способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме

Формула изобретения

Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, включающий подачу импульсного напряжения на вакуумный промежуток и подъем амплитуды импульса до величины, достаточной для инициирования пробоя, отличающийся тем, что применяют обработку катода высоковольтными импульсами фиксированной длительности при минимальном перенапряжении, при этом перед началом каждого импульсного воздействия подают на промежуток постоянное напряжение, измеряют предпробойный ток, строят токовую характеристику и по ней определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода, затем измеряют напряжение импульсного пробоя, а названные операции повторяют до получения установившихся значений коэффициента усиления поля и напряжения импульсного пробоя при выбранной длительности импульса, после чего все операции повторяют при другой длительности импульса и проверяют выполнение критерия

где К= ₁/ ₂ - относительное изменение параметра в результате разных режимов импульсной обработки;

₁, ₂ - установившиеся значения параметра соответственно после обработки импульсами длительностью t ₁ и t₂;

K_U=U₂/U ₁ - относительное изменение импульсного напряжения пробоя с изменением длительности;

U₁, U₂ - установившиеся значения импульсного напряжения пробоя соответственно на импульсах длительностью t₁ и t₂.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к области электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности, а также в научных исследованиях при изучении механизма вакуумного пробоя.

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

Недостаток способа заключается в том, что он применим только в стационарном режиме.

Известен способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, выбранный в качестве прототипа [2].

Способ включает подачу импульсного напряжения на вакуумный промежуток, подъем его амплитуды до величины, достаточной для инициирования пробоя, измерение времени запаздывания пробоя, определение плотности тока и проверку критерия катодного инициирования в нестационарном режиме

где t_з - время запаздывания пробоя в вакууме; j - плотность тока.

Недостаток способа заключается в том, что он применим только для эмиттеров известной геометрической формы, позволяющих определять плотность тока, и не применим для электродов с развитой рабочей поверхностью с микроэмиттерами неизвестной геометрии.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет распространения его на электроды любой геометрии.

Это достигается тем, что в известном способе оценки катодного механизма инициирования, включающем подачу импульсного напряжения на вакуумный промежуток и подъем амплитуды импульса до величины, достаточной для инициирования пробоя, применяют обработку катода высоковольтными импульсами фиксированной длительности при минимальном перенапряжении, при этом перед началом каждого импульсного воздействия подают на промежуток постоянное напряжение, измеряют предпробойный ток, строят токовую характеристику и по ней определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода, затем измеряют напряжение импульсного пробоя, а названные операции повторяют до получения установившихся значений коэффициента усиления поля и напряжения импульсного пробоя при выбранной длительности импульса, после чего все операции повторяют при другой длительности импульса и проверяют выполнение критерия

где

К= ₁/ ₂ - относительное изменение параметра в результате разных режимов импульсной обработки;

₁, ₂ - установившиеся значения параметра соответственно после обработки импульсами длительностью t ₁ и t₂;

K_U=U₂/U ₁ - относительное изменение импульсного напряжения пробоя с изменением длительности;

U₁, U₂ - установившиеся значения импульсного напряжения пробоя соответственно на импульсах длительностью t₁ и t₂.

Введение операции обработки катода высоковольтными импульсами фиксированной длительности при минимальном перенапряжении обеспечивает реализацию оптимальных режимов импульсной обработки поверхности катода. Осуществление операций подачи на промежуток постоянного напряжения, измерения предпробойного тока, построения токовой характеристики перед началом каждого импульсного воздействия обеспечивает контроль состояния катодной поверхности по величине коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях катодной поверхности. Повторение операций обеспечивает получение установившихся значений коэффициента усиления поля , характеризующего состояние поверхности катода, и соответствующего ему напряжения импульсного пробоя при выбранной длительности импульса. Повторение операций при другой длительности высоковольтного импульса обеспечивает получение установившихся значений коэффициента усиления поля и соответствующего ему напряжения импульсного пробоя при другом режиме воздействия на катод и позволяет определить относительные изменения параметра и импульсного напряжения пробоя, возникшие в результате обработки катода импульсами разной длительности. Проверка выполнения критерия (3) позволяет сделать вывод о применимости механизма катодного инициирования пробоя в нестационарном режиме. Выражение (3) получено на основе критерия катодного инициирования в нестационарном режиме (2) и экспериментальных данных по времени запаздывания пробоя в вакууме [3].

Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме осуществляют следующим образом. Подают на промежуток постоянное напряжение, измеряют предпробойный ток, строят вольтамперную характеристику и по ней определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях катодной поверхности, затем при минимальном перенапряжении подают высоковольтный импульс фиксированной длительности и измеряют напряжение импульсного пробоя. Названные операции повторяют до получения установившихся значений коэффициента усиления поля и напряжения импульсного пробоя при выбранной длительности импульса. После чего все операции повторяют при другой длительности импульса напряжения и проверяют выполнение критерия (3).

Согласно заявляемому способу при минимальном перенапряжении осуществлена обработка медного катода вакуумного конденсатора (d=0,2 мм; S=2500 мм²) высоковольтными импульсами длительностью t₁=200 нс. Перед каждым импульсным воздействием в стационарном режиме измерялись напряжение и предпробойный ток, строилась вольтамперная характеристика, по которой определялось значение параметра ₁. По осциллограммам приложенного импульса определялось напряжение импульсного пробоя U₁. Затем осуществлена обработка поверхности катода импульсами длительностью t₂ =50 нс и определены соответствующие значения параметра ₂ и напряжения импульсного пробоя U₂. При длительности высоковольтного импульса t₁=200 нс установившиеся значения коэффициента усиления поля и напряжения пробоя составили ₁=107, U₁=12,3 кВ при длительности t ₂=50 нс - ₂=77, U₂=17 кВ. Относительное изменение состояния поверхности K= ₁/ ₂ c точностью ~3% соответствует величине , отражающей соответствующее изменению состояния поверхности относительное изменение напряжения импульсного пробоя, что однозначно указывает на реализацию катодного механизма инициирования вакуумного пробоя.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности известного способа оценки катодного механизма инициирования пробоя за счет распространения его на электроды любой геометрии.

Источники информации

1. Емельянов А.А., Кассиров Г.М., Филатов А.Л. Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляции в стационарном режиме. // Изв. вузов. Физика, 1976. - N. 11. - С.138-140.

2. Емельянов А.А., Кассиров Г.М. Влияние формы импульсного напряжения на время запаздывания вакуумного пробоя. // Изв. вузов. Физика, 1976. - N. 11. - С.138-140. - прототип.

3. Емельянов А.А. О некоторых режимах повышения электрической прочности вакуумной изоляции, ПТЭ, 1977. -N. 5. 1997. - С.68-71.