Влияние процессов в порах поверхности электродов на вакуумную электроизоляцию

2
Содержание
стр.
1. Введение......................................................... бнз
2.Характеристики вакуумной электроизоляции при контроле состояния поверхности высоковольтных электродов 14
2.1. Введение...............................................
2.2.Экспериментальная установка и приборы.
Индикация состояния поверхности электродов................. \5-33
2.2.1. Типичные обработки высоковольтных электродов 24—27.
2.2.2. Метод контроля состояния поверхности электродов с ПОМОЩЬЮ послеразрядной, фотоэлектронной ЭМИССИИ И величины ' ' нормального катодного падения тлеющего разряда............... 27 гЗЗ
2.3. Характеристики вакуумной электроизоляции с электродами, очищенными до чистометаллического состояния................. 3 3^:70
2.3.1. Первые опыты по исследованию характеристик вакуумной электроизоляции при контроле состояния поверхности высоковольтных электродов (медные, молибденовые электроды ).
Вакуумные промежутки свыше 1 ММ.............................33446
2.3.2. Опыты с чистометаллическими электродами при отсутствии послеразрядной эмиссии электронов (приборы № 1-І-5)......... 46 459
2.3.3. Длительная выдержка вакуумного промежутка с
чистометаллическими электродами под напряжением..........• 60 г- 62
2.3.4. Влияние михропробоев вакуумного промежутка с
чистометаллическими электродами на характеристики вакуумной
электроизоляции..............................................63^64
2.3.5. Характеристики Фаулера-Нордгейма; “эффекты полного напряжения и т^ка” для чистометаллических электродов...65-гбб
2.3.6. Причина появления больших предлробойных токов с чистометаллических электродов ................................ 67 *470
2.4.Влияние загрязнений на поверхности электродов..............70-99
2.4.1 .Влияние пленки окисла.Сравненис методов
кондиционирования электродов микропробоями в вакууме и предварительной очистки тлеющим разрядом....................70—хз
2.4.2. Влияние пленок масла, попадающего из вакуумных
насосов.....................................................84-89
2.4.3. Влияние загрязнений материалами, поступающими с
оксидного термокатода....................................... 8 9-~98
2.5. Основные результаты.........................................9Н4 99
3. Аномальные характеристики Фаулера-Нордгейма предлробойных токов в вакууме - проявление неизвестных ранее процессов в порах поверхности электродов юо~ і и>
3.1 .Объяснение аномальных характеристик Фаулера-Нордгейма предлробойных токов в вакууме в опубликованных работах ................................................. 102 т- юз
3.2. Предлагаемая модель физических процессов, вызывающих аномалию характеристик Фаулера- Нордгейма для токов в вакууме .105т116
4.Основные характеристики нового явления в порах
поверхности высоковольтных электродов под действием
внешнего электрического ПОЛЯ, пороэлектронная ЭМИССИЯ 117-Т 99
4.1 .Вольт-ампсрная характеристика предлробойных токов в вакууме
для электродов большой пористости........................ 1174125
4.2.Влияние газонасыщенности пористой поверхности электродов на вольт-амперную характеристику вакуумного промежутка...........125'-164
4.2.1. Чи сто металлические электроды большой пористости
(режим геттерирования)....................................12 5— 1>1
4.2.2. Опыты с пористыми электродами, длительно
находившимися на атмосфере........................... Ы-164
4.3. Влияние размеров и конфигурации пор поверхности электродов на вольт-амперную характеристику вакуумного
промежута.......;.......................................... 164 4 I 74
4
4.4. Гистерезис вольт-амперных характеристик пористых электродов . 174476
4.5. Свечение в вакуумном промежутке при измерении вольг-амперных характеристик пористых электродов.................................176-\7т
4.6. Влияние продольного магнитного поля на вольт-амперные
характеристики пористых электродов...............................
