автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Предпробойные явления и развитие импульсных разрядов в сильноточных коммутаторах низкого давления с холодным катодом
- доктора физико-математических наук
- Шемякин, Илья Александрович
- город
- Томск
- год
- 2011
- специальность ВАК РФ
- 05.27.02
- цена
- 450 рублей
Автореферат диссертации по теме "Предпробойные явления и развитие импульсных разрядов в сильноточных коммутаторах низкого давления с холодным катодом"
На правах рукописи
Шемякин Илья Александрович
ПРЕДПРОБОИНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ В СИЛЬНОТОЧНЫХ КОММУТАТОРАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ
05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника
АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
- з НОЯ 2011
Томск-2011
4858714
Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН
Научный консультант: доктор физико-математических наук
профессор
Королев Юрий Дмитриевич.
Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,
профессор
Лисицын Виктор Михайлович
доктор технических наук, профессор Оке Ефим Михайлович
доктор физико - математических наук, старший научный сотрудник Сухинин Геннадий Иванович
Ведущая организация: Институт Электрофизики
Уральского Отделения РАН
Защита состоится 11 ноября 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.031.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН (634055, г. Томск, пр. Академический 2/3).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной Электроники
Автореферат разослан « Г» ¿У^Г-е-^/б 0 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор
Ъа**/' В.В.Рыжов
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Известно, что изучение предпробойных явлений и пробоя является традиционным разделом физики газового разряда, так как позволяет получить информацию как о фундаментальных процессах, протекающих в плазме, так и имеет широкое прикладное значение. Исследование этих явлений в электродных системах с холодным катодом в газах низкого давления было инициировано потребностью импульсной энергетики в сильноточных коммутаторах. К концу 70-х годов создание электрофизических установок для медицины и нефтедобычи, z-пинча и плазменного фокуса, развитие класса эксимерных лазеров и т. д. потребовало разработки промышленных, экологический чистых разрядников, коммутирующих импульсы тока амплитудой десятки и сотни килоампер в микро и наносекундном диапазоне. С нашей точки зрения, максимальной совокупностью полезных свойств обладали водородные тиратроны, в которых коммутация тока осуществлялась плотным тлеющим разрядом низкого давления с термокатодом. Однако, приборы обладали недостатком заключающемся в ограничении величины коммутируемого тока термокатодом. Это стимулировало исследования связанные с поиском и изучением форм разрядов низкого давления с холодным катодом и разработке нового класса коммутаторов.
Исследования проводились А. Гюнтершульце, В. Л. Грановским, Б. И. Москалевым, И. И. Бакалейником, А. В. Арефьевым и др. Первой работой, в которой были опубликованы результаты о сильноточном импульсном тлеющем разряде, по-видимому, следует считать статью JI. Ю. Абрамовича, Б. Н. Клярфельда и др. ( ЖТФ. - 1966. - Т. 36. - Вып. 4. - С. 714). Описывался разряд при плотности тока до 50 А/см2, названный сверхплотным тлеющим и делалась попытка объяснить механизм аномально высокой эмиссии с катода. Исследования позволили И. И. Бакалейнику (Электронная техника сер. 3 "Газоразрядные приборы". - 1971. - Т. 16. - N. 2(22). - СС. 69 - 74) и А. В. Вишневскому (Авторское свид. СССР № 505052 // Бюллетень Изобретений -№ 8 - 20.02.1976) создать макеты разрядников с холодным катодом, однако работы не получили развития.
Параллельно с этим, в ОКБ Вега, НИИ Газоразрядной промышленности г. Рязань и в корпорации EGG, США проводились работы по модификации тиратронов. В конце 80-х годов появились первые макеты "тиратронов с заземленной сеткой" где присутствовали элементы разрядников с холодным катодом.
В 1979 году Д. Кристиансен исследовал разряд в ионизационных камерах (Z. Physik А. - 1979. - vol. 290. - PP. 35 - 41). Электродная система представляла собой полые катод и анод,. соединенные отверстиями, а расстояние между электродами,
приложенное к ним напряжение и давление газа соответствовали пробою в левой ветви кривой Пашена (рис. 1).Наблюдались разряды похожие на искру. Так как традиционно считалось, что искровой разряд развивается в газе высокого давления, разряд получил название псевдоискровой (pseudospark discharge).
Разряд мог развиваться в результате статического пробоя и при принудительном инициировании. В последнем случае в 2 размещался узел запуска (рис. 1), основанный на различных видах импульсных разрядов. Сконфигурированный таким образом прибор получил за рубежом название псевдоискрового разрядника (pseudospark switch) или back light thyratrons. Иногда приборы так же называли тиратронами с заземленной сеткой. Заметим, что термин "псевдоискровой" разряд являлся ни физически корректным, ни исторически приоритетным. Действительно подобный тип разряда еще в 1966 г. наблюдал Б. Н. Клярфельд, а макеты коммутаторов, подобного типа, еще раньше в нашей стране разработали И. И. Бакалейник и А. В. Вишневский.
С нашей точки зрения, псевдоискровой разряд правильно идентифицировать как сильноточный импульсный разряд низкого давления с полым катодом, а разрядники, созданные на его основе, как разрядники низкого давления с холодным катодом. Однако, так как термин псевдоискровой разряд и псевдоискровой разрядник стали устоявшимися, мы будем пользоваться ими наряду с указанными выше.
