автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Критерий и метод контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме

На правах рукописи

004604006

САФОНОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

КРИТЕРИЙ И МЕТОД КОНТРОЛЯ КАТОДНОГО МЕХАНИЗМА ИНИЦИИРОВАНИЯ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ИЮН 2010

Орел-2010

004604006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Емельянов Александр Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Буц Виктор Петрович

кандидат технических наук, доцент Соколовский Эдуард Иванович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Пензенский государственный

университет»

Защита состоится « 22 » июня 2010 г. в зале ученого совета (аудитория 235) в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 при ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: г. Рязань, ул. Гагарина, д.59/1

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 390005, Рязань, ул. Гагарина, д.59/1

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Автореферат разослан « » сЛ^л^р 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор 4 /О б.И. Колотилин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Наиболее важной прикладной задачей в области создания и использования электровакуумных приборов (ЭВП) является повышение электрической прочности. Повышение прочности возможно в результате контролируемого воздействия на рабочие поверхности электродов ЭВП. Эффективный контроль предполагает знание механизма, инициирующего вакуумный пробой, и наличие критерия, отражающего условия возникновения пробоя. Одним из основных механизмов вакуумного пробоя является катодный, когда инициирование пробоя связано с процессами на катоде вакуумного промежутка.

Открытие и исследование взрывной эмиссии электронов (академик Г.А. Месяц, профессора Г.Н. Фурсей, Д.И. Проскуровский, Е.А. Литвинов и др.) позволили установить, что наилучшее состояние поверхности катода, вплоть до его полировки, достигается в результате обработки импульсами тока начальной стадии взрывной эмиссии. Исследования инициирования импульсного пробоя показали, что воздействие на электроды вакуумного промежутка высоковольтных импульсов длительностью равной времени запаздывания пробоя 1и = 13 соответствует оптимальному режиму обработки электродов, улучшающему состояние катодной поверхности и повышающему электрическую прочность вакуумной изоляции.

Существующие критерии катодного механизма основаны на измерении абсолютных значений плотности автоэлектронного тока _/, микронапряженности электрического поля Е, длительности высоковольтного импульса ?„ и других величин, достижение которыми критического значения инициирует вакуумный пробой. Использование абсолютных значений физических величин, включающих систематическую ошибку измерений, приводит к погрешности вычисления критериев и снижает точность оценки механизма инициирования. При оценке механизма инициирования пробоя переход от абсолютных значений физических величин к относительным исключает влияние систематической погрешности и позволяет разработать новые критерии, обладающие повышенной точностью.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с исследованием электрической прочности вакуумной изоляции и разработкой новых критериев и методов контроля катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, обладающих повышенной' точностью, представляется актуальной.

Целью диссертационной работы является исследование электрической прочности при оптимальных режимах импульсного воздействия на электроды вакуумного промежутка, разработка критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, исключающих систематическую погрешность измерений.

Основные задачи исследования

1. Анализ оптимальных режимов импульсного кондиционирования электродов и существующих критериев и методов контроля катодного инициирования электрического пробоя в вакууме.

2. Разработка критерия катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, использующего относительные изменения характеристик состояния катодной поверхности и электрической прочности и исключающего систематическую погрешность измерений.

3. Разработка метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя, реализующего предлагаемый критерий.

4. Экспериментальная проверка эффективности предложенного критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя.

Методы исследования

При выполнении работы применялись аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализа, математической статистики и математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились на отпаянных макетах высоковольтных вакуумных конденсаторов с использованием генератора высоковольтных наносекундных импульсов и широкополосной регистрирующей аппаратуры. Обработка экспериментальных данных проводилась при помощи прикладных программных пакетов Microsoft Excel, Maple.

Научная новизна

1. Разработан новый подход к оценке эффективности оптимальных режимов обработки электродов вакуумного промежутка, использующий относительное изменение коэффициента усиления поля на микронеоднородностях катодной поверхности ß с изменением длительности воздействующих импульсов tu.

2. Разработан новый критерий катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме для электродов с развитой рабочей поверхностью, использующий относительные изменения состояния поверхности катода и электрической прочности в результате оптимальных режимов импульсного воздействия и исключающий систематическую погрешность измерений.

3. Предложен метод оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя по относительным изменениям коэффициента усиления напряженности электрического поля катодными микронеоднородностями и электрической прочности, определяемым в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования электродов.

Достоверность и обоснованность основных положений и результатов достигнута за счет анализа и обобщения известных и авторских экспериментальных данных по импульсной электрической прочности вакуумной изоляции; экспериментального подтверждения полученных в работе критерия и метода контроля и их соответствия известным теоретическим положениям;

применения современных методов исследований и статистической обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Обоснована целесообразность применения оптимальных режимов импульсного кондиционирования для получения предельной электрической прочности вакуумной изоляции, достижимой при катодном инициировании пробоя.

2. Разработан способ оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, реализующий предложенный метод обработки электродов вакуумного промежутка для импульсов разной длительности (патент РФ № 2249879).

3. Достигнуто 2-х кратное повышение точности при оценке катодного механизма инициирования пробоя в вакууме по сравнению с известными методами.

Реализация и внедрение результатов исследования

Разработанный критерий оценки катодного механизма вакуумного пробоя в импульсном режиме используется при исследовании и разработке вакуумных конденсаторов во ФГУП «НИИ Электронно-механические приборы» г. Пенза. Результаты работы внедрены в учебный процесс Орловского государственного технического университета.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Эффективность кондиционирования электродов в вакууме значительно (на два порядка) повышается при переходе от длительного воздействия высокого напряжения к воздействию импульсами, длительность которых равна времени запаздывания пробоя в диапазоне 0,1 - 1нс.

2. Использование предложенных в работе критериальных параметров, рассчитываемых по соотношениям Ки = и2\1]\ и Кр= р1/ р2, где их и и2 -

пробивные напряжения при двух значениях длительности импульсов, Р1 и р2 -коэффициенты усиления электрического поля при соответствующих значениях длительностей импульсов, Ки и Кр - коэффициенты относительного

изменения напряжения пробоя и усиления поля, существенно (в два раза) повышает достоверность результатов контроля электрической прочности вакуумных промежутков.

3. Предложенное и экспериментально обоснованное критериальное

кв

уравнение —~ =1, где Кр = Р\/ Р2 - коэффициент относительного

изменения состояния катодной поверхности, Ки~и2/и1 - коэффициент относительного изменения импульсной электрической прочности, при соблюдении условия оптимальности (равенства длительности импульса времени запаздывания пробоя /„=/.,), представляет собой новую форму критерия катодного инициирования, применимую в импульсном режиме и для электродов произвольной геометрии.

4. Разработанный метод оценки реализации катодного механизма инициирования импульсного пробоя в вакууме, заключающийся в определении коэффициентов эффективности обработки катодной поверхности Кр= рг и

повышения импульсной электрической прочности Ku=U2/U1 для последовательно подаваемых на вакуумный промежуток импульсов одинаковой или разной длительности, и последующей проверке предложенного критериального уравнения, позволяет надежно выявлять катодный механизм инициирования вакуумного пробоя и обоснованно разрабатывать технологические мероприятия, направленные на повышение электрической прочности приборов.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты работы доложены и обсуждены на

- XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Yalta, Crimea, Sept. 27, 2004 - Oct. 1, 2004 (XXI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме, Ялта, Крым, 27 сентября - 1 октября 2004г.);

Третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г.Томск, 12-14 октября 2005г.;

- VIII международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г.Новочеркасск: ЮжноРоссийский государственный технический университет (НПИ), 28 сентября 2007г.;

- X международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г.Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 23 сентября 2009г.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, две из них в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 6 таблиц. Состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 93 наименования, и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена ее цель, кратко изложены основные научные результаты, а также раскрыто научное и практическое значение работы.

