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

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 К_U/К_β=1, где K_β=β₁/β₂ - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя вакуумного промежутка; K_U=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.

 

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

K_β=β₀/β_и - относительное изменение коэффициента β в результате импульсной обработки, определяемое по известной зависимости K_β(t_и);

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

K_U=U_и/U₀ - относительное изменение электрической прочности в результате импульсной обработки;

U_и - 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 К_U=U_и/U₀, достигаемого в результате импульсной обработки, с расчетным изменением коэффициента усиления К_β=β₀/β_и.

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 E_кр - критическая микронапряженность электрического поля.

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

Недостаток способа заключается в использовании при принятии решения абсолютных значений микронапряженности Е и критической напряженности E_кр 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 E_кр 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

K_β=β₁/β₂ - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя промежутка;

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

K_U=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 К_β=β₁/β₂.

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

Вывод о реализации катодного механизма инициирования пробоя в вакууме делают при выполнении условия K_U/K_β=1. При катодном инициировании изменение электрической прочности К_U определено изменением состояния поверхности катода К_β, а это означает выполнение условия (3). В случае некатодного механизма, K_U/Kβ≠1. Погрешность выполнения условия K_U/K_β=1 является погрешностью определения катодного механизма инициирования пробоя. Использование при принятии решения относительных величин К_β и К_U, характеризующих изменения состояния катодной поверхности и электрической прочности, вместо абсолютных значений микронапряженности E=βE₀ и критической напряженности E_кр 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 E_кр=1,01·10¹⁰ В/м [3], что соответствует известному способу;

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

Зависимости Е(n) и К_U(К_β), 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 К_U/К_β=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 К_U(К_β), приведенные на чертеже.

Из кривой Е(n) следует, что пробивная микронапряженность Е электрического поля превышает критическую величину E_кр=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 Е_кр. Точность определения при пробое в вакууме факта катодного механизма инициирования пробоя по известному критерию (2) составила ˜30%.

Из зависимости К_U(К_β), выходящей из начала координат под углом 45°, следует, что в результате пробоев постоянного тока относительные изменения электрической прочности К_U соответствуют относительным изменениям состояния катодной поверхности К_β. 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

К_U/К_β=1,

где K_β=β₁/β₂ - относительное изменение коэффициента β в результате пробоя вакуумного промежутка;

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

K_U=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.