Изучение разряда, проведенные Д. Кристиансенсом, К. Франком, Г. Мехтершиммером и др. показало, что он обладает рядом замечательных свойств. Скорость нарастания тока достигала величины 1012 А/с при времени запаздывания пробоя менее ста наносекунд. Эрозия поверхности катода была незначительна В результате этого за границей появились первые макеты псевдоискровых разрядников ( например J. Phys. Е: Sci.Insrum. - 1986. - Vol. 19 - PP. 466 - 470 ).
Однако приборы обладали рядом недостатков. Они плохо выдерживали зарядное напряжение, имели высокие стартовые потери, а для запуска требовались импульсы напряжения высокой амплитуды и т д. Вследствие этого на начало постановки настоящей работы, (к началу 90-х годов) еще не существовало промышленных образцов псевдоискровых разрядников. С нашей точки зрения, это было обусловлено тем, что имеющийся экспериментальный и теоретический материал, касающийся механизмов зажигания как псевдоискрового разряда, так и разрядов, инициирующих
Vo
УЗЕЛ ЗАПУСКА
Рис.1. Электродная система для зажигания сильноточного импульсного разряда низкого давления с полым катодом (псевдоискрового разряда), /-изолятор, 2, 3-электроды.
его развитие, был недостаточен и часто противоречив. Так, не хватало данных о зависимости времени запаздывания развития пробоя в основном промежутке от амплитуды и полярности приложенного напряжения, давления газа, интенсивности предионизации и т. д., что в свою очередь не позволяло адекватно описать механизм формирования и развития разряда. Непонятны были причины, приводящие к снижению напряжения статического пробоя, что не давало возможность нивелировать данный эффект. Неясен был механизм инициирования разряда, что не позволяло оптимизировать параметры триггерных разрядов и т. д.
Сказанное позволяет определить предмет диссертации, как предпробойные явления, пробой и процесс развития импульсных разрядов низкого давления в сильноточных коммутаторах с холодным катодом и заключить, что актуальность работы обусловлена широким использованием результатов исследования при разработке нового класса сильноточных коммутаторов.
Как будет показано, особенностью зажигания рассматриваемых разрядов является факт, что протекание тока происходит в условиях, когда характерная длина разрядного промежутка меньше длины свободного пробега электрона в реакции ионизации и, в отличие от разрядов высокого давления, развитие электронных лавин в принципе невозможно. Будут рассмотрены различные формы разрядов при статическом пробое и принудительном инициировании, в воздухе, азоте, кислороде и ксеноне при давленияхр = Ю-1 - 10~5 Тор, межэлектродных зазорах о1- 0,1 - 10 см, токах ¡' = 10~3 - 105 А и длительностях от десятков наносекунд до микросекунд.
Цель и задачи работы.
Цель работы состояла в получении данных касающихся процесса зажигания импульсных разрядов низкого давления и последующего применения полученных результатов для разработки промышленных образцов сильноточных коммутаторов с холодным катодом нового поколения. Были поставлены следующие задачи:
• применительно к проблеме сильноточной коммутации провести исследование свойств импульсных разрядов низкого давления с полым холодным катодом, включающее в себя получение экспериментальных данных о предпробойных явлениях, характере процесса пробоя и последующем развитии разрядов;
• построить модели, описывающие полученные экспериментальные данные;
• на основе проведенных исследований сформулировать физические принципы функционирования сильноточных разрядников низкого давления с холодным катодом (псевдоискровых разрядников), позволяющие разработать новый класс промышленных приборов;
• для расширения области применения и улучшения характеристик
псевдоискровых разрядников провести испытание прототипов приборов и
промышленных образцов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. На начальной стадии вакуумного пробоя в длинных промежутках, при принудительном инициировании катодного пятна формируется следующая структура: плазма катодного пятна; плазма катодного факела, характеризующаяся спадающим потенциалом; двойной слой между плазмами пятна и факела; столб разряда. В двойном слое и катодном факеле ионизуются пары материала катода. При этом ионы, двигающиеся к катоду, ускоряются в двойном слое, а ионный поток к аноду возникает за счет ускорения ионов в области спада потенциала в катодном факеле. Высокая проводимость столба обусловлена компенсацией объемного заряда электронов зарядом ионов, движущихся к аноду. Обрывы тока связаны с разрушением области немонотонного распределения потенциала в двойном слое и катодном факеле.
2. Зажигание газового разряда низкого давления при инициировании пучком электронов происходит, когда со стороны катода распостроняется интенсивный поток электронов и концентрация газа превышает критическую. На стадии запаздывания пробоя вблизи анода возникает область немонотонного распределения потенциала, в которой происходит ионизация газа осциллирующими электронами. Столб разряда формируется при распространении плазмы от анода к катоду. Время запаздывания пробоя не зависит от напряжения, приложенного к зазору и резко возрастает при концентрации газа стремящейся к критической.
3. Зажигание в полом катоде псевдоискрового разрядника разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна и тлеющего разряда с токами единицы ампер приводит к пробою в основном промежутке с временем запаздывания менее 200 не. Использование узла инициирования катодного пятна на основе пробоя по поверхности полупроводника и организация тлеющего разряда путем переключения тока из системы вспомогательных электродов на полый катод, позволяет получать указанные времена запаздывания относительно начала запускающего импульса при его амплитуде менее полутора киловольт.
4. Механизм формирования псевдоискрового разряда при статическом пробое аналогичен случаю пробоя при принудительном инициировании пучком электронов. При этом поток электронов в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода. Увеличение напряжения статического пробоя обусловлено, подавлением эффекта полого катода и, соответственно, уменьшением предпробойных токов. Это может быть достигнуто либо уменьшением размеров области внутри полого катода, где
происходит осциллирующее движение и размножение электронов, либо искусственным экстрагированием зарядов из данной области на вспомогательный электрод.