В первой главе «Условия инициирования электрического пробоя в вакууме» рассмотрены физические процессы, определяющие возникновение и развитие электрического пробоя в вакууме, механизмы возникновения пробоя, а также влияние свойств поверхности и конфигурации электродов на его инициирование. Проведен анализ существующих методов, используемых при оценке катодного механизма инициирования пробоя в вакууме и режимов импульсного кондиционирования электродов. В результате анализа

существующих критериев и методов оценки и контроля катодного механизма инициирования пробоя и режимов электроимпульсного воздействия на электроды вакуумного промежутка сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе «Оптимальные режимы импульсного кондиционирования электродов в вакууме» рассмотрены оптимальные режимы высоковольтного кондиционирования, заключающиеся в воздействии на поверхность катода электрических импульсов длительностью, равной времени запаздывания пробоя 1и = Л,, и проведен анализ эффективности такого воздействия. Рассмотрено влияние длительности /ц = 13 воздействующего импульса на состояние катодной поверхности и электрическую прочность вакуумной изоляции.

Эффективность воздействия оценена по изменению коэффициента усиления поля р на микронеоднородностях катодной поверхности. Зависимость коэффициента усиления р от длительности кондиционирующих импульсов /„«/3, построенная на основе анализа и обобщения известных экспериментальных результатов по времени запаздывания для медных электродов приведена на рисунке 1.

р Из кривой р = /(О следует,

что с уменьшением длительности при (и<10'7с происходит существенное снижение коэффициента усиления поля Р (более чем на два порядка), означающее повышение эффективности воздействия на поверхность катода и улучшение ее качества. При длительностях ;ц>10~7с коэффициент усиления поля практически не меняется с изменением длительности импульсов. Эффективность импульсной обработки в этом случае не отличается от эффективности кондиционирования на постоянном токе.

Полагая коэффициент усиления поля Р0, полученный в микросекундном диапазоне длительностей, соответствующим кондиционированию в стационарном режиме, где Ри - коэффициент усиления, полученный в результате импульсной обработки, введен коэффициент относительной эффективности импульсной обработки катода вакуумного промежутка

(1)

Рисунок 1 - Коэффициент усиления поля как функция длительности кондиционирующих импульсов ~ 1Ъ для медных электродов (экспериментальные результаты)

кп-Л.

А,

По кривым Р = /(<„)> на основании соотношения (1), построены зависимости Кр{,¿„), характеризующие относительное изменение эффективности обработки поверхности катода для разных материалов в результате кондиционирования импульсами /ц «. Кривая Кр (¡и),

объединяющая результаты для Си, А1, Мо, N1, , вместе с точками, полученными в результате обработки экспериментальных данных по времени запаздывания, приведена на рисунке 2.

Из кривой Кр (/„) следует, что эффективность оптимальных режимов

кондиционирования растет по мере уменьшения длительности импульса. Изменение длительности на четыре порядка от Ю-6 с до /м <1(Г10с приводит к изменению коэффициента эффективности Кр более чем на два порядка величины. Для выполнения условия = 13 при уменьшении длительности импульсов необходимо соответствующее повышение их амплитуды.

По известным экспериментальным данным и результатам авторских экспериментов по времени запаздывания вакуумного пробоя построен график зависимости /3{Е0) (рисунок 3), отвечающий условиям оптимальности импульсного кондиционирования для разных материалов, полученным в межэлектродных промежутках Змкм<с1<20см, в существенно большем диапазоне напряженностей 1,5-107 <Е0 <1,3'Ю|05/л(, чем было до наших исследований.

103

1<Я

\

<3 \ <3

ь,,

ю-10 1а' ю-8 ю-' ю-6

Рисунок 2 - Эффективность импульсных режимов кондиционирования как функция длительности импульсов

о-Си; < -М; >-А1;+-Мо;0-Ге

101

103

ОСи 0« (•й <Ш »Л * (Г .Сг

е0> в/и

Рисунок 3 - Коэффициент усиления поля после кондиционирования импульсами и г3 электродов из разных материалов как функция макронапряженности электрического поля, инициирующей пробой

Экспериментальные точки с малым разбросом укладываются на одну кривую, которая аппроксимируется выражением

/? = 1,28-109 £0"°'9. (2)

Качество катодной поверхности в результате оптимальных режимов обработки определяется только макронапряженностью поля, инициирующего пробой, и повышается с ростом мощности кондиционирующих импульсов по мере приближения напряженности к критическому значению 1,32-10105/л<. Реализация оптимальных режимов кондиционирования дает возможность получения заданной электрической прочности путем выбора длительности импульсов, изменяя при этом коэффициент усиления поля более чем на два порядка величины. При условии катодного инициирования такая обработка катода дает основания для значительного повышения электрической прочности вакуумной изоляции и достижения ею предельных значений, что существенно повышает надежность вакуумной изоляции.

В третьей главе «Разработка критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме» получена искомая функциональная зависимость времени запаздывания пробоя от величины напряженности поля /3 (Е). Введен новый критерий катодного инициирования, основывающийся на определении относительных изменений качества поверхности катода и импульсной электрической прочности под воздействием оптимальных режимов кондиционирования, а также разработан метод контроля катодного механизма, существенно уменьшающий систематическую погрешность измерений.

При численном решении задачи джоулева разогрева микроэмитгера автоэлектронным током получена зависимость времени запаздывания от напряженности поля (3(Екр). Из представления на одном графике (рисунок 4)

г„ не зависимостей времени запаздывания

пробоя от макронапряженности 13(Е0) и микронапряженности 13(Екр) электрического поля следует, что с ростом напряженности кривые 73(£0) и 13(Екр) сближаются и сходятся при некоторой критической напряженности

Е,В'м Е0=Екр=1,32-Ю10В/м, (3)

кондиционирование при которой дает идеальную поверхность с коэффициентом усиления /7 = 1. С учетом (3), выражение (2) представляется в виде

0,2 0,16 0,12 0,08 0,04 О

210 6-10* 1010'141091810-----£„

Рисунок 4 - Зависимости времени запаздывания пробоя от напряженности электрического поля на катоде для медных электродов

\0,9

Р =

Еп

(4)

Учитывая, что кондиционирование электродов импульсами разной длительности и /2 приводит к различным состояниям поверхности катода Д и р2, и разным значениям импульсного напряжения пробоя (/, и С/,, и электрической прочности Ет и Е01, предложен новый критерий катодного инициирования

где Кр= Д/Д2 - коэффициент относительного изменения качества поверхности, К1Г=и21их - коэффициент относительного изменения пробивного напряжения. Использование данных коэффициентов позволяет исключить систематическую погрешность измерений.

Критериальное уравнение (5) связывает относительные изменения качества поверхности катода и импульсной электрической прочности в результате оптимальных режимов кондиционирования.

Критерий (5) может быть применен и для импульсов одной длительности. Первый пробой с напряжением их формирует поверхность с коэффициентом Д, который в свою очередь влияет на напряжение следующего пробоя 112. При этом формируется поверхность с коэффициентом усиления поля р2. Используя коэффициенты эффективности обработки катодной поверхности Кр= Д/Р2 и изменения электрической прочности Ки=1/2/и1 при переходе от одного импульса к другому проверяется выполнение критерия (5).

Метод оценки катодного механизма состоит в определении относительных изменений состояния поверхности катода Кр и импульсной

электрической прочности Ки в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования для импульсов одинаковой или разной длительности и проверке критерия (5).

Предложен способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме (патент РФ № 2249879). Состояние поверхности катода оценивают по величине коэффициента р, определяемого по крутизне вольтамперных характеристик в координатах Фаулера - Нордгейма )= /0/^о) в режиме

постоянного тока. Электрическую прочность определяют по напряжению пробоя в импульсном режиме.

