Способ определения при пробое в вакууме факта реализации катодного механизма инициирования пробоя

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к технике высоких напряжений, а именно к диагностике электрической изоляции в вакууме, и может быть использовано в электронной промышленности. Предложенный способ определения при пробое в вакууме факта реализации катодного механизма инициирования пробоя включает в себя следующие действия: подачу на электроды напряжения постоянного тока, определение коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β1, измерение напряжения первого пробоя U1, при этом после возникновения первого пробоя снижают напряжение между электродами, определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β2, измеряют напряжение второго пробоя U2 и в случае, если выполняется условие КUβ=1, где Kβ12 - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя вакуумного промежутка; KU=U2/U1 - относительное изменение электрической прочности в результате первого пробоя; делают вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности предложенного способа за счет исключения систематической ошибки измерений абсолютных значений микронапряженности электрического поля и критической напряженности. 2 ил.

Реферат

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 механизмов вакуумного пробоя.

Известен способ определения катодного механизма инициирования вакуумного пробоя на постоянном токе [1]. Способ включает обработку катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, измерение напряжения пробоя в режиме постоянного тока до и после импульсной обработки и проверку критерия

где

Kβ0и - относительное изменение коэффициента β в результате импульсной обработки, определяемое по известной зависимости Kβ(tи);

β0, βи - коэффициенты усиления поля соответственно до и после импульсной обработки;

KU=Uи/U0 - относительное изменение электрической прочности в результате импульсной обработки;

Uи - напряжение первого после окончания импульсной обработки пробоя;

U2 - установившееся значение напряжения пробоя до начала импульсной обработки.

Недостаток указанного способа заключается в применении обработки катода высоковольтными импульсами длительностью, равной времени запаздывания пробоя, и сопоставлении изменения электрической прочности КU=Uи/U0, достигаемого в результате импульсной обработки, с расчетным изменением коэффициента усиления Кβ0и.

Известен способ определения катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, выбранный в качестве прототипа [2]. Способ включает подачу напряжения постоянного тока на электроды вакуумного промежутка, определение коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода, измерение напряжения первого пробоя, вычисление электрической прочности Е0 и принятие решения о реализации катодного механизма инициирования пробоя в случае выполнения условия

где Eкр - критическая микронапряженность электрического поля.

Если микронапряженность электрического поля E=βE0 равна критической Eкр, то имеет место катодное инициирование пробоя в вакууме.

Недостаток способа заключается в использовании при принятии решения абсолютных значений микронапряженности Е и критической напряженности Eкр электрического поля, содержащих систематическую погрешность измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности способа за счет исключения систематической ошибки измерений абсолютных значений микронапряженности Е и критической напряженности Eкр электрического поля.

Это достигается тем, что в известном способе определения при пробое в вакууме факта реализации катодного механизма инициирования пробоя, включающем подачу на электроды напряжения постоянного тока, определение коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β1, измерение напряжения первого пробоя U1, после возникновения первого пробоя снижают напряжение между электродами, определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β2, измеряют напряжение второго пробоя U2 и в случае, если выполняется условие

где

Kβ12 - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя промежутка;

β1, β2 - коэффициенты усиления поля соответственно до и после первого пробоя;

KU=U2/U1 - относительное изменение электрической прочности в результате первого пробоя;

U1, U2 - напряжения соответственно первого и второго пробоя,

делают вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме.

Введение операции снижения напряжения на промежутке после возникновения первого пробоя необходимо для реализации возможности последующих испытаний вакуумной изоляции, в том числе и для измерения напряжения второго пробоя U2.

Определение коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β2 обеспечивает контроль состояния катодной поверхности, изменившегося в результате первого пробоя, и позволяет рассчитать коэффициент относительного изменения состояния катодной поверхности Кβ12.

Измерение напряжения U2 второго пробоя позволяет рассчитать коэффициент относительного изменения электрической прочности КU=U2/U1 в результате первого пробоя.

Вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме делают при выполнении условия KU/Kβ=1. При катодном инициировании изменение электрической прочности КU определено изменением состояния поверхности катода Кβ, а это означает выполнение условия (3). В случае некатодного механизма, KU/Kβ≠1. Погрешность выполнения условия KU/Kβ=1 является погрешностью определения катодного механизма инициирования пробоя. Использование при принятии решения относительных величин Кβ и КU, характеризующих изменения состояния катодной поверхности и электрической прочности, вместо абсолютных значений микронапряженности E=βE0 и критической напряженности Eкр электрического поля позволяет исключить систематическую погрешность измерений и повысить точность определения факта реализации катодного механизма.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены:

а) график изменения пробивной микронапряженности электрического поля с числом пробоев Е(n) для медных электродов в сопоставлении с критической напряженностью Eкр=1,01·1010 В/м [3], что соответствует известному способу;

б) кривая относительного изменения электрической прочности КU как функция относительного изменения состояния поверхности катода Кβ, что соответствует предлагаемому способу.

Зависимости Е(n) и КUβ), представленные на чертеже, построены по результатам обработки экспериментальных значений коэффициента усиления β и первого после его измерения напряжения пробоя постоянного тока U. Объем выборки составлял n=50.

Способ определения при пробое в вакууме факта реализации катодного механизма осуществляют следующим образом. На электроды вакуумного промежутка подают напряжение постоянного тока, определяют коэффициент усиления β1 напряженности электрического поля на микронеоднородностях катодной поверхности, измеряют напряжение U1 первого пробоя, затем снижают напряжение на промежутке, определяют коэффициент усиления β2 напряженности электрического поля, измеряют напряжение U2 второго пробоя и, в случае выполнения условия КUβ=1, делают вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме.

Согласно заявляемому способу на вакуумный промежуток (d=0,2 мм, Р≈10-5 Па), образованный коаксиальными медными электродами, подано напряжение постоянного тока, определен коэффициент усиления поля β1 и измерено соответствующее ему напряжение пробоя U1, затем определено новое значение β2 коэффициента усиления и измерено соответствующее ему напряжение U2. Многократное повторение упомянутых операций позволило построить зависимости Е(n) и КUβ), приведенные на чертеже.

Из кривой Е(n) следует, что пробивная микронапряженность Е электрического поля превышает критическую величину Eкр=1,01·1010 В/м на ˜30%, изменяясь относительно среднего значения с разбросом ˜15%. Наличие систематической погрешности связано с пренебрежением краевым эффектом при расчете напряженности электрического поля в системе коаксиальных электродов, а также с погрешностью определения критической напряженности Екр. Точность определения при пробое в вакууме факта катодного механизма инициирования пробоя по известному критерию (2) составила ˜30%.

Из зависимости КUβ), выходящей из начала координат под углом 45°, следует, что в результате пробоев постоянного тока относительные изменения электрической прочности КU соответствуют относительным изменениям состояния катодной поверхности Кβ. Точность определения катодного механизма инициирования пробоя по предложенному критерию составляет ˜15% и определена погрешностью эксперимента. Точность предложенного способа превысила точность известного способа в ˜2 раза. Повышение точности объясняется исключением систематической погрешности измерения.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности способа за счет исключения систематической погрешности измерения.

Источники информации

1. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1. Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993. - С.62.

2. 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 (прототип).

3. Brodie J. Prediction of the voltage for electrical breakdown in ultrahigh vacuum. // J. Vac. Sci. Tech., 1966. V.3. N.4. P.222-223.

Способ определения при пробое в вакууме факта реализации катодного механизма инициирования пробоя, включающий подачу на электроды напряжения постоянного тока, определение коэффициента усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β1, измерение напряжения первого пробоя U1, отличающийся тем, что после возникновения первого пробоя снижают напряжение между электродами, определяют коэффициент усиления напряженности электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода β2, измеряют напряжение второго пробоя U2 и в случае, если выполняется условие

КUβ=1,

где Kβ12 - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя вакуумного промежутка;

β1, β2 - коэффициенты усиления поля соответственно до и после первого пробоя;

KU=U2/U1 - относительное изменение электрической прочности в результате первого пробоя;

U2, U1 - напряжения соответственно первого и второго пробоя,

делают вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме.