Чистяков Ч3

Рис. 20. Высоковольтный импульс напряжения

Рис. 21. Электрическая схема регистрации импульсов напряжения

51

Далее в прибор был впущен аргон при давлении 3 мм рт.ст, и произведена обработка электродов сильноточным тлеющим разрядом в пульсирующем режиме со средним значением тока на оба электрода 100 мА. При этом расстояние между электродами составляло 3 мм и при температуре электродов близкой к 900°С в промежутке устанавливался тлеющий разряд с полым катодом. После одного часа обработки произошло значительное распыление и очистка электродов, а на внутренней стенке колбы, окружающей основной промежуток, образовался полупрозрачный слой молибдена. Образование этого слоя не нарушило электрическую прочность оболочки прибора во всем диапазоне напряжений, использованных в работе. В ходе обработки удалось добиться равномерного и полного покрытия поверхности электродов свечением тлеющего разряда. Несколько раз обработка прекращалась и в той же газовой среде производилось определение величины экзоэлектронной эмиссии, возбуждаемой электрическим разрядом в газах (послеразрядная эмиссия). К концу

обработки экзоэлектронная эмиссия практически исчезла, ток не превосходил 10−18А, что свидетельствует об устранении с металлических поверхностей электродов остаточных загрязнений - тонких пленок полупроводников и диэлектриков и их локальных включений.

Определение тока послеразрядной эмиссии производилось измерением среднего статистического времени запаздывания пробоя газа по соотношению [8]

По окончании обработки тлеющим разрядом и измерений послеразрядной эмиссии аргон откачивался, при этом в системе достигался вакуум 10-7 мм рт.ст., а в экспериментальном приборе вакуум был еще выше из-за наличия на внутренней поверхности колбы прибора напыленного слоя молибдена, который хорошо сорбирует остаточные неинертные газы.

3. Результаты измерений

Типичные статические вольт-амперные характеристики предпробойных токов показаны на рис. 22. Возникший ток был достаточно стабилен, микроразряды отсутствовали, форма характеристик отвечает автоэлектронной эмиссии. Электрическая прочность промежутка 0,06–0,12 мм оказалась весьма высокой так, токи

в диапазоне 10−8 −10−6 А возникали при среднем поле в промежутке не меньшем

2 106 В/см.

52

Рис. 22. Зависимости предпробойных токов от среднего электрического поля в вакуумном промежутке

Ряс. 23. Осциллограммы токов и напряжений при пробое вакуумного промежутка для трех случаев

53

Полный пробой промежутка после электронной и ионной обработки исследовался при импульсном напряжении с амплитудой, достигающей 50 кВ.

Первый пробой, произошедший после обработки электродов тлеющим разрядом, понижал уровень напряжения последующего возникновения автоэлектронного тока и полного пробоя, как это уже отмечалось и в работе [28] . Из-за этого после каждого первого пробоя производилась обработка электродов сильноточным тлеющим разрядом в аргоне, которая поднимала электрическую прочность промежутка до ее начального высокого значения. Таким образом, был проведен ряд «первых» пробоев промежутка непосредственно после обработки электродов тлеющим разрядом и последующей откачки инертного газа. Производилось осциллографирование напряжений и токов при этих пробоях, что позволяло определить электрические поля в промежутке непосредственно перед пробоем, а также характер изменения тока в промежутке при рассматриваемых условиях.

При пробоях промежутка были получены осциллограммы, показанные на рис. 23. Наиболее часто характер изменения тока соответствовал осциллограмме на рис. 23, а. Промежутки величиной 0,05–0,07. мм пробивались при электрическом поле в диапазоне (5,5–7) 106 В/см. Стадия постепенного нарастания тока перед пробоем не была обнаружена, далее ток возрастал очень резко. Длительность импульса тока составляла 1–5,5 мкс; далее, несмотря на то что напряжение на промежутке было еще достаточно велико, ток прекращался. На рис. 23, б показан случай повторного пробоя

при поле 7 106 В/см, столь же высоком, как и при первом пробое, длительность импульса тока в. обоих случаях около 1 мкс. При протекании сильного тока падение напряжения на промежутке составляет несколько киловольт.