4.7. Эрозия пористых электродов ....... 178-184
4.8.Холодный катод на основе пороэлсктронной эмиссии 184-194
4.9.Использование пороэлсктронной эмиссии для индикации состояния поверхности электродов................................. 194-19 8
4.9.1. Индикация напыленных металлических пленок......194 г-196
4.9.2. Метод определения микропористости поверхности 196— 197
4.9.3. Метод оценки газонасыщенности пористых материалов 197-198 4.10. Основные результаты главы 4.............................. 199 /
5.Нарушение вакуумной электроизоляции при возбуждении процессов в порах поверхности высоковольтных электродов.......................... 200-27 2
5.1. Предпробойные токи........................................201-21 и
5.2. Микроразряды и вакуумная дуга............................. 210-216
5.3. Запаздывание пробоя вакуума с пористыми электродами . .216-222
5.4. Влияние анода........................................... 222 - 227
5.5. Влияние объема и конфигурации вакуумного промежутка . 22 7-230
5.6. “Эффекты полного напряжения и тока"....................... 2 30-239
5.7. Диэлектрик в вакуумном промежутке........................ 239.-241
5.7.1. Нарушение вакуумной элсктроизоляции при наличии диэлектрика- следствие процессов в порах “тройной точки" 241-245
5.7.2. Опыты, подтверждающие предложенный
механизм нарушения вакуумной элекгроизоляции с диэлектриком 245-259
5.8. Влияние процессов в порах на различные явления в вакууме и
газе........................................................... 259^26 3
5.9. Подавление процессов в порах - метод повышения электрической прочности вакуумной электроизоляции.............. 263-270
5.10. Основные результаты главы 5 ............................. 270-272
>. Подтверждение предложенного механизма развития троцессов В порах ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ электродов.................... 273г2Х()
6.1. Расчет электрических полей, провисающих в поры........
6.2. Экспериментальное подтверждение предложенного механизма..................................................
Заключение 2#* г-2«6
>. Список литературы
2 87*303
6
ВВЕДЕНИЕ
При разработке новых высоковольтных электрофизических установок и приборов предъявляются все-более жесткие требования к электрической изоляции вакуума, газа и твердых диэлектриков.Более полувека исследуются характеристики этих типов изоляции, выполнено - огромное число работ. Однако^ полученные результаты не позволяют в настоящее время достигать стабильные,длительно выдерживаемые постоянные напряжения без заметной предпробойной проводимости с напряженностью внешнего поля, значительно превышающую 107 В/м. Одни и те же закономерности в высоковольтном промежутке по разному представляются авторами опубликованных работ,
имеются противоречивые результаты и не все экспериментально наблюдаемые
’ ✓ /
закономерности можно объяснить существующими представлениями. Все это осложняет использование результатов опубликованных работ.Г К 5.1,
Такое состояние, вероятно, определяется не только сложностью и разнообразием процессов при нарушении электроизоляции, сложностью воспроизводимости начальных поверхностных условий, но также отсутствием единых критериев оценки электрической прочности, и данных по поведению электроизоляции в течение длительной работы электрофизических установок. Этому способствуют и другие существующие положения:
1. До настоящего времени не выбран единый критерий нарушения электрической прочности электроизоляции. Некоторые авторы оценивают электрическую прочность по определенному уровн^о предпробойных токов, другие - по напряжению появления микроразрядов ;гтретьи - по количеству микроразрядов в некоторый промежуток времени и т.д. Приводятся результаты измерений, характеристик вакуумной изоляции без длительной работы вакуумного промежутка при высоком напряжении.
2. Как правило, опыты по исследованию характеристик электроизоляции проводились без контроля поверхности электродов.Основная часть результатов опубпиКрванных работ относится к неопределенным условиям на поверхности, так как количественные характеристики сообщаются после
7
проведения кондиционирования электродов микропробоями вакуума. При этом происходит изменение поверхностного состояния электродов.
3.Количественные оценки напряженностей электрического поля включают и коэффициенты усиления внешнего поля на микронеровностях электрода,способ измерения которых весьма спорный.
Такое положение в области вакуумной электроизоляции стимулировало проведение работ с контролем поверхностей электродов на наличие неметаллических включений и пленок, а также разного рода загрязнений с низкой работой выхода (типа щелочных металлов). Был разработан метод контроля состояния поверхности электродов, основанный на измерении токов послеразрядной эмиссии.Эта эмиссия появляется при наличии пленок и включений неметаллического характера.
Первые эксперименты показали, что уменьшение загрязнений на поверхности электродов значительно повышает электрическую прочность и есть соответствие между снижением токов послеразрядной эмиссии и повышением электрической прочности вакуума. Для электродов,очищенных от поверхностных загрязнений,были получены напряженности поля более 108 В/м при постоянном напряжении [6].