Способ включает: построение токовой характеристики и определение коэффициента усиления Д; воздействие на промежуток высоковольтного импульса и измерение напряжения пробоя при минимальном перенапряжении, когда = /3; повторение упомянутых операций до достижения установившихся значений коэффициента Р и напряжения пробоя. После обработки катода импульсами одной длительности = процедуру повторяют на импульсах другой длительности /ц = /2 и проверяют выполнение критерия (5).

В четвертой главе «Экспериментальная проверка разработанного метода контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме» приведено описание оборудования и результатов экспериментальной проверки предложенных критерия и метода контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме.

Проверка предложенных критерия и метода оценки катодного инициирования осуществлялась на коаксиальных медных электродах вакуумного конденсатора (рисунок 5) площадью 5 = 2500мм2 при величине межэлектродного зазора с! = 0,2мм и остаточном давлении Ри 10"5Па.

В эксперименте были использованы высоковольтные импульсы длительностью = 200не и 1иг = 50нс при минимальном перенапряжении. Перед каждым импульсным воздействием в режиме постоянного тока снималась вольтамперная характеристика, по крутизне которой в координатах Фаулера - Нордгейма определялся коэффициент усиления поля .

кзар

Рисунок 5 - Макет вакуумного конденсатора

Рисунок 6 - Принципиальная схема генератора наносекундных импульсов: Л70 - источник высокого напряжения; Язар - зарядный резистор; Р-разрядник; Ш - безиндуктивная шина

После измерений на постоянном токе и оценки параметра /? на промежуток подавались импульсы, амплитуду которых последовательно повышали с шагом 1кВ до возникновения при минимальном перенапряжении первого пробоя. Схема генератора наносекундных импульсов представлена на рисунке 6. Перед началом измерений на каждой длительности осуществлялось кондиционирование импульсами ги = до достижения установившихся значений коэффициента усиления и напряжения пробоя. Обработка катода при минимальном перенапряжении соответствует оптимальным режимам импульсного кондиционирования.

На рисунке 7 приведены графики изменения коэффициента усиления поля, и определяемого им напряжения первого импульсного пробоя в

установившемся режиме с числом импульсов длительностью tuX = 200не и /„2=50 не.

а Ь

« п

Рисунок 7 — Изменение напряжения первого пробоя и коэффициента усиления поля с числом импульсов длительностью tu = 13 в установившемся режиме: а-= 200нс; Ь - tu2 = 50нс; и-U;*- р.

Из сопоставления кривых /?(«) и и{п) при tu- const следует, что изменение коэффициента Р, определяющего состояние поверхности, коррелирует с изменением пробивного напряжения. Корреляция изменений U и р подтверждает ответственность катодных процессов за инициирование импульсного пробоя.

В результате обработки катода импульсами tuX = 200«с сформирована поверхность с коэффициентом усиления поля 72 < Д < 266 при среднем значении Д=110. Такому состоянию поверхности соответствует импульсное напряжение пробоя 9<U\ < 30кВ при среднем значении £/j=24k5. Воздействие импульсов /и2 = 50нс улучшило состояние поверхности, снизив коэффициент усиления поля 59</?2^131 при среднем значении Рг=П и увеличив пробивное напряжение 14 <£/2-41*5 при среднем значении (/2 = ЪАкВ. Импульсная электрическая прочность при этом увеличилась с £01 =1,2-10*В/м до Ё02 =1,7-10sВ/м.

Уменьшение длительности кондиционирующих импульсов в четыре раза привело к ~40% повышению качества поверхности катода и электрической прочности и ~ 40% сокращением относительной погрешности этих величин.

Критические значения микронапряженности, полученные с расчетной кривой t3[Ev) для меди (рисунок 8), составили ЕЫр = 7,45-109Д/.м; Е2 = 8,00 -Ю9 В/м.

(„ кс НО

200

150

100

50

О

1 \ \

\ \

\

\

чу

710 ' 7,410 * 7,8-10 ! 8,210" 8,610 ' 910*

Еч, ВЫ

Рисунок 8 - Зависимость времени запаздывания пробоя от критической напряженности электрического поля на катоде для медных электродов

0 12 3 4

Кр

Рисунок 9 - Изменение пробивного напряжения с изменением состояния катодной поверхности в результате воздействия импульсного напряжения

Оценка катодного механизма инициирования пробоя по абсолютной величине пробивной микронапряженности поля /ЗЕ0 = Екр показала, что

средняя микронапряженность на -60 % превышает ее расчетное значение.

Использование коэффициентов относительного изменения качества поверхности Кр=р1Ц52 и пробивного напряжения Ки =С12/и] позволяет

существенно снизить погрешность измерения до значения, соответствующего относительному разбросу величин, определяемому условиями эксперимента. Зависимость Ки = /[Кр), характеризующая изменение пробивного

напряжения с изменением состояния катодной поверхности в результате воздействия импульсного напряжения, приведена на рисунке 9.

Экспериментальные точки удовлетворяют степенной зависимости Ки=К{р, подтверждая катодный механизм инициирования. Получено

линейное уравнение регрессии Ки = 0,89 К р1 + 0,26 с достоверностью аппроксимации 85%. Среднее значение, рассчитанное по критерию (5), составило Кр/Кц-9 =0,99.

Стандартное отклонение результатов измерения при этом уменьшилось до ~ 30 % по сравнению с погрешностью, рассчитанной по абсолютным величинам и составлявшей ~ 60 %.

Погрешность оценки катодного механизма инициирования по критерию (5) с использованием средних значений коэффициентов Ки = 1,60 и Кр= 1,52

составила менее 1 %, указывая на исключение систематической погрешности измерений. Экспериментальные точки удовлетворяют степенной зависимости Ки =КХд , со средним относительным отклонением от нее порядка 11%, что

подтверждает выполнение катодного механизма инициирования вакуумного пробоя.

С использованием предложенной методики оценки катодного инициирования к последовательно подаваемым импульсам одинаковой длительности tu =200не получены графики изменения величин K(J =U2/Ui и Кр = PilPi, выполненные в логарифмическом масштабе, которые показывают степень их корреляции между собой (рисунок 10).

Уравнение регрессии, рассчитанное по методу наименьших квадратов при помощи математического пакета Excel, имеет вид Ки = 1,005Л"^°5 и

представлено на рисунке 11. Средние значения величин относительного изменения качества поверхности и повышения электрической прочности составили Кр= 1,06, К и =1,08, Кpj Kf/ = 0,98. Проверка критерия по средним значениям дала погрешность ~ 2%.

При исследовании степенной зависимости Ки = К1р получено линейное

уравнение регрессии, которое имеет вид Ки = 0,94К^р + 0,08, с достоверностью аппроксимации 88%. Экспериментальные точки удовлетворяют степенной зависимости Ки = Кр1, со средним относительным отклонением от нее около

12%, подтверждая выполнение критерия катодного механизма.

В целом точность оценки импульсного кондиционирования по предложенному критерию превысила точность оценки по известным критериям в два раза.

3

К/

Рисунок 10 - Графики изменения величин Кр и К у для импульсов

(и = 200не, выполненные в логарифмическом масштабе: в - Кр, ▲ - Ки

Рисунок 11 - Коэффициент повышения электрической прочности как функция коэффициента эффективности обработки катодной поверхности при оптимальных режимах кондиционирования импульсами = 200нс

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследована эффективность оптимальных режимов обработки поверхности катода вакуумного промежутка импульсами длительностью равной времени запаздывания пробоя ги=/3. Предложен новый подход к оценке эффективности оптимальных режимов обработки электродов в вакууме, использующий относительные изменения коэффициента усиления поля на катодных микронеоднородностях /3 с изменением длительности импульсов.