5. В электродной системе псевдоискрового разрядника полость, образованная стенками отверстия в катоде, играет роль полого катода. Основным процессом рождения заряженных частиц в полости является ионизация газа электронами, стартовавшими с поверхности и ускоренными в катодном слое. Плотность тока на катоде, при которой происходит переход от плотного к сверхплотному тлеющему разряду, возрастает с уменьшением атомного веса газа. Смена форм горения обусловлена возникновением взрывоэмиссионных процессов на поверхности катода
6. Сформулированы принципы функционирования псевдоискровых разрядников, позволившие разработать промышленные образцы нового класса отпаянных сильноточных коммутаторов с холодным катодом серий TDI и TPI и впоследствии улучшить их характеристики. Приборы позволяют коммутировать токи в диапазоне от единиц до сотен килоампер в микро и наносекундном диапазоне времен при анодном напряжении до 50 кВ, и допускают подачу на высоковольтный электрод напряжения отрицательной полярности. Разрядники допускают реверс тока и обладают наносекундной стабильностью срабатывания при низкой амплитуде импульсов запуска около 1 кВ и ресурсе до 106 Кл. Приборы могут работать в режиме параллельной коммутации.
Достоверность результатов работы.
Достоверность полученных результатов подтверждается систематическим и комплексным характером исследования, позволившим получать данные путем использования различных экспериментальных методик исследования плазмы. Используемые методы включали в себя измерения энергетических и спектральных характеристик, регистрацию эволюции образа разряда с высоким пространственно -временным разрешением, определение параметров плазмы с помощью методов спектральной диагностики и т. д. Кроме того, достоверность результатов подтверждается согласием экспериментальных данных с теорией.
Научная новизна.
1. Показано, что характер процесса зажигания разрядов низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в диапазоне токов ; = 10 - 104 А в системах с межэлектродными зазорами порядка десяти сантиметров и начальных напряжениях существенно превышающих пробивное, определяется давлением и типом газа в промежутке. При низких давлениях наблюдаются колебания напряжения горения и обрывы тока, а при превышении давления газа некоторой критической величины спад напряжения на промежутке происходит монотонно.
2. Предложен механизм токопереноса при вакуумном пробое в случае принудительном инициировании катодного пятна, основанный на концепции немонотонного распределения потенциала в прикатодной области.
3. Показано, что для инициирования газовых разрядов низкого давления пучком электронов необходимо наличие интенсивного потока электронов и концентрации газа, превышающей критическую. Механизм формирования разряда обусловлен ионизацией атомов остаточного газа, накоплением в промежутке избыточного положительного заряда, возникновением вблизи анода области "горба" потенциала и последующим распространением плазмы к катоду.
4. Сделан вывод, что формирование псевдоискрового разряда в случае статического пробоя происходит аналогично случаю принудительного инициирования. При этом электронный ток в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода
5. Предложен способ инициирования пробоя в псевдоискровом разряднике, основанный на переключении тлеющего разряда, горящего в системе вспомогательных электродов на основной катод.
6. Показано, что, псевдоискровой разряд может гореть в сложных, комбинированных, изменяющихся во времени формах.
7. Показано, что величина плотности разрядного тока на катоде, при которой происходит переход от плотного тлеющего разряда к сверхплотному падает с ростом атомного веса газа. Переход обусловлен взрывоэмиссионными процессами на катоде.
8. Представлен механизм токопереноса и ввода энергии в плазму, находящуюся в отверстии в полом катоде, в стадиях плотного и сверхплотного тлеющего разрядов.
Научно-практическая значимость.
1. Сформулированы принципы функционирования псевдоискровых разрядников, на основе которых в России впервые разработан новый класс промышленных сильноточных разрядников низкого давления с холодным катодом.
2. На отпаянных прототипах коммутаторов и промышленных образцах разрядников проведены исследования, позволившие существенно улучшить характеристики приборов и расширить диапазон их работы.
Личный вклад автора.
В представленных в диссертационной работе результатах автор внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Теоретическая работа проводилась совместно с Ю. Д. Королевым и А. В. Козыревым. Исследования свойств разрядов осуществлялись вместе с сотрудниками лаборатории низкотемпературной плазмы Института Сильноточной Электроники СО РАН О. Б. Францем, К. А. Клименко.
В. Г. Работкиным, А. В. Болотовым, В. Г. Гейманом и Н. В. Ландлем. Разработка методики диагностики плазмы на основе методов эмиссионной спектроскопии осуществлялась автором единолично, а спектроскопические исследования проводились совместно с Н. В. Кондратьевой и сотрудниками Института Физики Университета Эрланген - Нюрнберг (Германия) К. Франком и 10. Урбаном. Испытание прототипов псевдоискровых разрядников проводилось совместно с изготовителем приборов В. Д. Бочковым, О. Б. Францем, К. Франком и Ю. Урбаном. Фамилии других соавторов, принимавших участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Публикации и апробация результатов.
Основные результаты, представленные в диссертации, были получены за период с 1989 по 2009 годы и опубликованы в 53 работах, из них 20 в рецензируемых журналах. По результатам исследований сделано 40 докладов на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах.
• XI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы (г. Новосибирск, 1989 г.).
• XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XXI и XXII Международные симпозиумы по разрядам и электрической изоляции в вакууме (г. Дармштадт, 1992, гг. Москва -С. Петербург, 1994г., г. Беркли, 1996 г., г.Эйндховен, 1998 г., г. Ксиан, 2000 г., г. Ялта, 2004 г. г. Матсуе, 2006 г.);
• Третья Международная конференция по электрическим контактам, дугам и их применению (г. Ксиан, 1997 г.);
• V Всесоюзная конференция по физике газового разряда ( г. Омск, 1990);
• XX, XXII и XXIV Международные конференции по явлениям в ионизованных газах (г. Пиза, 1991 г., г. Хобокен, 1995 г., г. Варшава, 1999 г.);
• III Международная Конференция по ъ - пинчам (г. Лондон, 1993 г.);
• VI, VII, VIII, IX и X Всероссийские конференции по физике газового разряда (г. Казань, 1992 г., г. Самара, 1994 г., г. Рязань, 1998, 2000, 2002 гг.);
• Международные конференции по физике низкотемпературной плазмы (г. Петрозаводск, 1995, 1998, 2001 гг.);
• VI и VII Международные Конференции по модификации поверхности пучками частиц и потоками плазмы (г. Томск, 2002, 2004 гг.);
• XII Международная конференция высоких мощностей (г. Монтерей, 1999 г.);
• XV Международный симпозиум по сильноточной электронике (г. Томск, 2008
г.);
• IV Международная конференция по физике плазмы и плазменным приложениям (г. Минск, 2003 г.);
• Международная Конференция по мощным модуляторам (г. Голливуд, 2002 г.).
Структура диссертации.
Диссертация выполнена на 296 листах и состоит из расширенного введения, шести оригинальных глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 34 таблицы и 88 рисунков, а список литературы составляет 185 наименований. В начале каждой из глав приведен обзор и сформулированы задачи, которые будут решаться в соответствующем разделе, а в конце - выводы.
Краткое содержание работы
Во введении представлены актуальность работы, предмет, цель, основные задачи исследований и сформулированы защищаемые положения.
Первая глава посвящена исследованию процесса зажигания разрядов низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна. Проводится обзор литературы. Рассматриваются разряды в N2, Не, Хе, длительностью f ~ 10 мкс, в системах с полым анодом и межэлектродным зазором à ~ 10 см. Давление газа р ~ 10-3-10~6 Тор, начальное напряжение, существенно превышает напряжение горения разряда, а ток i ~ 10-104 А. Изучается динамика развития разрядов, и исследуются потоки ионов, из прикатодных областей.
К моменту времени t < 1 мкс после инициирования, ток достигает значения, существенно превышающего Ленгмюровский, а в промежутке формируется структура: катодное пятно, факел с размером существенно меньше размера промежутка и столб. В процессе горения структура изменяется слабо. Факты противоречат механизму зажигания разряда, основанному на представлении о свободном разлете плазмы катодного пятна.
При р ~ Ю~5 Тор, на основе эффекта Доплера были проведены измерения скоростей ионов материала катода, распостроняющихся из области катодного факела. Были обнаружены ионы двигающихся в сторону катода и анода со скоростями до 2-106 см/с. Это позволило заключить, что в области катодного факела и вблизи его распределение потенциала имеет немонотонный вид и измерить высоту "горба".
Характер процесса зажигания разряда определяется давлением газа. При низких давлениях наблюдаются колебания напряжения горения и обрывы тока, а при превышении давления некоторой критической величины, спад напряжения происходит монотонно. Введем критические давление рСТ и, концентрацию псг, при превышении которых основную роль в формировании разряда играет газ. При р > рсг
имеем газовый разряд, при р <ра вакуумный. Рассмотрим полученные результаты на основе концепции о немонотонном распределении потенциала.
Вакуумный разряд. На рис. 2 схематически представлено распределение потенциала по длине промежутка и структура разряда после его формирования. В области (0 - хга), включающей в себя катодный слой и катодный факел распределение
потенциала немонотонно. Катодное падение потенциала Ус превышает напряжение горения разряда Ка и сосредоточено на длине /с. Область (О - хт) представляет собой потенциальную ловушку для электронов, стартовавших с катода и потерявших при столкновениях энергию более чем еУт. За счет их осциллирующего движения
обеспечивается наработка плазмы. Оставшаяся часть зазора представляет собой столб разряда (вакуумный диод с ионной компенсацией). С катода в плазму поступает поток нейтральных атомов, которые могут ионизоваться в области (0 - хт). Если ионизация атомов произошла на длине /с, то они возвращаются на катод в виде ионов, создавая ионный ток j¡(0). Если же ионизация происходит в промежутке /с. - X] , то ионы могут достигать анода, создавая поток Плотность тока на катоде определяется током эмиссии/еш, обратным током электронову'еь и током ионову',(0). В сечении хт плотность тока обеспечивается долей эмиссионного тока 6/ет, током электронов из плазмы]ер и током ионов./¡(хт), родившихся внутри 1й~Х\.
Расчеты показывают, что время формирования данной структуры находится на уровне сотен наносекунд, что совпадает с экспериментом и позволяет объяснить малые времена зажигания. Кроме того, хорошая компенсация отрицательного объемного заряда в области столба разряда за счет потока ионов из области факела, дает возможность понять способность вакуумного разряда пропускать большие токи.