При выполнении работ по исследованию характеристик вакуумной электроизоляции с обработанными электродами были обнаружены аномальные характеристики Фаулера-Нордгейма(Ф-Н). Анализ контролируемых при этом условий позволил выявить и исследовать неизвестный ранее механизм нарушения электрической прочности вакуумной изоляции за счет процессов в микропорах поверхности электродов. При низких напряженностях поля, недостаточных для возникновения автоэлектронной эмиссии, наблюдалось нарушение электрической прочности вакуума в виде предпробойных токов, микроразрядов и пробоев (вакуумных дуг). Новое явление представляет собой особый вид газового разряда -разряд в полых микрокатодах поверхности электродов. Газовая среда создается как за счет потока газа из материала электрода, так и при резонансной десорбции газа с поверхности пор. Были исследованы специально приготовленные пористые поверхности и получены зависимости характеристик вакуумной
8
электроизоляции от газонасыщенности электрода, структуры микропор и т.д. Электронные токи, обуславливающие проводимость вакуумного промежутка, были токами пороэлектронной эмиссии.
Исследованию нового явления, возникающего в порах электродов и влияющего на характеристики вакуумной электроизоляции, посвящена вторая часть работы. Она включает в себя также предшожения ' по пракгическому использованию этих процессов и способы устранения или ограничения сих как отрицательного явления с целью повышения электрической прочности вакуума.
Целью диссертационной работы является исследование вакуумной электроизоляции при контроле состояния поверхности электродов для создания методик обработки и подготовки электродов, обеспечивающих повышение
электрической прочности вакуумной элсктроизоляции и выяснение условий,
• * ^
приводящих к ее снижению. К последним относятся неизвестные ранее процессы в порах поверхности электродов, а также поверхностные загрязнения.
Диссертация состоит из 6 глав.
В первой главе (введении) обоснована актуальность исследований по вакуумной элекгроизоляции с контролем состояния поверхности электродов. Выполненные эксперименты позволили выяснить причину появления обнаруженной автором аномалии характеристик предпробойных токов, не подт верждающую автоэлектронной природы этих токов.
Во второй главе представлены характеристики вакуумной электроизоляции па различных стадиях очистки электродов от неметаллических пленок или включений. Впервые контроль состояния повсрхости проводился с помощью послеразрядной (экзоэлектронной) эмиссии электронов и наиболее высокие результаты были получены после устранения этой эмиссии. Впервые были получены результаты по влиянию только одного из возможных загрязнений поверхности электродов на характеристики вакуумной электроизоляции. Пленка окисла на предварительно очищенных электродах снижает вакуумную элсктроизоляцию, однако уровень напряженности остается довольно высоким.
Наиболее существенно снижает вакуумную электроизоляцию масло вакуумных насосов и мористая пленка на поверхности электродов.
В третьей главе анализирую гея причины появления аномалии предпробойных токов. Сформулирована гипотеза, объясняющая эту аномалию и опровергающая представление об автоэлектронной природе токов при низких напряженностях электрического поля. Специальными опытами было проверено, что аномалии возникают вследствие процессов, возникающих в порах поверхности электродов. При провисании электрического поля в порах создаются условия для появления газовой среды и эмиссии заряженных частиц. При провисании поля, достаточного для ионизации газа, в объеме поры зажигается самостоятельный газовый разряд, катодная часть которого формируется над поверхностью норы. Создание таких
условий возможно при резонансной десорбции газа. Преднробойный ток в
■ *" '1
вакуумном промежутке вследствие этих процессов был ■ назван током пороэдектронной эмиссии.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по исследованию процессов в порах поверхности электродов при воздействии внешнего электрического поля. Показано, что вольт-амперная характеристика ВАХ этих процессов зависит от газонасыщеиности электродов и размеров пор. Процессы в порах сопровождаются свечением в вакуумном промежутке. На основе пороэлекгронной эмиссии разработан холодный катод.