2. Показано, что с уменьшением длительности кондиционирующих импульсов в диапазоне 10_11с</и <10-7с коэффициент усиления поля на катодных микронеоднородностях, характеризующий качество поверхности катода, уменьшается более чем на два порядка величины до минимально возможного значения >3 = 1, соответствующего идеально гладкой поверхности. Для выполнения условия оптимальности при уменьшении длительности импульсов необходимо увеличивать амплитуду импульсов. Качество катодной поверхности в результате обработки импульсами 1и = /3 определяется только макронапряженностью поля, при этом коэффициент усиления поля удовлетворяет выражению Р = 1,28 • 109£^'9.

3. Разработан новый критерий катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме для электродов с развитой рабочей поверхностью Кр/Кц9= 1, основанный на сравнении относительных изменений состояния катодной поверхности К^=р1/р2 и импульсной электрической прочности Ки =и2/их в результате воздействия импульсов /ц = Л, и исключающий систематическую погрешность измерений.

4. Предложен метод оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, включающий определение относительных изменений состояния поверхности катода Кр и импульсной электрической прочности Ки в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования для импульсов одинаковой или разной длительности и проверку выполнения разработанного критерия.

5. Метод реализован в виде способа оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме (патент РФ 2249879 Н0П21/00).

6. Осуществлена экспериментальная проверка разработанного метода оценки катодного механизма вакуумного пробоя на макетах вакуумных конденсаторов. Показано, что метод обладает повышенной точностью. Проверка критерия Кр/Кц9 = 1 по средним значениям критериальных параметров Ки и Кр для различных длительностей кондиционирующего

импульса дала погрешность ~ 1%, для одной длительности — 2%. Достигнуто 2-х кратное повышение точности оценки катодного механизма инициирования по сравнению с известными способами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емельянов, АЛ. О катодном инициировании вакуумного пробоя в импульсном режиме / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 30. - Вып. 20 - С.55-61 (Emelyanov, А.А. Cathode -Initiated Vacuum Breakdown in a Pulse Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova // Technical Physics Letters. - 2004 - Vol. 30. - No. 10. - P.868 - 870) (рекомендован ВАК)

2. Emelyanov, A.A. Optimal Conditions EfFicienty for Pulse Increasing the Breakdown Strength of Vacuum Insulation / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.9 -11.

3. Emelyanov, A.A. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in DC Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.12 -13.

4. Emelyanov, A.A. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in Pulse Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.14 -16.

5. Патент РФ 2249879 H01J21/00 Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова, заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. - Опубл. 10.04.2005. - Бюл. №10.

6. Емельянов, А.А. Импульсная электрическая прочность сантиметровых вакуумных промежутков / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова // Материалы третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления». - Томск, 2005. - 4.1 - С. 195 -197.

7. Emelyanov, А.А. Estimation of cathode-initiated breakdown in vacuum / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation. - 2006. - Vol. 1. - N. 1. - P. 26 - 33. (рекомендован ВАК)

8. Сафонова, Т.Н. Критерии и методы контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме / Т.Н. Сафонова // Материалы VIII международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики»,- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - С.88 - 91.

9. Сафонова, Т.Н. Экспериментальная проверка метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме / Т.Н. Сафонова II Материалы X международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. - С.4 - 8.

Орловский государственный технический университет Лицензия № 00670 от 05.01.2000 Подписано в печать 12.05.10. Формат 60 х 841/16 Печать офсетная. Объем 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ОрелГТУ 302030, г. Орел, ул. Московская, 65

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ В ВАКУУМЕ.

1.1 Физические процессы, определяющие возникновение и развитие электрического пробоя в вакууме.

1.2 Механизмы инициирования пробоя в вакууме.

1.3 Влияние свойств поверхности и конфигурации электродов на инициирование пробоя.

1.3.1 Макрогеометрические параметры электродов.

I 1.3.2 Микрогеометрия электродной поверхности.

1.3.3 Подготовка поверхности электродов.

1.4 Импульсный пробой вакуумной изоляции.

1.5 Существующие критерии и методы контроля инициирования пробоя в вакууме.

1.6 Постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2 ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ИМПУЛЬСНОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ В ВАКУУМЕ.

2.1 Анализ режимов кондиционирования электродов в вакууме. 2.2 Эффективность оптимальных режимов импульсного кондиционирования

2.3 Достижение предельных значений электрической прочности вакуумной изоляции.

2.4 Выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЯ И МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАТОДНОГО МЕХАНИЗМА ИНИЦИИРОВАНИЯ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ.

3.1 Расчет зависимости времени запаздывания пробоя от напряженности I электрического поля.

3.2 Критерий инициирования пробоя в вакууме, основанный на относительных величинах.

3.3 Малые изменения состояния поверхности.

3.4 Метод и способ контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме, реализующий предложенный критерий.

3.5 Выводы по 3 главе.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАТОДНОГО МЕХАНИЗМА ИНИЦИИРОВАНИЯ ПРОБОЯ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ.

4.1 Экспериментальная установка.

4.2 Погрешности измерений.

4.3 Экспериментальные исследования коэффициента усиления поля и импульсной электрической прочности.

4.4 Оценка катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме по относительным величинам.

4.5 Выводы по 4 главе.

Актуальность работы

Многие высоковольтные электрические приборы и аппараты, такие как электронно-оптические преобразователи, фотоэлектронные умножители, вакуумные конденсаторы и разрядники, рентгеновские трубки и электронные микроскопы, ускорители и сепараторы заряженных частиц и т.п. используют в качестве изолятора вакуум как среду с высокой электрической прочностью. Однако, при определенных напряженностях электрического поля в вакуумном промежутке возможно нарушение изоляции, приводящее к возникновению пробоя.

Наиболее важной прикладной задачей в области создания и использования электровакуумных приборов (ЭВП) является повышение электрической прочности. Решение этой задачи приводит к необходимости изменять свойства рабочих поверхностей приборов, а это в свою очередь приводит к необходимости контроля состояния и многочисленных процессов на поверхности электродов. Такой контроль параметров и процессов дает возможность целенаправленно изменять свойства поверхности, и как следствие, и вакуумной прочности. Для эффективного контроля необходимо знание механизмов, приводящих к пробою при воздействии высокого напряжения, а так же количественных критериев этих процессов. При наличии численных критериев можно перейти к точному прогнозируемому изменению качества поверхности, что позволит не только изменять ее параметры и качество, но и осуществлять неразрушающий контроль механизмов инициирования пробоя. Инициирование вакуумного пробоя может быть вызвано взрывным разрушением эмиттирующего катодного выступа, нагрева и испарения в результате электронной бомбардировки материала анода, взаимодействия электродов с микро- и макрочастицами, разрушающим действием электростатического поля и др.

Основная задача контроля состояния поверхности катода, состоящая в повышении прочности вакуумной изоляции, достигается различными способами высоковольтного кондиционирования. В настоящее время разработано множество методов обработки поверхности: пробоями, тлеющим разрядом, предпробойными токами.

Открытие и исследование взрывной эмиссии электронов (академик Г.А. Месяц, профессора Г.Н. Фурсей, Д.И. Проскуровский, Е.А. Литвинов и др.) позволили установить, что наилучшее состояние поверхности катода, вплоть до его полировки, достигается в результате обработки импульсами тока начальной стадии взрывной эмиссии (ВЭЭ). При воздействии на вакуумный промежуток коротких высоковольтных импульсов ведущую роль в механизме пробоя играют процессы на катоде, а именно ток автоэлектронной эмиссии с микронеровностей на поверхности, что приводит к их разрушению и возникновению ВЭЭ. Таким образом, использование импульсного кондиционирования сокращает число возможных механизмов инициирования вакуумного пробоя, при этом основным остается катодный механизм, обусловленный тепловым разрушением эмиттирующего выступа катодной поверхности протекающим через него термоавтоэлектронным током.