Другой случай показан на осциллограмме рис. 23,в. Полный пробой возникает

при поле 5.5 106 В/см с запаздыванием относительно максимума напряжения в 6 мкс, и характер изменения тока здесь иной. Вначале, как и в предыдущем случае, ток резко увеличивается при определенном спаде напряжения на промежутке; эта часть процесса носит нестационарный характер. Далее, ток на время 3–4 мкс устанавливается на уровне 0,2 А, после чего за время около 1 мкс скачком возрастает до 0,4 А и затем монотонно уменьшается в соответствии с изменением напряжения.

4.Обсуждение результатов

Врезультате полного цикла вакуумной обработки экспериментального прибора, включающего общий его прогрев до 450°С, электронную и ионную обработку

54

электродов с одновременным контролем их поверхности по экзоэлектронной эмиссии, был получен вакуумный промежуток, имеющий очень высокую электрическую прочность. Ток автоэлектронной эмиссии в 0,01–1 мкА для промежутка в 0,1 мм

возникал при электрическом поле в 2–3 106 В/см, а полный электрический пробой

промежутка происходил при очень высоком электрическом поле в (5–7) 106 В/см.

Вто время как нагрев электронной бомбардировкой приводит в основном к обезгаживанию и очистке электродов, ионная обработка сильноточным тлеющим разрядом в инертном газе (аргоне), как это уже отмечалось в работах [27, 28] дает еще более эффективную очистку поверхностей электродов от пленок неметаллического характера, удаляет микронеровности, возникающие при предшествующей механической обработке поверхностей, а также слой металла, который недостаточно сильно связан с кристаллической решеткой электрода. В работе [29] было отмечено также, что при одновременной обработке тлеющим разрядом электрически объединенные электроды представляют собой частичную полость и при этих условиях возникает разряд с полым катодом.

Внастоящих опытах при обработке электродов сильноточным тлеющим разрядом также возникал разряд с полым катодом. При начальном давлении аргона р = 3 мм рт.ст. и расстоянии между электродами d = 0,3 см начальная величина рd составляет 0,9 см·мм рт.ст., что уже отвечает условиям разряда с полым катодом. В дальнейшем при токе обработки в 0,1 А температура электродов увеличивается до 900°С и плотность газа в промежутке понижается приблизительно в 4 раза; при этих условиях возникает типичный сильноточный тлеющий разряд с полым катодом. Как показали результаты работы [30], в этом случае электроды бомбардируются ионами, энергии которых близки к полной величине катодного падения UК, и составляют в нашем случае около 400 эВ. В работе [29] было высказано предположение, что интенсивная ионная обработка, сопровождающаяся внедрением ионов Ar в кристаллическую решетку металла, приводит к упрочнению поверхностного слоя электродов.

Прямые опыты, проведенные нами при аналогичных условиях обработки электродов тлеющим разрядом в аргоне, подтвердили это предположение. Таким образом, воздействие сильноточного тлеющего разряда в аргоне сводится не только к очистке и сглаживанию поверхностей, но также и к их упрочнению. Все эти три фактора приводят к увеличению электрической прочности вакуумного промежутка.

55

Полный пробой вакуумного промежутка происходит при очень высоком

среднем электрическом поле в (5–7) 106 В/см. Характер изменения тока, показанный на осциллограмме рис. 23,а, свидетельствует о том, что этот кратковременный пробой в малом промежутке вызван, вернее всего, взрывом одиночного выступа. При этом происходит вся совокупность процессов, характерных для взрывной эмиссии [4,3l]. После того как на электродах собрались все возникшие электроны и ионы, ток прекратился и на промежутке восстановилось высокое напряжение. Падение напряжения при протекании тока, как это отмечено выше, составляло 3–4 кВ, и, таким образом, возникший сильноточный разряд следует отнести к импульсному высоковольтному разряду. В случае, показанном на рис.23,б, взрыв произошел также и со вторым выступом. В обоих случаях длительность импульса тока составляет около 1 мкс.