В пятой главе рассматриваются с точки зрения возможности возбуждения процессов в порах поверхности электродов основные закономерности выкуумной элекфоизоляции и все виды ее нарушения (предпробойные токи: микроразряды и вакуумная дута). Показано, что предпробойные токи в вак>7мном промежутке с элктродами, изготовленными по общепринятой технологии, являются токами пороэдектронной эмиссии: при длительной откачке (обезгаживании) ток сначала увеличивается на много порядков, затем начинает уменьшаться. Микроразряды рассматриваются как незавершенный дуговой разряд. Известные закономерности микроразрядов подтверждают эти предположения^ уменьшение сопротивления во внешней цепи приводит к переходу микроразрядов в вакуумную дугу.
10
Анализируются влияние анода и диэлектрика в вакуумном промежутке, а также эффекты «полного напряжения и тока». Отмечается влияние процессов в порах на различные явления в вакууме и газе.
В шестой главе выполнены расчеты и даются объяснения наблюдаемых закономерностей, подтверждающих предлагаемую физическую модель процессов в порах.
Научная новизна, по мнению автора, заключается в следующем:
1. Впервые показано, что уровень электрической прочности вакуумной электроизоляции, в значительной степени} определяется наличием пор на поверхности электродов
2. Об наружены неизвестные, до настоящего времени процессы в порах поверхности отрицательного электрода, возникающие вследствие создания газовой среды в объеме поры при резонансной десорбции газа и формирования над порой катодной части самостоятельного газового разряда. Эмиссия заряженных частиц за счет этих процессов была названа пороэлектронной.
3. Исследованы зависимости величины пороэлектронной эмиссии от газонасыщенности пористой поверхности, от размеров и конфигурации пор.
4. Удаление пористого окисленного слоя с помощью тлеющего разряда в инертном газе позволило достигнуть высокого уровня электрической прочности в вакуумном промежутке,сохраняющегося при длительных испытаниях. Дается новое объяснение загрязняющих факторов, снижающих электрическую прочность вакуумной электроизоляции.
5. Предложена новая гипотеза физических процессов в порах поверхности электродов вакуумного промежутка, согласно которой начальным ток заряженных частиц и газовая среда в поре создаются с появлением резонансной десорбции 1аза При развитии ионизационных процессов в газе инициируется вакуумная дуга (пробой вакуума).
6. Впервые показано,что создание газовой среды в вакуумном промежутке не яв;1яется обязательным для формирования вакуумной дуги, что существенно отличает предложенный механизм от известных до настояшего времени
7. Полученные ранее данные по вакуумной электроизоляции рассмотрены с точки зрения процессов в порах. Экспериментально и расчетами подтверждены на основе предложенной модели ВАХ вакуумного промежутка, “эффекты полного напряжения и тока”, влияние анода и наличия диэлектрика в вакуумном промежутке на характеристики вакуумной электроизоляции.
8. Впервые установлено влияние «фактора объема» на электрическую прочность вакуумного промежутка. Десорбированный газ вблизи анода ионизуется предпробойным током. При этом возникает поток заряженных частиц на катод, что способствует процессам в порах, т.е. снижению электрической прочности вакуумного промежутка.
9. Экспериментально показано, что величина пороэлектронной эмиссии может служить индикатором состояния металлической поверхности в вакууме, а также источником заряженных частиц. Разработан холодный катод на основе пороэлектронной эмиссии^который может работать при низких наряженноетях поля и техническом вакууме. Наибольшее преимущетво катод может иметь для источников электронов с большой площадью.
На защиту автор выносит следующие положения:
- результаты исследования влияния пористости поверхности электродов на электрическую прочность вакуумной электроизоляции, которые показали, что физические процессы в порах ответственны за нарушение всех видов вакуумной электроизоляции при низких напряженностях поля, т.е. за появление предпробойных токов, микроразрядов и вакуумной дуги. Развитие этих процессов приводит к формированию катодной части самостоятельного газовою разряда в вакуумном промежутке; ток этою разряда был назван пороэлектронной эмиссией;
- результаты исследования новою явления - процессов в порах поверхности: исследованы ВАХ токов в вакуумном промежутке от размеров пор, газонасышенности поверхности электродов; гистерезис ВАХ;- условия появления “эффекта полного напряжения и тока“, эрозии поверхности и свечения в вакуумном промежутке;
- предложенные методы увеличения электрической прочности подавлением
12
процессов в порах поверхности электродов: 1) удаление окисленного пористого слоя Ьельби с помощью тлеющего разряда в полом катоде в инертном газе; 2) изготовление электродов с определенными размерами пор;
- результаты исследования снижения электрической прочности при появлении пленки окисла на предварительно очищенных электродах, пористой пленки напыления от оксидного термокатода, а также пленки масла при работе вакуумных насосов с масляными средствами откачки.