Режимы кондиционирования, использующие начальные стадии ВЭЭ, основаны на инерционности процессов, приводящих к разрушению эмиттирующего микровыступа катодной поверхности, которые возникают через некоторое время запаздывания после прихода высоковольтного импульса на вакуумный промежуток. Поэтому при кондиционировании вакуумного промежутка импульсами длительностью равной времени запаздывания пробоя, будет происходить разрушение микроэмиттеров, но разряд при этом возникать не будет. Исследование этих режимов кондиционирования в зависимости от длительности импульса и величины межэлектродного промежутка позволит выбрать наиболее оптимальное воздействие с целью достижения предельных электрических прочностей и существенного повышения надежности вакуумной изоляции.

Для контроля этих процессов необходимо знание критериев катодного инициирования. Критерии катодного механизма отражают условия инициирования пробоя, которые изменяются при переходе от стационарного режима к импульсному или при изменении геометрии электродов. Существующие критерии катодного механизма инициирования вакуумного пробоя основаны на измерении абсолютных величин микронапряженности электрического поля на катоде Е (критерий Альперта) и плотности автоэлектронного тока j (критерий Дайка), достижение которыми критических значений приводит к возникновению вакуумного пробоя. Недостатком первого способа оценки катодного механизма инициирования пробоя, основанного на измерении напряженности, является то, что он применим только в стационарном режиме; второго, основанного на измерении плотности тока, что он используется только для эмиттеров известной геометрической формы. Кроме того, эти критерии приводят к возникновению систематической ошибки измерений. Поэтому разработка нового критерия и метода контроля механизма инициирования пробоя в вакууме, повышающих эффективность оценки и распространяющихся на импульсный режим и электроды любой геометрии, а так же существенно уменьшающих систематическую погрешность измерений актуальна при создании и эксплуатации высоковольтных электровакуумных приборов, аппаратов и конструкций.

Целью диссертационной работы является исследование электрической прочности при оптимальных режимах импульсного воздействия на электроды вакуумного промежутка, разработка критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, исключающих систематическую погрешность измерений.

Основные задачи исследования

1. Анализ оптимальных режимов импульсного кондиционирования электродов и существующих критериев и методов контроля катодного инициирования электрического пробоя в вакууме.

2. Разработка критерия катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, использующего относительные изменения характеристик состояния катодной поверхности и электрической прочности и исключающего систематическую погрешность измерений.

3. Разработка метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя, реализующего предлагаемый критерий.

4. Экспериментальная проверка эффективности предложенного критерия и метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя.

Методы исследования

При выполнении работы применялись аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализа, математической статистики и математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились на установке с использованием генератора высоковольтных наносекундных импульсов и широкополосной регистрирующей аппаратуры. Обработка экспериментальных данных проводилась при помощи прикладных программных пакетов Microsoft Excel, Maple.

Научная новизна

1. Разработан новый подход к оценке эффективности оптимальных режимов обработки электродов вакуумного промежутка, использующий относительное изменение коэффициента усиления поля на микронеоднородностях катодной поверхности j3 с изменением длительности воздействующих импульсов tu.

2. Разработан новый критерий катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме для электродов с развитой рабочей поверхностью, использующий относительные изменения состояния поверхности катода и электрической прочности в результате оптимальных режимов импульсного воздействия и исключающий систематическую погрешность измерений.

3. Предложен метод оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя по относительным изменениям коэффициента усиления напряженности электрического поля катодными микронеоднородностями и электрической прочности, определяемым в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования электродов.

Достоверность и обоснованность основных положений и результатов достигнута за счет анализа и обобщения известных и авторских экспериментальных данных по импульсной электрической прочности вакуумной изоляции; экспериментального подтверждения полученных в работе критерия и метода контроля и их соответствия известным теоретическим положениям; применения современных методов исследований и статистической обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость

1. Обоснована целесообразность применения оптимальных режимов импульсного кондиционирования для получения предельной электрической прочности вакуумной изоляции, достижимой при катодном инициировании пробоя.

2. Разработан способ оценки катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме, реализующий предложенный метод обработки электродов вакуумного промежутка для импульсов разной длительности (патент РФ № 2249879).

3. Достигнуто 2-х кратное повышение точности при оценке катодного механизма инициирования пробоя в вакууме по сравнению с известными методами.

Реализация и внедрение результатов исследования

Разработанный критерий оценки катодного механизма вакуумного пробоя в импульсном режиме используется при исследовании и разработке вакуумных конденсаторов во ФГУП «НИИ Электронно-механические приборы» г. Пенза (Приложение А2). Результаты работы внедрены в учебный процесс в Орловском государственном техническом университете (Приложение A3).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Эффективность кондиционирования электродов в вакууме значительно (на два порядка) повышается при переходе от длительного воздействия высокого напряжения к воздействию импульсами, длительность которых равна времени запаздывания пробоя в диапазоне 0,1 - 1нс.

2. Использование предложенных в работе критериальных параметров, рассчитываемых по соотношениям Ки = U2/Ul и Кр= /Зх/ /32, где Ux и U2 пробивные напряжения при двух значениях длительности импульсов, Д и /?2 -коэффициенты усиления электрического поля при соответствующих значениях длительностей импульсов, Ки и Кр - коэффициенты относительного изменения напряжения пробоя и усиления поля, существенно (в два раза) повышает достоверность результатов контроля электрической прочности вакуумных промежутков.

3. Предложенное и экспериментально обоснованное критериальное

КР уравнение —^ К?;9 1, где Кр= Д /Р2 ~ коэффициент относительного

И "3 изменения состояния катодной поверхности, Ku=U2/Ul - коэффициент относительного изменения импульсной электрической прочности, при соблюдении условия оптимальности (равенства длительности импульса времени запаздывания пробоя tu = t3), представляет собой новую форму критерия катодного инициирования, применимую в импульсном режиме и для электродов произвольной геометрии.

4. Разработанный метод оценки реализации катодного механизма инициирования импульсного пробоя в вакууме, заключающийся в определении коэффициентов эффективности обработки катодной поверхности Кр = Д //?2 и повышения импульсной электрической прочности Ки =U2/Ul для последовательно подаваемых на вакуумный промежуток импульсов одинаковой или разной длительности, и последующей проверке предложенного критериального уравнения, позволяет надежно выявлять катодный механизм инициирования вакуумного пробоя и обоснованно разрабатывать технологические мероприятия, направленные на повышение электрической прочности приборов.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты работы доложены и обсуждены на

- XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Yalta, Crimea, Sept. 27, 2004 - Oct. 1, 2004 (XXI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме, Ялта, Крым, 27 сентября - 1 октября 2004г).

Третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» г.Томск, 12-14 октября 2005г.

- VIII международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» г. Новочеркасск: ЮжноРоссийский государственный технический университет (НПИ), 28 сентября 2007г.

- X международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» г.Новочеркасск: ЮжноРоссийский государственный технический университет (НПИ), 23 сентября 2009г.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емельянов, А.А. О катодном инициировании вакуумного пробоя в импульсном режиме / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 30. - Вып. 20 - С.55-61 ( Emelyanov, А.А. Cathode -Initiated Vacuum Breakdown in a Pulse Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova // Technical Physics Letters. - 2004 - Vol. 30. - No. 10. - P.868 - 870) (рекомендован ВАК )

2. Emelyanov, A.A. Optimal Conditions Efficiency for Pulse Increasing the Breakdown Strength of Vacuum Insulation / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N.

Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.9 -11.

3. Emelyanov, A.A. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in DC Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P. 12 - 13.

4. Emelyanov, A.A. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in Pulse Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV - Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P. 14 - 16.

5. Патент РФ 2249879 H01J21/00 Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова, заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. — Опубл. 10.04.2005. — Бюл. № 10.

6. Емельянов, А.А. Импульсная электрическая прочность сантиметровых вакуумных промежутков / А.А. Емельянов, Е.А. Емельянова, Т.Н. Сафонова // Материалы третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления». — Томск, 2005. — 4.1 - С. 195 — 197.