Идеология позволяет на качественном уровне объяснить явление обрыва тока. Увеличение полного тока во внешней цепи должно сопровождаться увеличением потока электронов из плазмы /ер через плоскость хга (рис. 2), т. е. снижением потенциального барьера е (Ус - Ут). При достижении критического тока происходит полное разрушение барьера и ситуация в промежутке резко изменяется, так как исчезают условия поддержания плазмы в области 0 - хт и компенсации тока в
Катодное Катодный пятно факел
Ус VI
V™
Вакуумный диод с ионной компенсацией
-ут
—■«^щШнв»^
Ш
Я
О ;с Х\ Хт <1
Рис. 2. Качественная картина распределения потенциала по длине промежутка и его структура в случае вакуумного разряда.
катодном слое в области вакуумного диода. В результате Ка возрастает. Рис. 3 иллюстрирует представленный механизм. Приведены осциллограммы тока, и поведение интенсивности свечения различных областей разряда во времени. Момент времени, соответствующий обрыву тока, отмечен пунктиром. Видно, что поведение интенсивности из различных областей разряда отличается друг от друга. В процессе, как нарастания тока, так и его обрыва, интенсивность излучения из катодного пятна и столба не претерпевает существенных изменений. Иная ситуация наблюдается в катодном факеле. До обрыва тока в поведении интенсивности излучения наблюдаются колебания и, непосредственно при обрыве, интенсивность резко падает, что говорит о деградации плазмы катодного факела.
0,4 0,8 1,2_[м
пройм, единицы
Рис.3. Осциллограммы тока разряда и поведение интенсивности свечения различных областей промежутка во времени. Азот, р = 2-10~5 Тор; У0 = 8 кВ
Рис. 4 Качественный вид распределения потенциала при различных плотностях газа в промежутке.
1 - случай вакуумного диода, 2 -распределение потенциала искаженное за счет объемного заряда положительных ионов, 3 - п = пт 4~п>п„
Газовый разряд. Увеличение давления газа способствует тому, что часть пучка электронов, стартующего с катода, производит ионизацию газа. Если плотность тока пучка равна или превышает плотность соответствующую закону "3/2" в промежутке накапливается объемный заряд положительных ионов, плотность тока возрастает и, электрическое поле искажается (рис. 4). При значении п = па производная потенциала на аноде становится равной нулю (кривая 3 ), а плотность тока почти на порядок превышает плотность, соответствующую закону "3/2". При п > пст распределение потенциала в прианодной области становится немонотонным. В результате осцилляции электронов, возле анода происходит ионизация газа и возникает плазма, распространяющаяся в сторону анода. Время формирования разряда ;ф станет определяться скоростью данного процесса.
Расчеты, сделанные на основе стационарной теории, позволяют вычислить значения па или ра и гф и сравнить их с экспериментальными значениями. Результаты для критических давлений представлены в таблице 1. Для гелия и азота эксперимент дает /ф.ехр = 0,6 10~6 с, и Ю~6 с, а расчет (ф = 0,46 10"6 с и 1,2 10~6соответственно. Налицо неплохое соответствие.
Таблица 1. Экспериментальные и рассчитанные значения критических давлений.
газ гелий азот ксенон
Рсг.ехр .Тор (2-5) КГ1 (3-4)10"4 (5-6)10"5
Рст , Тор 3 Ю^ 3 10~4 3 10"5
Во второй главе представлены результаты, касающиеся процессов, в стадии запаздывания развития пробоя, свойств и механизма формирования псевдоискрового
разряда при принудительном инициировании. Рассматриваются разряды в, N2 и Не при давлении р = КГ1-КГ3 Тор, начальных напряжениях У0 < 20 кВ и токах г < 15 кА. Использовалась камера представленная на рис. 5. Узел инициирования разряда располагался внутри электрода 2 на оси разрядной камеры. Инициирование разряда происходило в результате прикладывания к электроду 5 импульса напряжения с, амплитудой Рт = - (2 - 10) кВ. Это приводило к возникновению катодного пятна и развитию пробоя между электродами 5 и 6 по поверхности изолятора 4. Так как пятно находилось под отрицательным потенциалом, ток переключался на электрод 2, в его полости возникала плазма разряда низкого давления и, в основной промежуток 'инжектировался пучок заряженных частиц, что приводило к инициированию пробоя.
Конденсатор С0 = 10 нФ, заряжался до напряжения К0 = ±(2-20) кВ, Л] = 1 Ом. Величина максимального тока составляла 15 кА при длительности периода около 100 не. При Уц = +Го разряд инициировался пучком электронов, поступающим в промежуток со стороны электрода 2, в противном случае пробой инициировался пучком ионов. Эксперименты позволили сделать следующие выводы:
Рис. 5. Схема контура и изображение конструкции камеры. 1,2- основные электроды, 3 - корпус, 4 -керамический изолятор, 5,6-триггерные электроды, Л2=50 Ом, Я] = 1 Ом
® Характер пробоя так же, как для разряда низкого давления, при принудительном инициировании катодного пятна определяется концентрацией или давлением газа. Для давления выше критического форма коммутационной кривой гладкая.
• Время запаздывания пробоя не зависит от величины начального напряжения на разрядном промежутке и падает с ростом давления газа.
• Развитие пробоя при инициировании разряда ионным пучком (К0 = -К0) возможно лишь, когда электрод 1 является полым. В этой ситуации, времена запаздывания по сравнению со случаем инициировании разряда электронным пучком увеличиваются более чем в два раза.
При инициировании разряда пучком электронов, механизм формирования псевдоискрового разряда аналогичен механизму формирования разряда низкого давления при принудительном
инициировании катодного пятна и определяется концентрацией газа. Для псевдоискровых разрядников имеем ситуацию п > ясг. Вследствие ионизации остаточного газа, вблизи анода возникает "горб" потенциала и, нарабатывается плазма, движущаяся к аноду. На рис. 6 представлены зависимости измеренных и рассчитанных времен запаздывания пробоя от давления для различных К0. Видно удовлетворительное соответствие.