- предложенную гипотезу, объясняющую физические процессы в порах поверхности электродов, согласно которой начальный ток заряженных частиц и газовая среда в поре создаются резонансной десорбцией газа, а пробой вакуумного промежутка является результатом ионизационных процессов в объеме поры и появления ду гового разряда.
- результаты исследования влияния диэлектрика в вакуумном промежутке, анода и “фактора объема” вакуумного промежутка на характеристики вакуумной электроизоляции;
- результаты разработки холодного катода на основе пороэлектронной эмиссии, для которого не требуется высокий вакуум,прост в изготовлснии,что особенно важно для больших площадей, а также использование этой эмиссии для индикации состояния поверхности электродов (микроструктуры и газонасыщенности поверхности электродов).
Совокупность указанных выше положений, по мнению автора, можно квалифицировать как новое крупное достижение в исследовании вакуумной электроизоляции.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах МИФИ, ВЭИ, ИДЭ, ВНИИОФИ, на Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Ленинград - 1978, 1990; Ташкент - 1997); на Всесоюзном симпозиуме но сильноточной электронике ( Томск, 1982), на Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков - 1983, Протвино - 1995), на конференции по физике газового разряда (Рязань, 1996), на Международных конференциях по экзоэлектронной эмиссии и ее практическому применению (Россия - 1991, Польша -
1997), на Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород - 1993, 1995, 1997), на Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981), на Международной конференции по электрическим контактам (Чикаго, 1994); на Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции вакуума (Польша - 1972, Россия - 1976, США -1982, Германия - 1984, Франция - 1988, США - 1990, Германия - 1992, Россия - 1994, США - 1996).
Основные результаты диссертационной работы изложены в 50 научных статьях (в научных журналах, в сборниках конференций и симпозиумов); в 15 отчетах по хоздоговорным темам, в 1 препринте, а также защищены 10 авторскими свидетельствами и 2 патентами.
14
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИИ ПРИ К01ГГРОЛЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ.
2.1. Введение
Накопленный экспериментальный материал по вакуумной электроизоляции показывает, что состояние поверхности электродов в сильной степени влияет на характеристики вакуумного промежутка.Это состояние определяется как микроструктурой поверхности, так и наличием на ней загрязнений [1-4]. В настоящее время используются очень точные приборы для оценки состояния поверхности электродов. Так, автопроскторы и эдектронные микроскопы позволяют проводить измерения радиусов острий микровыступов на поверхности электродов. Оже- и рентгеновские спектрометры выявляют на поверхности и в объеме различные загрязнения. Совмещение этих устройств в одном экспериментальном приборе использовано в очень интересных работах Латама и его сотрудников[4]. Однако эти приборы требуют специфическую конструкцию электродов. Например, анод выполняется в виде острия. Использование этих установок затруднительно при исследовании различных технологий обработки электродов рабочих высоковольтных установок.
В данной работе была поставлена цель исследовать характеристики вакуумных промежутков после очистки электродов от пленок окисла и других загрязнений, которые присутствуют в результате их изготовления и пребывания в атмосфере воздуха. В качестве чувствительного контроля был использован метод, предложенный профессором Чистяковым П.Н., в лаборатории которого в МИФИ была выполнена эта часть работы[5]. Наличие неметаллических пленок и включений оценивалось по возбуждению послеразрядной эмиссии электронов (см. [6] ). Опыты[7,8] показали,что наблюдается соответствие между токами послеразрядной эмиссии и вольт-амперными характеристиками вакуумной изоляции(ВАХ). Снижение этой эмиссии при обработке тлеющим разрядом обоих высоковольтных электродов
15
соответствует увеличению электрической прочности вакуумной электроизоляции. Действительно, неметаллические пленки на поверхности электродов должны снижать напряжение пробоя за счет зарядки этих пленок и соответственно усиления электрического поля вблизи поверхности, а также за счет их повышенного газоотделения. Первые опыты были проведены при некотором снижении послеразрядной эмиссии, и в дальнейшем они были продолжены при условии практически полного ее отсутствия.