7. Emelyanov, А.А. Estimation of cathode-initiated breakdown in vacuum / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation. - 2006. - Vol. 13. - N. 1. - P. 26 - 33. (рекомендован ВАК)

8. Сафонова, Т.Н. Критерии и методы контроля катодного механизма инициирования пробоя в импульсном режиме / Т.Н. Сафонова // Материалы VIII международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - С.88 -91.

9. Сафонова, Т.Н. Экспериментальная проверка метода контроля катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме / Т.Н. Сафонова // Материалы X международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. - С.4 - 8. Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 6 таблиц. Состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 93 наименования, и приложений.

4.5 Выводы по 4 главе

1. Экспериментальные результаты, отражающие изменение катодной поверхности и импульсной электрической прочности при использовании оптимальных режимов кондиционирования дают количественную оценку при определении пробивной микронапряженности и сравнении ее с критическим значением. Использование этого критерия возникновения пробоя приводит к возникновению погрешности (случайной и систематической), которая в проведенном эксперименте составляет ~60 %, тогда как относительный разброс отдельных значений микронапряженности, определяемый условиями проведения эксперимента не превышает 32 %.

2. Существенно уменьшить систематическую погрешность и перейти к погрешности, определяемой условиями эксперимента, позволяет разработанный в работе критерий относительного изменения качества поверхности и импульсного пробивного напряжения в результате воздействия импульсов различной длительности tul = 200не и tu2 = 50нс, или последовательного воздействия импульсами одинаковой длительности.

3. Стандартное отклонение результатов измерения при этом уменьшилось до 32 %, по сравнению с погрешностью, рассчитанной по абсолютным величинам и составлявшей 60 %. Таким образом, применение критерия, использующего относительные величины, позволило привести погрешность измерения к значению, соответствующему относительному разбросу величин, определяемому условиями эксперимента.

4. Среднее значение, рассчитанное по критерию (3.22) для разных длительностей импульсного воздействия составило Кр /Кц'9 = 1,01. Проверка критерия (3.22) по средним значениям Ки =1,60 и Кр =1,52 дала погрешность менее 1 %.

5. По методу наименьших квадратов получено линейное уравнение регрессии на графике экспериментальных результатов Ки =0,89КХр +0,26, с достоверностью аппроксимации 85% для случая импульсов разной длительности tuX =200не и tu2 =50не.

6. Средние значения величин относительного изменения качества поверхности и повышения электрической прочности для одной длительности t„ = 200нс составили Кр =1,06, К и =1,08, Кр/К£'9 = 0,98. Проверка критерия по средним значениям дает погрешность ~ 2%. Линейное уравнение регрессии для зависимости Ки = КХр имеет вид Ки = 0,94^' + 0,08, с достоверностью аппроксимации 88%.

7. Точность оценки катодного инициирования по средним значениям с использованием предложенного критерия в два раза превысила точность оценивания по критерию, использующему абсолютные величины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследована эффективность оптимальных режимов обработки поверхности катода вакуумного промежутка импульсами длительностью равной времени запаздывания пробоя tu=t3. Предложен новый подход к оценке эффективности оптимальных режимов обработки электродов в вакууме, использующий относительные изменения коэффициента усиления поля на катодных микронеоднородностях /? с изменением длительности импульсов.

2. Показано, что с уменьшением длительности кондиционирующих 1 1 7 импульсов в диапазоне 10 <?</н<10 с коэффициент усиления поля на катодных микронеоднородностях, характеризующий качество поверхности катода, уменьшается более чем на два порядка величины до минимально возможного значения /? = 1, соответствующего идеально гладкой поверхности. Для выполнения условия оптимальности при уменьшении длительности импульсов необходимо увеличивать амплитуду импульсов. Качество катодной поверхности в результате обработки импульсами tu = t3 определяется только макронапряженностью поля, при этом коэффициент усиления поля удовлетворяет выражению /? = 1,28 • Ю9^0'9.

3. Разработан новый критерий катодного механизма инициирования вакуумного пробоя в импульсном режиме для электродов с развитой рабочей поверхностью KpjK^f -1, основанный на сравнении относительных изменений состояния катодной поверхности Кр = Р\/ и импульсной электрической прочности Ku=U2IUx в результате воздействия импульсов tu = t3 и исключающий систематическую погрешность измерений.

4. Предложен метод оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме, включающий определение относительных изменений состояния поверхности катода Кр и импульсной электрической прочности Ки в результате оптимальных режимов импульсного кондиционирования для импульсов одинаковой или разной длительности и проверку выполнения разработанного критерия.

5. Метод реализован в виде способа оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме (патент РФ 2249879 H01J21/00), и осуществляется следующим образом. На вакуумный промежуток подается постоянное напряжение, измеряется предпробойный ток, строится ВАХ в Ф-Н координатах и по ней определяется коэффициент усиления поля на микронеоднородностях катодной поверхности. Затем при минимальном перенапряжении подается импульс фиксированной длительности и измеряется напряжение импульсного пробоя. Все операции повторяются до получения установившихся значений коэффициента усиления поля и напряжения импульсного пробоя при выбранной длительности импульса. После чего операции повторяются для другой длительности импульса и проверяется выполнение разработанного критерия.

6. Осуществлена экспериментальная проверка разработанного метода оценки катодного механизма вакуумного пробоя на макетах вакуумных конденсаторов. Показано, что метод обладает повышенной точностью.

Проверка критерия Кр jК^9 =1 по средним значениям критериальных параметров Ки и Кр для различных длительностей кондиционирующего импульса дала погрешность ~ 1%, для одной длительности--2%. Достигнуто

2-х кратное повышение точности оценки катодного механизма инициирования по сравнению с известными способами.

1. Сливков, И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме / И.Н.Сливков. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-256 е.: ил.

2. Месяц, Г.А. Импульсный электрический разряд в вакууме / Г.А.Месяц, Д.И.Проскуровский. Новосибирск: Наука, 1984. - 256 е.: ил.

3. Королев, Ю.Д. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде / Ю.Д. Королев, Г.А.Месяц. Новосибирск: Наука, 1982. - 255 е.: ил.

4. Латам, Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения: пер. с англ. / Р.Латам. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 192 е.: ил.

5. Кесаев, И.Г. Катодные процессы электрической дуги / И.Г. Кесаев — М.: Наука, 1968.-246 е.: ил.

6. Сливков, И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме / И.Н.Сливков. М.: Атомиздат, 1972. - 304 е.: ил.

7. Покровская Соболева, А.С. Влияние на вакуумный пробой микрорельефа поверхности катода / А.С. Покровская - Соболева, В.В. Крафт, Т.С. Борисова и др. // ЖТФ. - 1972. - Т. 42. - № 6. - С. 1318 - 1320.

8. Добрецов, Л.Н. Эмиссионная электроника / Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова. -М.: Наука, 1996. -546 е.: ил.

9. Фридрихов, С.А. Физические основы электронной техники: учебник для вузов / С.А. Фридрихов, С.М. Мовнин. М.: Наука, 1982. -608 с.

10. Подгорный, В.И. Основы физики термоэлектронной эмиссии: учеб. пособие / В.И. Подгорный. Петрозаводск: ПетрГУ, 1996. - 192 с.

11. Бродский, A.M. Теория электронной эмиссии из металлов / A.M. Бродский, Ю.А. Гуревич-М.: Наука, 1973

12. Подгорный, В.И. Основы физики эмиссионных процессов на поверхности твердых тел : учеб. пособие / В.И. Подгорный. — Петрозаводск: ПетрГУ, 1998. 176 с.

13. Елинсон, М.И. Автоэлектронная эмиссия / М.И.Елинсон, Г.Ф.Васильев. М.: Физматгиз, 1958. - 272 с.

14. Емельянов, А.А. Импульсное электрическое кондиционирование электродов в вакууме / А.А.Емельянов. Усть-Каменогорск: ВКТУ им. Д.Серикбаева, 1999. - 184 с.

15. Эмиссионная сильноточная электроника / Ю.А.Баренгольц и др.; под ред. Г.А Месяца. Новосибирск: Наука, 1984. - 112 е.: ил.

16. Ненакаливаемые катоды / Г.А.Кудинцева и др.; под ред. М.И.Елинсона. М.: Советское радио, 1974. - 336 с.

17. Шешин, Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов / Е.П.Шешин. М.: Издательство МФТИ, 2001. — 288 с.

18. Автоэлектронная эмиссия полупроводников: пер. с нем. / Р.Фишер и др.; под ред. И.Л.Сокольской. М.: Наука, 1971. - 216 е.: ил.

19. Вудраф, Д. Современные методы исследования поверхности: пер. с англ. / Д.Вудраф, Т.Делчар; под ред. В.И.Раховского. М.: Мир, 1989 - 564 е.: ил.

20. Alpert, D. Initiation of electrical breakdown in ultrahigh vacuum / D. Alpert, D. A. Lee, F.M. Lyman e.a. // J. Vac. Sci. Techn. 1964. - Vol. 1. - No 2. -P.35 -50.

21. Dyke, W.P. The field emission initiated vacuum arc. I. Experiments on arc initiation / W.P. Dyke, J.K. Trolan, E.E. Martin e.a. // Phys. Rev. 1953. - Vol. 91. -No 5. - P.1043 -1054.

22. Dyke, W.P. The field emission: large current densities, space charge, and the vacuum arc / W.P. Dyke, J.K. Trolan // Phys. Rev. 1953. - Vol. 89. - No 4. - P. 799-808.

23. Juttner, B. Time delay of vacuum sparks in the subnanosecond region / B. Juttner, W. Rohrbeck, H. Wolff// Proc. IXth ICPIG Bucharest, 1969. - p. 140.

24. Maitland, A. New derivation of the vacuum breakdown equation relating breakdown voltage and electrode separation / A. Maitland // J. Appl. Phys. 1961. -Vol. 32. - No 11. - P.2399 -2407.

25. Акишин, А.И. К вопросу об инициировании пробоя в вакууме ударами быстролетящих микрочастиц / А.И. Акишин, В.П. Кирюхин,

26. Л.С.Новиков и др. // ЖТФ. 1984. - Т. 54. - №1. - С. 179 -181.

27. Брусиловский, Б.А. Кинетическая ионно-электронная эмиссия / Б.А. Брусиловский. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 184 е.: ил.

28. Киселев, В. Ф. Основы физики поверхности твердого тела / В. Ф. Киселев, С. Н. Козлов, А. В. Зотеев М.: Изд-во Московского университета. Физический факультет МГУ, 1999. - 284 е.: ил.

29. Батраков, А.В. Ограничение плотности тока автоэлектронной эмиссии пространственным зарядом эмиттированных электронов / А.В. Батраков, И.В. Пегель, Д.И. Проскуровский // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25. -Вып. 11 - С.78-82.

30. Жуков, В.М. Предпробивные эффекты и предельные плотности тока автоэмиссии в наносекундном диапазоне / В.М. Жуков, М.С. Аксенов, Г.Н.Фурсей//ЖТФ. 1983.-Т. 53. -№ 8. - С.1588-1591.

31. Батраков, А.В. О природе «эффекта кольца» при интенсивной автоэлектронной эмиссии / А.В.Батраков, Д.И.Проскуровский // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25. - Вып. 11 - С.57-63.

32. Литвинов, Е. А. Разогрев металлического катода термоавтоэлектронным током большой плотности / Е.А. Литвинов, А.Ф. Шубин //Изв. вузов. Физика. 1974. - № 1. - С. 152 - 154.

33. Фурсей, Т.Н. Экспериментальное исследование механизма взрывной эмиссии / Т.Н. Фурсей, В.М. Жуков // ЖТФ. 1976. - Т. 46. - №2. - С.310 - 327.

34. Месяц, Г.А. Исследование инициирования и развития импульсного пробоя коротких вакуумных промежутков в наносекундном диапазоне времени / Г.А.Месяц, С.П.Бугаев, Д.И.Проскуровский и др. // РЭ. 1969. - Т. 14. - № 12. -С.2222 - 2230.

35. Литвинов, Е.А. О природе взрывной электронной эмиссии / Е.А.Литвинов, Г.А.Месяц, А.Г.Парфенов // Д. АН СССР. 1983. - Т. 269. - № 2. -С.343 - 345.

36. Карцев, Г.К. Исследование временных характеристик перехода автоэлектронной эмиссии в вакуумную дугу / Г.К. Карцев, Г.А.Месяц,

37. Д.И.Проскуровский и др. // Д. АН СССР. 1970. - Т. 192. - № 2. - С.309 - 312.

38. Месяц, Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов / Г.А.Месяц. М.: Советское радио, 1974. - 256 с.

39. Brodie J. Prediction of the voltage for electrical breakdown in ultrahigh vacuum / J. Brodie // Vac. Sci. Tech. 1966. - Vol. 3. - P. 222-223.

40. Черепнин, H. В. Сорбционные явления в вакуумной технике / Н. В. Черепнин М.: Сов. радио, 1973. - 383 с.

41. Каляцкий, И.И. Временные характеристики пробоя сантиметровых вакуумных промежутков / И.И.Каляцкий, Г.М.Кассиров, Г.В.Смирнов, Н.Н.Фролов // ЖТФ. 1975. - Т. 45. - № 7. - С.1547 - 1550.

42. Тарасова, JI.B. Десорбционный механизм электрического пробоя в высоком вакууме / JI.B. Тарасова // Д. АН СССР. 1966. - Т. 167. - № 2. - С.330 -332.

43. Конторович, E.JI. Температурный эффект автоэлектронной эмиссии островков циркония на вольфраме / Е.Л.Конторович, Т.И.Судакова, В.Н.Шредник // Письма в ЖТФ. 1999. - Т. 25. - Вып. 10 - С.69-73.

44. Пошехонов, П.В. Возникновение вакуумного пробоя на импульсном напряжении при отрыве микрочастицы от поверхности / П.В. Пошехонов, В.И. Соловьев //РЭ. 1971. - Т. 16. - № 9. - С. 1705 - 1709.

45. Yemelyanov, A. A. Problems of the forecasting of the electrical strength of pulse-voltage cm vacuum gaps / A.A. Yemelyanov, I.I. Kalyatskiy, G.M.Kassirov e.a. // Proc. Vllth IS DEIV Novosibirsk, 1976. - P.130 - 133.

46. Методы расчета электростатических полей / Н.Н.Миролюбов и др.. М.: Высшая школа, 1963. - 415 с.

47. Ландау, Л.Д. Электродинамика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. -М.: Наука, 1982. 620 с.

48. Стефанов, Л.С. Техника высоких напряжений / Л.С. Стефанов. Л.: Энергия, 1967. - 495 е.: ил.

49. Емельянов, А.А. К оценке эффективного коэффициента усиления электрического поля на микронеоднородностях поверхности катода вакуумногопромежутка/ А.А.Емельянов //Изв. вузов. Физика. 1989. - № 4. - С.103 -105.

50. Говорухин, В.Н. Введение в Maple. Математический пакет для всех / В.Н. Говорухин, В.Г. Цибулин. М.: Мир, 1997. - 208 с.

51. Chalmers, I.D. Breakdown time lags in short vacuum gaps / I.D.Chalmers,

52. B.D.Phukan // Vacuum. 1982. - Vol. 32. - No 3. - P. 145 -150.

53. Черепнин, H. В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике / Н. В. Черепнин М.: Атомиздат, 1967. - 408 с.

54. Емельянов, А.А. О прогнозировании электрической прочности вакуумного промежутка на импульсном напряжении / А.А.Емельянов, Г.М.Кассиров // Ненакаливаемые катоды. Крат, содерж. докл Всесоюзного симпозиума. Томск, 1979. - С.39 - 40.

55. Емельянов, А.А. Электропрочность ускоряющего промежутка микроканальная пластина экран усилителя яркости / А.А.Емельянов // ПТЭ. -1996. - №2. - С.109-111.

56. Емельянов, А.А. Электропрочность микроканальной пластины в наносекундном диапазоне длительностей / А.А.Емельянов // ПТЭ. 1996. - №6.1. C.62 64.

57. Покровская Соболева, А.С. Влияние кондиционирования электродов на электрическую прочность вакуумного промежутка / А.С. Покровская - Соболева, Т.С. Борисова, JI.K. Мазурова // ЖТФ. - 1971. - Т. 41. - № 11. - С.2363 - 2368.

58. Емельянов, А.А. Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляции в стационарном режиме / А.А.Емельянов, Г.М.Кассиров, А.Л. Филатов // Изв. вузов. Физика. 1976. - № 11. - С. 138 -140.

59. Чистяков, П.Н. Пробой вакуума при контролируемом состоянии поверхности электродов / П.Н.Чистяков, А.Л Радионовский, Н.В Татаринова и др. // ЖТФ. 1969. - Т. 39. - № 6. - С.1075 -1079.

60. Jtittner, В. Displacement of field emitters by vacuum breakdown / B. Juttner, W. Rohrbeck, // Proc. Vllth IS DEIV Novosibirsk, 1976. - P.185 - 188.

61. Емельянов, А.А. Высоковольтное наносекундное кондиционирование вакуумного промежутка микроканальная пластина — экран / А.А.Емельянов // ГГГЭ. 1996. - №6. - С.69 - 71.

62. Месяц, Г.А. Наблюдение регенерации микроострий и полировки катода при наносекундных импульсах тока взрывной эмиссии / Г.А.Месяц, Д.И.Проскуровский, Е.Б.Янкелевич и др. // Д. АН СССР. 1976. - Т. 227. - № 6. - С.1335 - 1337.

63. Вавилов, С.П. Исследование роста тока при импульсном пробое миллиметровых вакуумных промежутков / С.П.Вавилов, Г.А.Месяц // Изв. вузов. Физика. 1970. - № 8. - С.90 -94.

64. Каляцкий, И.И. Электрический пробой вакуумных промежутков при сверхвысоких импульсных напряжениях / И.И.Каляцкий, Г.М.Кассиров, Г.В.Смирнов // ЖТФ. 1974. - Т. 44. - №11. - С.2326-2328.

65. Олендзкая, Н.Ф. Временные характеристики электрического пробоя в вакууме / Н.Ф.Олендзкая, М.А.Сальман // ЖТФ. 1970. - Т. 40. - № 2. - С.ЗЗЗ-339.

66. Емельянов, А.А. О некоторых режимах повышения электрической прочности вакуумной изоляции / А.А.Емельянов // ПТЭ. 1997. - №5. - С.68-71.

67. Емельянов, А.А. Влияние длительности фронта высоковольтного наносекундного импульса на эффективность кондиционирования ускоряющего промежутка микроканальная пластина экран / А.А.Емельянов // ПТЭ. — 1997. -№4. - С.87-89.

68. Емельянов, А.А. Об оптимальном режиме электроимпульсного кондиционирования напыленных электродов в вакууме / А.А.Емельянов // ПТЭ. -1998. -№6. -С.90-91.

69. Емельянов, А.А. Эффективность импульсных режимов повышения электрической прочности вакуумной изоляции / А.А.Емельянов // ПТЭ. 2004.4. С.49 - 52.

70. Емельянов, А.А. Влияние формы импульсного напряжения на время запаздывания вакуумного пробоя / А.А.Емельянов, Г.М.Кассиров // Изв. вузов. Физика. 1976. - № 9. - С.105 - 110.

71. Месяц, Г.А. Эрозия электродов при пробое вакуумного промежутка наносекундными импульсами / Г.А.Месяц, В.И.Эшкенази // Изв. вузов. Физика. -1968. № 2. - С.123 -125.

72. Месяц, Г.А. Эктоны / Г.А. Месяц Екатеринбург: Наука, 1993. -Часть 1-184 е., Часть 2 - 247 е., Часть 3 - 256 с.

73. Рыжиков, Ю.И. Решение научно-технических задач на персональном компьютере / Ю.И. Рыжиков СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 272с.

74. Форсайт, Дж. Машинные методы математических вычислений: пер. с англ. / Дж. Форсайт, М. Малькольм, К. Моулер М.: Мир, 1980. - 280 с.

75. С движков, О. А. Математика на компьютере: Maple 8 / О. А. Сдвижков М.: СОЛОН - Пресс, 2003. - 176 е.: ил.

76. Литвинов, Е.А. Расчет термоавтоэмиссии, предшествующей взрыву микроэмиттеров под действием импульсов автоэлектронного тока / Е.А.Литвинов, Г.А.Месяц, А.Ф.Шубин // Изв. вузов. Физика. 1970. - № 4. -С.149 -151.

77. Литвинов, Е.А. Численное моделирование катодных процессов при сильноточной катодной эмиссии / Е.А. Литвинов, А.Г Парфенов В кн. Эмиссионная сильноточная электроника. - Новосибирск: Наука, 1984. - С.

78. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев Л.: Энергия, 1977. — 352с.

79. Физический энциклопедический словарь / под ред. А.М.Прохорова. -М.: Сов. Энциклопедия, 1983. 928с.

80. Емельянов, А.А. О катодном инициировании пробоя в вакууме / А.А.Емельянов, Е.А.Емельянова, И.О.Сериков // Письма в ЖТФ. 2004. - Т. 30. -Вып. 11 -С.1 -6.

81. Кассиров, Г.М. Влияние материала электродов на время запаздывания разряда при электрическом пробое вакуумного промежутка / Г.М.Кассиров // ЖТФ. 1966. - Т. 36. - № 10. - С.1883 - 1885.

82. Емельянов, А.А. Запаздывание пробоя в вакууме / А.А.Емельянов // ЖТФ. 2003. - Т. 73. - Вып. 9. - С.113 - 119.

83. Патент 2249879 НОШ 1/00 Способ оценки катодного механизма инициирования пробоя в вакууме / А.А.Емельянов, Е.А.Емельянова, Т.Н.Сафонова, заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. Опубл. 10.04.2005. -Бюл. № 10.

84. Гутер, Р.С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта / Р.С. Гутер, Б.В. Овчинский М.: Наука, 1990. -432 с.

85. Шишкин, И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учеб. для вузов / Под ред. акад. Н.С. Соломенко. М.: Изд-во стандартов, 1990. -342 с.

86. Рудзит Я.А., Плуталов В.Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении: Учеб. пособие для студентов приборостроительных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1991. — 304 с.

87. Emelyanov, А.А. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in Pulse Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P. 14 - 16.

88. Emelyanov, A.A. Estimation of cathode-initiated breakdown in vacuum / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // IEEE TDEI -2006.-Vol. l.-N. l.-P. 26-33.

89. Emelyanov, A.A. Optimal Conditions Efficiency for Pulse Increasing the

90. Breakdown Strength of Vacuum Insulation / A. A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.9 -11.

91. Emelyanov, A.A. Vacuum Breakdown Cathode Initiation Estimation in DC Regime / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // Proc. XXIth ISDEIV Yalta. Crimea, 2004. - Vol. 1. - P.12 - 13.

92. Emelyanov, A.A. Estimation of cathode-initiated breakdown in vacuum / A.A. Emelyanov, E.A. Emelyanova, T.N. Safonova, I.O. Serikov // IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation 2006. - Vol. 13. - N. 1. - P. 26 - 33.