Был рассмотрен механизм инициирования псевдоискрового разряда пучком ионов со стороны анода. Проводились расчеты взаимодействия ионного пучка с остаточным газом в вакуумном диоде с плоским катодом. Принимались во внимание процессы ионизации газа ионами, электронами и нейтралами, процесс перезарядки и вторичная эмиссия с катода вследствие бомбардировки ионами и нейтральными атомами. Показано, что ионный и электронный токи малы и не могут инициировать пробой. Ситуация меняется радикально, если пучок ионов инжектируется в катодную полость. Толщина плоской части катода сравнима с размерами основного промежутка, отверстие в катоде начинает играть роль, полого катода. Появляется виртуальный анод, что ведет к возникновению эффекта полого катода. В свою очередь это приводит к возрастанию электронного тока и инициированию пробоя в основном промежутке в соответствии с механизмом, рассмотренным ранее.
Исследования позволяют сформулировать принципы, учет которых необходим при разработке псевдоискровых разрядников.
О 2 4 6 8 ДКГТор
Рис.6. Зависимость времени запаздывания пробоя от давления. Азот, К0 = 6 - 20 кВ.
• В отличие от пробоя высокого давления, для зажигания псевдоискрового разряда требуется наличие интенсивного потока заряженных частиц, поступающего в основной промежуток. Таким образом, в полости электрода, содержащего узел запуска, должна происходить эффективная генерация заряженных частиц, а электрод должен быть связан с разрядным промежутком.
• Псевдоискровой разряд может инициироваться не только электронным, но и ионным пучком. То есть, в отличие от водородных тиратронов псевдоискровые разрядники, имеющие узел запуска в полости заземленного электрода, могут работать при подаче на потенциальный электрод не только положительного, но и отрицательного напряжения. Для этого потенциальный электрод должен быть полым и сообщаться с промежутком.
Одна из проблем, которая существует при разработке псевдоискровых разрядников, связана с получением малых времен запаздывания пробоя t¿ при относительно невысокой энергетике импульсов запуска. В ранних работах, запуск приборов происходил вследствие организации в полом катоде поверхностного разряда, либо, в результате интенсификации тлеющего разряда, горящего в системе вспомогательных электродов (Н. Riege and Е. Boggasch, IEEE Trans. On Plasma Sei. -October 1989. - vol. 17- N. 5 - PP. 775 - 777; G. Mechtersheimer et al. J. Phys. E; Sci.Insrum. - 1986. - Vol. 19 - PP. 466 - 470.) Эти способы обеспечивали низкую эффективности генерации плазмы в полом катоде, что в соответствие с принципом, рассмотренным выше привело к тому, что наносекундные времена запаздывания пробоя достигались лишь при высоких значения напряжения и тока импульсов запуска FT > 6 kB, гт = 100 А. В третьей главе исследуется пробой в псевдоискровом разряднике при зажигании в полом катоде разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна и тлеющего разряда. Рассматриваются разряды с узлами инициирования катодных пятен на основе диэлектриков (е ~ 1 - 2000) и полупроводников при токах г < 100 А, а также тлеющие разряды с токами i < 1 А. Приводятся решения позволившие получить наносекундные времена запаздывания, при существенном снижения амплитуд напряжения и тока запуска.
Разряд низкого давления с узлом инициирования катодного пятна на основе диэлектрика с малым е возбуждался в камере, показанной на рис.5. Исследования показали, что зажигание разряда в полости 2 ведет к пробою в основном промежутке с малыми временами запаздывания на уровне 50 не. Однако наносекундные времена формирования разряда в полости обеспечивались лишь при высоких Vj > 6 kB и /т > 30 А., что было связано с затрудненным инициированием катодного пятна. Кроме
того, ресурс узла запуска был мал (около 104 включений), что лимитировалось закорачиванием электродов 5-6, вследствие запыления поверхности 4.
Устранение данных недостатков требовало использования узлов инициирования катодных пятен , удовлетворяющих следующим критериям.
• Пятно и поверхностный разряд должны были зажигаться с наносекундными временами запаздывания при малой амплитуде пускового импульса (Кт ¡= 1 - 2 кВ), что требовало создания специальных мер, улучшающих инициирование пятна и обеспечение на начальном этапе реактивного или активного сопротивления узла на уровне ~ 100 Ом - 1кОм.
• Пятно должно было находится под достаточно высоким отрицательным лотенциалом, т.е. протяженность поверхностного разряда должна была быть достаточно большой, что позволяло эффективно зажигать разряд в полости электрода 2 (рис.5 ) и устранить эффект запыления поверхности узла.
Был разработан узел запуска на основе диэлектрика с высоким е. Узел состоял из керамического диска с £ « 2000 диаметром 15 мм и толщиной около 1 мм. Одна часть диска была металлизирована и содержала контакт, находящийся под потенциалом земли. С другой стороны располагался упругий посеребренный контакт , к которому прикладывался импульс напряжения запуска. Емкость узла запуска составляла величину Ст ~ 1 нФ, а А'т ~ 1кОм.Поверхности диска и контакта обеспечивали множество точечных микроконтактов. При приложении импульса запуска Ут < 2 кВ, в тройных точках возникало высокое поле и вследствие токов смещения через емкость узла запуска начинал протекать ток. Это приводило к возникновению микропятен в местах микроконтактов и развитию разряда по поверхностности. При этом, характерный размер плазмы разряда составлял единицы сантиметров, а плазма пятен находилась под высоким отрицательным потенциалом. При Рт = 2 кВ зажигание псевдоискрового разряда происходило с временем запаздывания менее 150 не.
Ранее, в ОКБ "Вега" и НИИ Газоразрядной промышленности г. Рязань, для запуска разрядников использовался узел инициирования катодного пятна на основе пробоя по поверхности полупроводника. Мы провели исследование данного узла применительно к инициированию псевдоискрового разряда.
Узел включал в себя полупроводниковый цилиндр, имеющий шероховатую поверхность. Триггерный электрод представлял собой медную проволочку, навитую на стальную проволоку. Данная конструкция позволяла обеспечивать множество микроконтактов между триггерным электродом и поверхностью цилиндра. Сопротивление узла запуска составляло величину Лт ~ 0,1 - 1 кОм. При этом основное сопротивление было локализовано в местах микроконтактов. При прикладывании импульса через узел начинал протекать ток, что приводило, к возникновению в местах микроконтактов пятен и как следствие к развитию разряда
по поверхности. Вследствие высокой протяженности цилиндра (более сантиметра), данный разряд, имел высокое напряжение горения, что в свою очередь приводило к переключению тока разряда на полость катода. При Vj = 1,5 кВ и токе на полость i < 5 A /d ~ 150 не, а ресурс работы узла составил более 106 включений.
Следующие исследования были направлены на изучение инициирования пробоя в псевдоискровом разряднике в результате переключения тока стационарного тлеющего разряда, горящего в системе триггерных электродов на основной катод.
Эксперименты проводились на отпаянной конструкции, давление в которой обеспечивалось встроенным генератором водорода (рис. 7). Электроды А и В образовывали триггерную камеру, в которой в исходном состоянии зажигался стационарный тлеющий разряд, aCuD являлись электродами основного промежутка. При этом С одновременно являлся дополнительным анодом триггерной камеры, на который могло происходить переключение тока с В. Электроды В и С сообщались
Вследствие прикладывания
напряжения V\, в промежутке А - В зажигался разряд с током i\ в несколько миллиампер. Небольшая доля этого тока в виде тока гр могла замыкаться на электрод С. Потенциал анода В был близок к потенциалу электрода С. Подача отрицательного постоянного или импульсного напряжения Уг приводила к переключению тока i\ на электрод С что вело к пробою в основном промежутке.
Полное замыкание тока стационарного тлеющего разряда на электрод С возможно лишь при одновременном выполнении следующих условий: электрод В должен находиться под плавающим потенциалом, протяженность области отрицательного анодного напряжения возле него А /а <5/2 и плотность плазмы в отверстии в электроде должна обеспечивать возможность протекания тока г'). Проведенные оценки и эксперименты показали, что данные условия реализуются при 5 > 4 мм, i\ > 3 мА и потенциале на электроде В Кв> 30 В. В таблице 2 представлены времена запаздывания пробоя в системе электродов С - D в зависимости от потенциала, приложенного к электроду В. Видно, что при FB > 200 В, id < 230 не.
через соосные отверстия диаметром 5. I
,\\\\\\У,\\\У,\\\1
В
D
^SSSSSSSSWSSSSSSN IWWNSNWVi
R,
'■4
-V,
Rt
-с
+V0
Ив 1 -VI
Рис. 7. Система электродов и схема при переключении тока подготовительного
разряда на основной катод. И, = 100 кОм, = 10 кОм, Лт = 1 кОм
Таблица 2. Зависимость времени запаздывания пробоя от потенциала, приложенного к электроду В. /[ = 5 мА.
Ув,В 100 150 200 270
Г<ь НС 400 300 230 170
Результаты, позволяют сформулировать принцип для разработки псевдоискровых разрядников. Для получения малых времен запаздывания срабатывания приборов, при низких энергозатратах на запуск, необходимо зажечь в полом катоде разряд низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна или тлеющий разряд.
Если во второй главе рассматривался процесс, зажигания псевдоискрового разряда в случае его принудительного инициирования, то четвертая глава посвящена исследованию зажигания разряда при статическом пробое в воздухе. Исследуется влияние таких факторов, как размер, форма и потенциал электродов, внесенных в полость основного катода на величину напряжения статического пробоя Уьг- Анализируется механизм пробоя и, исследуются предпробойные токи, протекающие в электродной системе. Объяснен механизм действия блокирующих электродов. Показаны пути, позволяющие существенно повысить величину КЬг.
Во второй главе было показано, что необходимым условием развития пробоя являлось наличие интенсивного пучка электронов инжектируемого со стороны катода в основной промежуток. При принудительном запуске такой источник электронов создается искусственно с помощью узла запуска. В случае статического пробоя необходимо объяснить механизм возникновения инициирующих электронов.
Оценка величины взрывоэмисионных токов показала, что они малы. С другой стороны предварительные опыты показали, что величина КЬг зависит от геометрии и размеров катодной полости 2 (рис. 5). Рассмотрим этот вопрос подробнее.
На рис. 8а. представлено распределение электрического поля в промежутке. Межэлектродный зазор составлял 5 мм при диаметре отверстий в электродах 4 мм. Внутренний диаметр катода составлял 40 мм при толщине плоской части 4 мм Видно, что потенциал анода частично проникает в катодную полость, <р(А) = 50 В.