Очистка электродов разрядом в инертном газе предпринималась и в более ранних работах[9-11].Однако используемые авторами времена обработки были слишком кратковремменными ,чтобы удалить разрушенный поверхностный слой.Поверхность электродов не контролировались и не было данных по длительной выдержке вакумного промежутка под напряжением. В главе 2 изложены результаты опытов с очищенными электродами, а также данные по контролю состояния поверхности электродов с наиболее вероятными загрязнениями парами масла вакуумных насосов и продуктами напыления с оксидного термокатода.При исследовании этих состояний электродов были обнаружены аномальные характеристики предпробойных токов, исследованию которых посвешены следующие главы.
2.2 Экспериментальная установка и приборы. Индикация состояния поверхности электродов.
Характеристики вакуумной элсктроизоляции исследовались в стеклянных
вакуумных приборах (рис.2.2.1-2.2.7). Конструкция позволяла визуально
*
наблюдать за поведением вакуумного промежутка, регистрировать разряд по длинному пути . Стеклянная оболочка прибора служила хорошим изолятором. Первые опыты выполнялись в неразборных приборах (рис.2.2.1;2.2.4-2.2.7), последующие - в разборных (рис.2.2.2). У всех приборов имеется боковой электрод, на который высаживался материал электродов при очистке их тлеющим разрядом. В некоторых приборах этот вспомогательный электрод представлял собой спираль, помещенную в экранирующий цилиндр. (см.рис.2.2.2-2.2.6). Эта спираль использовалась дія проірева основных
16
электродов в вакууме до высоких температур. Все приборы имели сильфон дня перемещения одного из электродов в вакууме. Расстояние между основными электродами можно было изменять от нуля до 10 мм с точностью 0,05 мм.
Первые приборы со впаянными электродами (рис 2.2.1) были рассчитаны на рабочее напряжение до 20 кВ . С увеличением высокого напряжения длина стеклянного изолятора была увеличена до 25-35 мм, а диаметр шаровой части -до 150 мм. У разборных приборов можно было проводить замену электродов (рис.2.2.2::); у других - электроды были жестко вмонтированы в прибор. Эти приборы перемещались на высоковольтный импульсный стенд посте подготовки электродов. Перед транспортировкой прибор отпаивался под высоким вакуумом от вакуумного поста методом холодной отпайки. Высокий вакуум в отпаянном приборе поддерживался вмонтированным в прибор электроразрядным насосом. „.
Приборы на рисунках 2.2. 5 т 2.2.7 были использованы для выяснения влияния дозированных загрязнений на характеристики вакуумной электроизоляции. Все приборы, представленные на рис.2.2.2-2.2.7 выдерживали импульсное напряжение не менее 200 кВ (в отсутствие заметных токов с высоковольтных электродов). С появлением токов в вакуумном промежутке между электродами электрическая прочность стеклянного изолятора снижалась иногда до 150 кВ в импульсном режиме и до 90-100 кВ - при постоянном напряжении. Иногда возникали пробои стекла с нарушением вакуума. Как правило, пробои по стеклянному изолятору появлялись вследствие неравномерной зарядки стекла при электронной бомбардировке предпробойными токами в вакуумном промежутке в диапазоне величин ЮОмкА -1 мА. *
Экспериментальные приборы откачивались на вакуумных установках ЭРА-100, ЭРА-300 с безмаслянными средствами откачки (цеолитовыми и элекгроразрядными насосами).Экспериментальный прибор подсоединялся к вакуумному посту через вакуумный трубопровод из изолятора. Это позволяло включать для измерения тока прибор между корпусом установки и высоковольтным электродом. Наличие такого изолятора требовалось и при измерении токов послсразрядной эмиссии электронов. На вакуумном посту
Рис.2.2.1. Чертежи и фото первых экспериментальных приборов
Рис.2.2.2. Фото экспериментального прибора по
исследованию вакуумной электроизоляции с контролем состояния поверхности электродов с помощью послеразрядной эмиссии электронов.
. Рис.2.2.3. Разборный экспериментальный прибор.
20
Рис.2 2.4
Экспериментальный прибор для исследования вакуумной электроизоляции с чистометаллическими электродами, отпаянный от вакуумного поста
Рис.2.2.5.
Экспериментальный прибор для исследования напыленных слоев масла с помощью послеразрядной эмиссии электронов.
22
‘ис.2.2.6 Экспериментальный прибор для исследования вакуумной электроизоляции при загрязнении ' чистометаллических молибденовых электродов маслом вакуумных насосов.
Рис.2.2.7.
Экспериментальный прибор для исследования вакуумной электроизоляции при загрязнении чистометаллических молибденовых электродов продуктами испарения оксидного термокатода.
24
был установлен металлический баллон с чистым аргоном. Подача аргона в экспериментальный прибор регулировалась натскателями.Схема измерения характеристик вакуумной изоляции показана на рис.2.2.8.
Высоковольтные электроды из меди, молибдена по форме были близки к электродам Роговского, что исключало усиление внешнего поля на краях электродов. Диаметр электродов 17 мм, однако в некоторых опытах он был несколько меньшим (10-15 мм).
2.2.1 Типичные режимы обработки высоковольтных электродов.
В первых работах[7-8] измерения послеразрядной эмиссии электронов и характеристик вакуумной изоляции проводились после каждой обработки экспериментального прибора и высоковольтных электродов. В дальнейшем контроль электродов осуществлялся на завершающей стадии очистки электродов. Очистке и контролю подвергались оба электрода. Обычный цикл подготовки высоковольтных электродов включал три стадии:
1.Прогрев всего экспериментального прибора до температур 200-500°С,после чего величины токов послеразрядной эмиссии отличались от фоновых на 4-5 порядков.
2.Высокотемпературный прогрев высоковольтных исследуемых электродов в импульсном режиме с помощью электронной бомбардировки. Он значительно сокращал время последующей очистки электродов тлеющим разрядом в газе, но использовался не всегда. После прогрева меди до 800-900 °С и молибдена до 1800°С в течение нескольких десятков часов послеразрядная эмиссия резко уменьшалась, но полностью не исчезала. Для полного исчезновения эмиссии в результате очистки прогревом в вакууме ( как следует из работы[ 12]^необходимо увеличить мощность прогрева до заметного испарения материала электродов и осаждения его на стенках экспериментального прибора. Такого прогрева электродов в этих приборах не проводилось и заключительная очистка продолжалась тлеющим разрядом в инертном газе.
Рис.2.2.8.
• Схема измерения предпробойных токов и напряжения пробоя вакуумного промежутка в статическом и импульсном режимах.
26
3.Обработка тлеющим разрядом с пульсирующим током в чистом инертном газе (в основном аргоне) при давлении от десятков до единиц мм рт.ст. Электроды устанавливались на расстоянии 4-8 мм друг от друга, они электрически соединялись и были катодом, а вспомогательный боковой электрод - анодом. Поверхности обрабатываемых электродов образовывали полость (полый катод), что соответствовало условию, когда свечение разряда сосредотачивалось в этой полости. Токовый режим устанавливался в зависимости от поведения разряда, так как сосредоточить разряд на электродах было не всегда легко. Через некоторое время обработки электродов разряд постепенно охватывал держатели электродов и плотность тока разряда, обрабатывающего поверхности исследуемых электродов, заметно уменьшалась. Чтобы сохранить тот же режим разряда на электродах приходилось увеличивать общий ток. В связи с этим режим плотдости токов изменялся и величина тока в цепи разряда колебалась от десятков до нескольких сотен мА. В процессе нагрева электродов и уменьшения давления газа в области разряда приходилось увеличивать давление газа и оно колебалось от единиц до нескольких десятков мм рт.ст.
Вначале токовый режим ограничивался по причине сильного выделения кислорода. Это было видно по появлению красноватых оттенков свечения разряда. Проводилась смена газа и эта процедура повторялась несколько раз. Следует отметить, что в присутствии кислорода может происходить окисление поверхностей электродов, а не их очистка. Поэтому на первых этапах обработки тлеющим разрядом проводилось измерение послеразрядной эмиссии, так как только снижение токов этой эмиссии подтверждало очистку электродов [13-15]. Постепенно величину обрабатывающего тока увеличивали и на стекле шаровой части экспериментального прибора появлялся напыленный слой материала электродов.