Для случая, показанного на осциллограмме рис. 23 в, при значительном запаздывании после кратковременного импульса тока, вызванного также, вернее всего, взрывом выступа, возник почти стационарный разряд, сопровождающийся одним дополнительным скачком тока. Разряд подобного типа мог быть связан с образованием микроскопической полости в катоде, получившейся после первого взрыва выступа. Устойчивость подобного разряда с полым катодом достаточно высока даже в условиях глубокого вакуума. Скачок тока связан с формированием микродуги в этой полости. В дальнейшем, как показано на рис. 23 в, по мере понижения напряжения импульса снижается и ток возникшей дуги.

Описанные выше опыты позволяют сделать следующие выводы.

-После электронной и ионной обработки электродов, сопровождающейся контролем их поверхности по экзоэлектронной (послеразрядной) , эмиссии, получаются промежутки, обладающие очень высокой электрической прочностью. Так, полный пробой промежутка около 0,1 мм возникает при электрическом поле в (5–7) 106 В/см.

-Осциллограммы тока и напряжения показывают, что возникший пробой в большинстве случаев является кратковременным, при этом не возникает устойчивая дуга, и это явление вызывается, вероятно, взрывом микроскопического выступа в результате его нагрева током при стадии протекания термо-автоэлектронной эмиссии, предшествующей пробою. При взрыве возникает импульс тока электронов из образовавшейся при этом микроскопической плазмы.

56

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Dyке W.P. .Тrolап J . K . Field Emission: Large Current densities, Space Charge and Vacuum Arс-Physical Review, 1953,v.89,N4,p.799-8ff7-

2.Электронно-оптическое наблюдение инициирования и развития импульсного пробоя короткого вакуумного промежутка. - Ж. техн.физ., 1967, т. 37, № 12, с 22062208. Авт.: С. П. Бугаев, А. М. Искольдский, Г. А. Месяц, Д. И. Проскуровский.

3.Фурсей Г. Н. Ворокцор-Дельяминов П.Н. Качественная модель инициирования вакуумной дуги 1. - Ж. техн.физ., 1967, т. 37, № 10, с. 1870-1879.

4.Взрывная эмиссия электронов. -Усп. физ. наук, 1975, т. 115, вып. 1, с. 101 -

120.Авт.: С.П.Бугаев, Е.А. Литвинов, Г. А. Месяц, Д. И. Проскуровский.

5.Цуккерман В. А.. Тарасова Л. В.. Лобов СИ, Новые источники рентгеновских лучей. - Усп. физ.наук, 1971, т. 103, вып. 2, с. 319 - 337.

6. Пиденко А.Н.. Григорьев В. П.. Усов Ю. П. Мощные электронные пучки и их применение. М.: Атомиэдат, 1977.

7.PuetawH. Обег die alt Nachbrizkuny von GaUntladimr gen an den Siectzoden auftniendi jponlane tlictwnen - emission und FildeUctzonenemLtfLon an diinin Itotatoz- chichUn.-ZS. fiiz PkysLk, 1959, Bd.111,$. 770-790

8.Экзоэлектронная эмиссия (сб. статей). М. Г Изд-во иностр. лит., 1962.

9.Толпыго Е. И.. Толпыго К. Б.. Шейнкман М.К. Оже-ме-ханизм электронной эмиссии из полупроводников и диэлектриков. - Изв. АН СССР. Сер. физ., 1966, т. 30, № 12, с 1901 -1904,

10. Лукашев Д.Д.. Чистяков П.Н. Исследование малых электронных токов, протекающих в инертном газе после тлеющего разряда. - Ж. техн.физ., 1971, т. 41, вып. 5, с. 10531055.

11. Pech P. Ober die Statistik des Ziindverzugs und die Zundwahrscheinlichkeit bei der Zundung von Hiederdruckentladungen-Revue Roumaine de Physique, 1968,bd13, N3,S. ZOZ-273.

12.Ковалев A.E.. Чистяков П.Н. Исследование времени формирования тлеющего разряда в неоне и аргоне при больших перенапряжениях. - Ж. техн.физ., 1972, т. 47, вып. 10, с. 2084 - 2087.

13.Мик Д.. КРЭГГС Д. Электрический пробой в газах. Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., I960.

57

14.Чистяков П.Н,. Татаринова Н.В. Статистические запаздывания пробоя в инертном газе при чистометаллическом и активированном катодах. - Радиотехника и электроника, 1963, т. 8, № 7, с. 1246 - 1252.

