Способ определения тока формирования канала высоковольтного пробоя в кристаллических диэлектриках по зависимости скорости формирования канала пробоя от напряжения

 

Изобретение относится к области физики электрического пробоя, может быть использовано для определения тока незаконченного пробоя, потребляемого от генератора высоковольтного импульса при пробое монокристаллических диэлектриков, например, в наносекундной области длительности импульса, и заключается в размещении образца диэлектрика в коаксиальной пробойной ячейке между двумя электродами, образованными путем разрыва центрального проводника коаксиальной пробойной ячейки, причем один из электродов заострен и выполняет функцию катода либо анода в зависимости от полярности подаваемого высоковольтного импульса, подают через заостренный электрод с включенным в разрыв центрального проводника, образующего этот электрод, резистором импульс высокого напряжения U_ген.1 от генератора к поверхности образца диэлектрика, измеряют с помощью осциллографа время задержки между приходом импульса на повехность образца и появлением после пробоя образца импульса тока на втором электроде, заменяют пробитый образец диэлектрика на другой с такими же размерами, отключают резистор и подают на образец через заостренный электрод импульс высокого напряжения такой амплитулы U_ген.2, при которой наблюдают такое же время задержки появления импульса тока на втором электроде, как и при пробое первого образца диэлектрика напряжением U_ген.1 с включенным в цепь резистором, определяют разность напряжений, делят ее на численное значение сопротивления резистора и получают искомое значение тока. 3 ил.

Изобретение относится к области физики электрического пробоя и может быть использовано для определения тока незаконченного пробоя, потребляемого от генератора высоковольтного импульса при пробое монокристаллических диэлектриков, например, в наносекундной области длительностей импульсов.

Известен способ определения тока формирования проводящего канала по изменению интенсивности света, испускаемого полупроводниковым источником света (светодиодом, лазером), включенным в цепь заостренного электрода (H.Yamada, S. Kimura, T. Sato. Electrooptical measurement of prebreakdown current and breakdown time lag in polyethelene using nanosecond rectangular pulse voltage. "Proc. of Third International Conf.Cond. and Breakdown of Solid Dielectrics. "Trondheim, July, 3-6, 1989, p.87-91).

Недостатком способа является большой расход таких сложных оптоэлектронных элементов как лазеры, поскольку после завершения стадии незаконченного пробоя происходит резкий рост тока в стадии главного разряда генератора и источник света может разрушиться. Использование в таких схемах маломощного генератора высоковольтного напряжения не позволяет получить наносекундные фронты импульсов.

Известен способ определения тока формирования канала пробоя в диэлектриках по измерению падения напряжения на резисторе, включенном в цепь высоковольтного электрода, прямым измерением на осциллографе в диапазоне микросекундных длительностей в течение первой стадии формирования канала пробоя Торбин Н. М. Предпробивные токи в больших толщинах твердых диэлектриков. Изв. ВУЗов, Энергетика, 1960, N 10, с.26-31.

Недостатком способа является то, что требуется осциллограф специальной конструкции, в котором оба электрода отклоняющей системы развязаны от потенциала земли и их изоляция должна выдерживать высокое напряжение. Для наносекундных импульсов такие осциллографы отсутствуют.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа измерения среднего значения тока первой стадии пробоя с использованием более простых и дешевых элементов резисторов, техника работы с которыми более проста. Это позволяет проводить измерения в более широком диапазоне длительностей импульсов, в том числе и в диапазоне нано- и субнаносекундных импульсов, с использованием стандартной аппаратуры.

Эта цель достигается использованием того, что падение напряжения на балластном резисторе R_б (см. фиг.1), включенном в цепь высоковольтного заостренного электрода, прямо пропорционально току пробоя, ΔU_б= R_б·I , из-за чего напряжение, прикладываемое к образцу диэлектрика, уменьшается на эту величину ΔU_б , что приводит к уменьшению линейной скорости формирования канала пробоя.

Измерив эту скорость, по графику зависимости скорости формирования канала пробоя от напряжения на образце диэлектрика определяют напряжение ΔU_обр. , приложенное к образцу диэлектрика, а затем вычитанием U_ген.-ΔU_обр.= ΔU_б вычисляют падение напряжения на балластном резисторе R_б. Разделив полученную величину ΔU_б на численное значение сопротивления резистора R_б, получают среднее значение тока пробоя. Для проведения этих расчетов предварительно измеряют зависимость линейной скорости развития канала пробоя от напряжения V(U).