Длительность обработки электродов тлеющим разрядом для каждого прибора составляла не менее нескольких десятков часов. Это зависело как от начального состояния электродов, так и от предварительного прогрева электродов в вакууме. Последний очень сильно влиял на заключительную очистку электродов. Начальное состояние электродов могло сильно отличаться
27
при одной и той же технологии изготовления электродов. Так, например, измерение послеразрядной эмиссии с конструкционных материалов [16] показало, что ее величина, а следовательно и различная толщина пленки окисла, может определяться режимом изготовления электродов на токарном станке , т.е скоростью подачи резца .Это влияло на длительность удаления загрязнения. Обработка электродов заканчивалась, когда послсразрядная эмиссия электронов не возбуждалась с обоих высоковольтных электродов.
2.2.2 Метод контроля состояния поверхности электродов с помощью послеразрядной , фотоэлектронной эмиссии электронов и величины катодного падения нормального тлеющего разряда.
Послеразрядная эмиссия электронов возбуждается с холодной поверхности металлов импульсом тока газового разряда при наличии на металлической поверхности неметаллических пленок и включений. После окончания возбуждающего разряда наблюдается эмисия электронов, число которых во времени уменьшается. Величина этих токов мала, однако время эмитгирования электронов может быть минутам, часам, и даже сутках«. В настоящее время эта эмиссия относится к явлениям, объединенным общим названием "Экзоэлектронная эмиссия- ЭЭЭ ". Возбуждающим фактором может быть облучение рентгеном, заряженными частицами, механическая обработка и т.д. Эмиссия возбуждается как с металлов, так и с полупроводников и диэлектриков. Многие виды ЭЭЭ эмиссии используются для контроля поверхности, хотя механизм ее недостаточно изучен. Вероятно, этот тип эмиссии включает не одно явление и объединяет их один признак -эмитгирование электронов после окончания действия возбуждающего фактора. Механизм послеразрядной эмиссии с металлических поверхностей при наличии пленок и включений диэлектриков и полупроводников наиболее вероятно связан с поддержанием процессов эмитгирования электронов после зарядки полупроводниковых и диэлектрических пленок и включений . Эти процессы при наличии локального поля близки к эффекту Молтера. Зарядка
28
неметаллических включений происходит за счет ультрафиолетового излучения газового разряда, при этом заметную роль играют ионы разряда[17].
Используемый метод послсразрядной эмиссии очень чувствительный и при появлении тонкой пленки окисла на чистометаллической поверхности (~1(Г см) токи послеразрядной эмиссии отличаются от фоновых токов [18]. Измерение эмиссии проводится в газе и фоновые токи газового промежутка создаются за счет естественного фона Земли и радиоактивного фона лаборатории. Эти токи очень малы (lO*18 - 10*19 А), они не зависят от времени между возбуждающими импульсами, и это их отличает от токов послеразрядной эмиссии, которые уменьшаются после окончания возбуждающего импульса. Основные закономерности послеразрядной эмиссии описаны в работах [5-26]. Величина тока послеразрядной эмиссии сначала увеличивается с увеличением тока и длительности возбуждающего импульса, а затем имеет насыщение (рис. 2.2.9). При нагреве и охлаждении исследуемого образца до низких температур (до - 175 °С) наблюдается несколько максимумов тока[6]. При уменьшении работы выхода (особенно активировании металлических поверхностей щелочными металлами) ток послсразрядной эмиссии заметно увеличивается.В процессе увеличения толщины окисной пленки на поверхности металла зависимость тока послсразрядной эмиссии имеет максимум (рис.2.2.9). Однако монослой кислорода, адсорбированный на чистометаллической поверхности, не возбуждает послсразрядную эмиссию[24].
При ограничении тока и мощности возбуждающий импульс в инертном газе практически не влияет на исследуемое состояние поверхности электрода, в противном случае возбуждающий импульс приводит к ее изменению. Критическое значение этой мощности зависит от газа и материала электродов.
Ввиду очень малых величин токи послеразрядной эмиссии электронов измерялись методом импульсного пробоя, который позволяет регистрировать отдельные электроны. На газовый промежуток, катод которого является исследуемым электродом, подается серия прямоугольных импульсов напряжения. Амплитуда импульса превосходит статическое напряжение зажигания разряда более чем в 1,5 раза. Если коэффициент псрснаряжсния