит полная деионизация межконтактного зазора [И.Н. Сливков. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат. - 1972 г. - с. 227]. Поэтому для того, чтобы добиться заметного снижения давления остаточных газов в герконах необходимо увеличивать интенсивность микроразрядов в пределах каждого импульса, что также может вызвать эффект «перетренировки» поверхностей контактов ВГ.

Известен способ тренировки ВГ, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты импульсов напряжения одной полярности, длительность которых составляет 1,0-100 не [SU 550702 A1, Н01J 21/00, опубл. 15.03.1977 г.].

В этом случае пробой межконтактного зазора геркона ограничен стадией протекания темновых автоэлектронных токов с микровыступов, имеющихся на поверхности катода. В результате достигается качественная «полировка» данной поверхности - коэффициент усиления электрического поля вблизи катодного снижается более чем на 2 порядка.

Известный способ, однако, не позволяет одновременно обрабатывать оба контакта и не обеспечивает заметного снижение давления остаточных газов в герконе. Последнее обстоятельство связано с тем, что на стадии темнового разряда отсутствует ионная бомбардировка поверхности контактов, а, следовательно, и жестчение газа.

Известен способ тренировки ВГ, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты импульсного напряжения различной полярности «определенной длительности и частоты» [SU 312316, H01H 33/664, опубл. 19.08.71 г.].

Данный способ обеспечивает одновременную тренировку поверхности обоих контактов. Однако, в описания известного способа отсутствуют информация о параметрах используемого напряжения, что затрудняет его применение для тренировки ВГ.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности технических признаков и достигаемому результату является способ тренировки ВГ, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты напряжения в виде периодических пачек высокочастных импульсов [Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. - М.: Атомиздат. - 1972 г., с. 151, 168].

Пачки импульсов следуют с определенной частотой и заполнены разнополярной высокочастотной составляющей. Описанный способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Данный способ выгодно отличается от известных импульсных способов тренировки ВГ. В пределах каждой пачки пауза между соседними импульсами высокочастотного напряжения отсутствует и межконтактный зазор находится постоянно в активированном состоянии - в нем присутствуют ионы, электроны, десорбированные газы и пары металлов. Это обстоятельство позволяет выбором условий тренировки герконов прецизионно управлять интенсивностью воздействия вакуумного пробоя на состояние поверхности контактов.

Имеется, однако, несколько причин, препятствующих достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип.

Частота используемого в нем высокочастотного напряжения составляет 24 МГц. При пробое межконтактного промежутка геркона таким напряжением энергия ионов, достигающих поверхности контактов а, следовательно, и интенсивность катодного распыления и жестчения газа малы (ионы практически «заморожены»).

Отсутствует информация о частоте следования пачек импульсов, от которой зависит установившаяся температура и скорость обезгаживания поверхности контактов геркона, а, следовательно, степень снижения давления остаточных газов.

Длительность пачек импульсов высокочастотного напряжения составляет 750 мкс, что может привести к нагреву стеклянной оболочки геркона до температуры ее размягчения и последующей разгерметизации, равной 450-500°С.

Таким образом, непосредственное использование известного способа, принятого за прототип, для тренировки ВГ не представляется возможным.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении электрической прочности, стабильности работы и долговечности ВГ.

Технический результат заключается в снижении давления остаточных газов в ВГ за счет оптимизации режима их высоковольтной тренировки.

Данный технический результат достигается тем, что в способе тренировки вакуумных герконов, предусматривающем подачу на их разомкнутые контакты напряжения в виде периодических пачек высокочастных импульсов, частота следования пачек и их длительность, амплитуда и частота импульсов высокочастного напряжения равны 2,0-3,0 кГц; 10,0-20,0 мкс; 10-15 кВ и 400-500 кГц соответственно, а время тренировки герконов составляет 10-30 секунд.

Заявляемые диапазоны параметров используемого напряжения обеспечивают возможность управляемого воздействия вакуумного пробоя на состояние поверхности обоих контактов за счет изменения подводимой мощности. Данные параметры и время тренировки герконов подбирались экспериментальным путем с учетом достижения максимально возможного положительного результата.

Частота высокочастотного напряжением составляет 400-500 кГц. В этом случае длительность отдельной составляющей напряжения равна 1,0-1,2 мкс, которая меньше времени формирования искровой стадии вакуумного пробоя в герконах. В результате при пробое межконтактного зазора герконов за время действия очередного импульса ионы достигают поверхности контактов, но не вызывают ее избыточного разрушения («перетренировки»).

Положительный эффект от использования предлагаемого способа обусловлен тем, что он обеспечивает гарантированное снижение давления остаточных газов в герконах до 10^-6-10^-5 торр, что приводит к увеличению электрической прочности, стабильности работы и долговечности ВГ.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» и «изобретательский уровень».

Способ тренировки поясняется фиг. 1-2, где на фиг. 1 представлена осциллограмма одной пачки высокочастотного напряжения, а на фиг. 2 - фотографии поверхности контактов, прошедших высоковольтную тренировку.

Испытания предлагаемого способа осуществлялось на герконах МКА-40142. Величина межконтактного зазора в них составляла 200 мкм, а в качестве защитного покрытия контактов использовался молибден.

Тренировка герконов осуществлялась в следующих условиях: частота следования пачек импульсов 2,0 кГц, а их длительность 10,0 мкс; амплитуда импульсов высокочастного напряжения 15 кВ при частоте следования 440 кГц (фиг. 1), время тренировки 20 секунд. В экспериментах использовались партии из 50 шт. герконов.

При подаче напряжения на ВГ в их межконтактном зазоре возникало объемное свечение, которое постепенно через 3-7 секунды затухало и далее контролировались отдельные микроразряды. Свечение связано с интенсивной ионизацией электронами остаточного газа на начальной стадии пробоя и образованием ионов. Последующий переход к микроразрядам сопровождается жестчением газа и сглаживанием микровыступов поверхности обоих контактов (фиг. 2). Оба эти фактора способствует увеличению напряжения пробоя герконов.

Полученные результаты испытаний герконов приведены в таблице 2.

Анализ полученных данных показывает, что после выполнения тренировки ВГ с помощью предлагаемого способа у 99,5% герконов напряжение пробоя превышает 10,0 кВ, что соответствует высшей категории их качества. Достигнутый уровень напряжения пробоя не изменялся при хранении герконов в течение 1 года.

Полученные результаты доказывают эффективность предлагаемого способа тренировки высоковольтных вакуумных герконов.

Положительный эффект от его использования обусловлен повышением качества и снижением брака выпускаемой продукции.

Изобретение относится к технологии изготовления вакуумных выключателей, касается способа тренировки высоким напряжением их межконтактного зазора и может быть использовано, в частности, в производстве вакуумных герконов. Технический результат заключается в повышении электрической прочности герконов за счет выбора оптимальных условий их тренировки. Способ тренировки вакуумных герконов предусматривает подачу на их разомкнутые контакты напряжения в виде периодических пачек высокочастных импульсов, причем частота следования пачек и их длительность, амплитуда и частота импульсов высокочастного напряжения равны 2,0-3,0 кГц, 10,0-20,0 мкс, 10-15 кВ и 400-500 кГц соответственно, а время тренировки герконов составляет 10-30 секунд. 2 ил.

Способ тренировки вакуумных герконов, предусматривающий подачу на их разомкнутые контакты напряжения в виде периодических пачек высокочастных импульсов, отличающийся тем, что частота следования пачек и их длительность, амплитуда и частота импульсов высокочастного напряжения равны 2,0-3,0 кГц, 10,0-20,0 мкс, 10-15 кВ и 400-500 кГц соответственно, а время тренировки герконов составляет 10-30 секунд.