Существенным признаком изобретения является именно то, что ток может быть определен только с помощью известной зависимости скорости пробоя от напряжения для данного вещества. Эта зависимость может быть определена в той же установке, которая используется для измерения тока.

Для реализации предложенного способа используют объемные композитные резисторы, например, типа ТВО соответствующих номиналов либо их короткие фрагменты.

При анализе научно-технической и патентной документации не найден способ с указанными признаками, поэтому можно считать, что предлагаемое решение является новым и отвечает критерию "изобретательский уровень". По сравнению с прототипом предложенный способ реализуется существенно проще, поскольку требуется только наличие резисторов объемного типа и можно свести к минимуму искажения, вносимые паразитными параметрами резистора, правильным выбором конструкции его монтажа.

На фиг. 1 изображена схема включения резистора R_б в цепь высоковольтного игольчатого электрода; на фиг. 2 - принципиальная схема измерительной ячейки для определения скорости формирования канале проводимости; на фиг.3 - график зависимости скорости формирования канала пробоя от напряжения в монокристаллическом KCl.

Предложенный способ реализован на высоковольтном генераторе типа "РАДАН-220", дающем импульсы напряжения амплитудой 230 кВ длительностью в согласованном режиме 1,8 нс при длительности фронтов менее 0,3 нс (Загулов Ф.Я., Котов А.С., Шпак В.Г., Юрике Я.Я., Яландин М.И. РАДАН - малогабаритные сильноточные ускорители электронов импульсно-периодического действия. ПТЭ, 1989, в.2, с.146-149).

Определение скорости формирования проводящего канала пробоя (то есть скорости движения его переднего фронта) проводят следующим образом.

В высоковольтную пробойную ячейку специальной конструкции, представляющую из себя коаксиальную линию, заполненную трансформаторным маслом, помещают образец диэлектрика, например монокристаллического KCl, между двумя электродами, образованными путем разрыва центрального проводника коаксиальной пробойной ячейки, причем один из этих электродов заострен и выполняет функцию анода (катода), а другой плоский либо закругленный и выполняет функцию катода (анода) в зависимости от полярности высоковольтного импульса.

Схема высоковольтной пробойной ячейки изображена на фиг.2. На этом чертеже использованы обозначения: 1 - внутренний проводник коаксиальной линии, подводящей электрический импульс к ячейке (в данном случае заостренный электрод является анодом); 2 - образец диэлектрика; 3 - плоский либо закругленный электрод (катод), высокое напряжение на нем появляется только после пробоя образца диэлектрика - пластинки из монокристаллического хлорида калия; 4 - согласующее нагрузочное сопротивление, R_нагр.= Z _генер.; 5 - цилиндрический емкостной коаксиальный датчик напряжения на заостренном электроде (аноде); 6 - цилиндрический емкостной коаксиальный датчик напряжения на плоском либо закругленном электроде (катоде); 7 и 8 - Т-образные резистивные делители напряжения; 9 - кабельная линия задержки.

В момент прихода высоковольтного импульса на заостренный электрод (этот момент фиксируют датчиком 5), который в данном случае является анодом, вглубь образца диэлектрика с этого электрода начинается процесс пробоя, при котором в кристаллическом диэлектрике формируется прямолинейный канал небольшого диаметра с веществом в состоянии высокой проводимости, длина которого увеличивается со временем. В момент выхода этого проводящего канала на противоположную поверхность диэлектрической пластинки на втором электроде (катоде) появляется импульс высокого напряжения. Момент появления этого импульса (окончание процесса пробоя образца диэлектрика) фиксируется датчиком 6. Сигналы, снимаемые с этих датчиков 5 и 6, подают на осциллограф, с экрана которого фиксируют фотоаппаратом. По осциллограмме измеряют время между моментами прихода сигналов с датчиков 5 и 6, которое является временем формирования канала пробоя в образце диэлектрика. Помещая между электродами образцов диэлектриков в виде пластинок различной толщины, можно измерить зависимость времени формирования канала от толщины образца диэлектрика.

Измерения, проведенные на большом числе образцов монокристаллического хлористого калия разной толщины в диапазоне толщин 0,2-4 мм показали, что при напряжении генератора 230 кВ это время формирования канала линейно (прямо пропорционально) зависит от толщины d образца с коэффициентом пропорциональности k=1/V t = d/V = Kd где V=2·10⁸ см/с.

Эту величину можно интерпретировать как скорость формирования канала пробоя в диэлектрике, то есть скорость удлинения проводящего канала, измеренную электрическим способом по моменту установления проводящего состояния канала пробоя по всей толщине образца диэлектрика. Передний фронт импульса, приходящего с датчика 6, имеет примерно ту же крутизну, что и с датчика 5, что свидетельствует о достаточной четкости момента выхода проводящего канала на поверхность образца диэлектрика (в пределах длительности фронта импульса t_фр. < 0,3 нс) и проводимость канала в момент выхода на поверхность достаточно высока.

Результаты измерения скорости формирования канала проводимости при различных напряжениях импульса показывают, что в кристаллах хлористого калия в диапазоне напряжений импульсов 100-230 кВ, получаемых от генератора "РАДАН-220" (t_фр.≅ 0,2 нс, τ_н= 2нс), скорость развития канала пробоя прямо пропорциональна напряжению и дается графиком фиг.3. График этой зависимости используется для вычисления напряжения на образце по измеренному значению скорости пробоя, когда в цепь заостренного электрода (анода) мы включаем балластное сопротивление.

Образец монокристаллического KCl толщиной 1 мм пробивался импульсами напряжения 230 кВ от данного генератора. Задержка появления импульса на катоде составляет при этом 0,5 нс. Это дает среднюю скорость формирования канала пробоя в данном веществе V = 1,0 мм/0,5 нс = 2·10⁸ см/с.

Затем точно такой же образец монокристаллического KCl пробивался импульсами напряжения 230 кВ через включенный в цепь заостренного электрода (анода) балластный резистор сопротивлением 2 кОм. При этом задержка появления импульса тока главного разряда генератора на втором электроде (катоде) составила 1,0 нс. Это дает величину скорости формирования канала пробоя при включении последовательно с образцом балластного резистора R_б V=10⁸см/с.

По графику зависимости скорости формирования канала пробоя от напряжения на образце (фиг.3), полученному ранее (Емлин Р.В., Вершинин Ю.Н., Белоглазов В. А. Зависимость скорости формирования канала высоковольтного пробоя от напряжения в диапазоне 110-230 кВ в монокристаллах KCl, Труды Девятого международного симпозиума по сильноточной электронике, Россия, 1992, с.299-300), для монокристаллов KCl определяем, что эта скорость соответствует напряжению на образце, равному 150 кВ, следовательно, падение напряжения на балластном резисторе ΔU_б= 230-150 = 80 кВ. Отсюда рассчитываем значение среднего тока формирования канала пробоя I = 80 кВ/2 кОм=40 А. Эти данные по значению тока пробоя могут быть использованы для вычисления энергетических характеристик стадии формирования канала незаконченного пробоя в монокристаллических диэлектриках.

Формула изобретения

Способ измерения тока формирования канала высоковольтного пробоя кристаллических диэлектриков с использованием включенного последовательно с образцом диэлектрика резистора, отличающийся тем, что образец диэлектрика помещают в коаксиальную пробойную ячейку между двумя электродами, образованными путем разрыва центрального проводника коаксиальной пробойной ячейки, при этом один из электродов, по которому через резистор R_б, включенный в разрыв центрального проводника, образующего этот электрод, подают импульс высокого напряжения U_ген.1 от генератора к поверхности образца диэлектрика, заострен и выполняет функцию анода либо катода в зависимости от полярности подаваемого высоковольтного импульса, а второй электрод соответственно выполняет функцию катода либо анода, при этом острие электрода упирают в поверхность образца диэлектрика, с помощью осциллографа измеряют время задержки между приходом высоковольтного импульса на поверхность образца диэлектрика через заостренный электрод и появлением после пробоя образца диэлектрика импульса тока на втором электроде, после чего заменяют в коаксиальной пробойной ячейке пробитый образец диэлектрика на другой с такими же размерами, выключают резистор R_б и подают через заостренный электрод пробойной ячейки на образец диэлектрика импульс высокого напряжения такой амплитуды U_ген.2, при которой наблюдают такое же время задержки появления импульса тока на втором электроде, как и при пробое первого образца диэлектрика напряжения U_ген.1 с включенным в цепь резистором R_б, определяют разность напряжений U_ген.1 - U_ген.2, равную разности потенциалов на резисторе R_б при пробое первого образца, делят на численное значение сопротивления резистора R_б и получают искомое значение тока формирования канала пробоя образца диэлектрика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3