15.Чистяков П.Н.. Милованова Р. А.. Лыткин В. В. Исследование работы выхода вольфрамового катода после бомбардировки ионами; инертного газа. - Ж. техн.физ., 1974, т. 44, с. 228 - 230.

16.Татаринова Н.В.. Чистяков П. Н. Электронная эмиссия с бариевого холодного катода, возникающая после импульса тока в газе. - Изв. АН СССР. Сер. физ., 1960, т. 24,№6, с. 635 - 639.

17.Татаринова Н. В.. Чистяков П. Н. Зависимость малой послеразрядной эмиссии из холодного бариевого катода от условий эксперимента. - Ж. техн.физ., 1966,

т.36,с. 566-568.

18. Татаринова Н.В.. Чистяков П.Н. Установка для обнаружения тонких диэлектрических пленок на поверхностях металлов. - Приборы и техника эксперимента, 1966, № 6,с. 137— 140.

19. Яб^понсдий Ф. М.„ ПокрываДло А. Б. Газоразрядные индикаторные панели и их применение. - Радиотехника, 1976, т. 31, № 3, с. 1 - 7.

20. Капыов Н.А. Коронный разряд и его применение в электрофильтрах. М.: Гостехиздат, 1947.

21.Гохберг Б. М.. Яньков Г. Б. Электростатические ускорители заряженных частиц. М . Атомиздат, 1960.

22.Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968.

23.Hantzsche E . Cathode Рrосеsses in Vacuum Arcs. Proceedings of Xlll Conference

on Phenomena in Ionized Gases. Berlin,invited Lectures,1977,p.121-138-

24. Раховский В. И. Исследование структуры катодного пятна вакуумной дуги. - Труды УП Международного симпозиума по разрядам и электрической изоляции в вакууме. Новосибирск: Сибирское отд. АН СССР, 1976, с. 38 - 54 (англ. яз.).

25.Zalucki Z . Kutzner J - Ion Currents in the Vacuum Arc. ibid, р.297-302 •

26.Абрамович Л. Ю.. КлярФельд Б. Н.. Настич Ю. Н. Сверх-плотный тлеющий разряд с полым катодом. — Ж. техн.физ., 1966, т. 36, № 4, с. 714 - 719.

27.Чистяков П. Н.. Татаринова Н. В. Малая послеразрядная эмиссия как индикатор состояния поверхностей электродов в опытах по пробою вакуума. - Ж. техн. физ., 1965, т. 35, с. 1333 - 1335.

58

Повышение электрической прочности вакуумного промежутка обработкой электродов сильноточным тлеющим разрядом. Физическая электроника (сб. статей). М.; Атомиздат, 1966, вып. 3, с. 51 — 56.

28. Пробой вакуума при контролируемом состоянии поверхностей электродов.

— Ж. техн.физ., 1969, ч. 1, т.39,вып.6, с. 1075 - 1079; 1972, ч. П, т. 42, вып. 4, с. 821 - 825. Авт.: П.Н.Чистяков, А. Л. Радионовский, Н.В.Татаринова,Н.Е.Новикова, Д. С. Трещикова.

29. Чистяков П. Н„ Дубинин Н. П. Тлеющий разряд с полым катодом как средство увеличения электрической прочности вакуумных промежутков. - Труды УП Международного симпозиума по разрядам и электрической изоляций в вакууме. Новосибирск: Сибирское отд. АН СССР, 1976, с. 463-466 (англ. яз.).

3.0. Настич Ю. Н.. Абрамович Л. Ю. Энергии положительных ионов, приходящих на полый катод сверхплотного тлеющего разряда. - Ж. техн.физ., 1972, т. 42, № 5, с. 1024 - 1028.

31. Катодные процессы при взрывной электронной эмиссии. - Труды УП Международного симпозиума по разрядам и электрической изоляции в вакууме. Новосибирск: Сибирское отд. АН СССР, 1976, с. 55 - 69 (англ. яз.). Авт.: Е.А. Литвинов, Г. А, Месяц, Д. И, Проскуровский, Е, Б. Янкелевич.

59

Г л а в а П. Экзоэлектронная эмиссия вызванная электрическим

Г л а в а У. Электрический пробой вакуума ПРИ высоком электрическом поле . ……………………………….48