Потенциальный рельеф внутри полости представляет собой "воронку" для электронов. Электроны, родившиеся внутри полости и имеющие энергию, недостаточную для того чтобы попасть на внутреннюю стенку под действием ускоряющего поля будут стремиться выйти в отверстие. Но из-за малого размера отверстия электроны с достаточно большим начальным моментом импульса относительно оси симметрии не смогут покинуть полость. Таким образом, часть электронов будет совершать осциллирующее движение. В окрестности отверстия, где кинетическая энергия электронов достаточна для ионизации, будет происходить
накопление объемного заряда и размножение заряженных частиц, т.е. возникнет эффект полого катода. Т.е на стадии формирования разряда, катодная полость играет роль дополнительного поставщика электронов в зазор по сравнению с 7 - процессами.
135(10 _ 10500-- -т--
.1500— ^ _ ] 500 —■ -г —
"У//-"// ""У/УУ
ушу*
ь
Рис. 8. Распределение электрического поля в промежутке. Штриховые линии эквипотенциальные поверхности, линии со стрелками - силовые линии, цифры -значение потенциала в вольтах. У0 = 15кВ. а) в полом катоде отсутствуют вспомогательные электроды, б) в полость введен диск под потенциалом земли
Таким образом, для увеличения пробивного напряжения псевдоискрового разрядника необходимо каким-либо образом уменьшать размер области ионизации и количество возможных осцилляции электронов, т.е. подавлять эффект полого катода. Очевидно, этого можно достичь, изменяя электростатическое распределение поля и
уменьшая геометрические размеры полости. Проиллюстрируем это.
В катодную полость вводился вспомогательный электрод,
имеющий форму диска диаметром О = 24 мм, а расстояние от электрода до дна катодной полости X могло меняться. Электрод мог находиться под потенциалом земли или на него подавалось положительное смещение Ух. р = (7-8)-1 (Г2 Тор.
На рис. 9 представлена зависимость напряжения
статического пробоя от расстояния X. Рассмотрим случай 1. При Х- О,
24 20 16 12
0
8 12 16 20 24 28Х,мм
Рис. 9. Зависимость напряжения статического пробоя от расстояния между дисковым электродом и дном катода. 1 - электрод заземлен, 2 - находится под потенциалом К, =+10 В
т. е. при соприкосновении диска с внутренней поверхностью полого катода, пробивное напряжение максимально и составляет 16 кВ. Увеличение X приводит к монотонному уменьшению пробивного напряжения, которое щтХ~ 14 мм выходит на стационарное значение около 8 кВ. Характер зависимости легко понять, обратившись к качественной картине распределения электрического поля (рис, 86). Если сравнить ее с полем, изображенным на рис. 8а, то можно заметить, что сократились размеры как области возможных осцилляции, так и область возможной ионизации, где кинетическая энергия электронов больше потенциала ионизации. При X > 14 мм изменение распределения поля в окрестности отверстия практически не наблюдается и пробивное напряжение близко к случаю свободной полости без вспомогательного электрода.
Видно, что подача на вспомогательный электрод положительного смещения приводит к росту КЬг (кривая 2, рис.9). Впервые данный эффект был замечен авторами работы (J. Phys. Е: Sci.Insrum. - 1986. - Vol. 19 - PP. 466 - 470), которые назвали его эффектом блокировки. В статье не была дана интерпретация механизма действия блокировки. Нами были проведены исследования в этом направлении.
Система электродов включала в себя полые анод и катод и электроды триггерной камеры, в которой возбуждался стационарный тлеющий разряд. Триггерная камера и
основной катод были связаны через отверстие на оси. Вокруг катода располагался блокирующий электрод, который находился под
положительным потенциалом. На боковых стенках катода было расположено 12 отверстий, через которые осуществлялось действие блокирующего электрода. В ряде случаев боковые отверстия закрывались, что сводило действие блокирующего потенциала к нулю. В других экспериментах эффективность блокировки повышалась путем введения в полость катода зондов, соединенных с блокирующим электродом. Измерялись
предпробойные токи протекающие в основном промежутке и токи замыкающиеся на блокирующий электрод. Исследования показали, что
30 г
Р, 10~* Too Рис.10. Зависимость напряжения статического пробоя от давления. 1 -тлеющий разряд отсутствует; 2 -включен, отверстия на боковых стенках катода закрыты; 3 - тлеющий разряд включен, отверстия открыты; 4 - тлеющий разряд включен, в полость катода введены зонды.
амплитуда напряжения статического пробоя определяется величиной предпробойных токов, таким образом основной путь повышения Vьг связан с подавлением данных токов. В этом и заключается физический смысл эффекта блокировки. Сказанное иллюстрирует рис. 10. Включение тлеющего разряда приводит к росту предпробойных токов и снижению Vbr (1 - 2). Под действием блокирующего электрода токи уменьшаются и, КЬг растет (3). Усиление блокирующего действия существенно подавляет предпробойные токи и значительно увеличивает УЪт (4).
Результаты, позволяют сформулировать следующий принцип, который необходимо учитывать при разработке и создании псевдоискровых разрядников.
Для увеличения анодного напряжения приборов, а также повышения возможности работы разрядников в области более высоких частот, необходимо подавлять предпробойные токи, протекающие в полом катоде прибора. Это возможно осуществить, как ухудшением связи разрядного промежутка с катодной полостью и изменением ее физических размеров, так и использованием дополнительных электродов, находящихся под потенциалом.
Во второй и четвертой главах мы рассмотрели начальную слаботочную стадию зажигания псевдоискрового разряда. В пятой главе рассматриваются сильноточные стадии плотного и сверхплотного тлеющего разрядов в водороде, кислороде и ксеноне при давлении р = 10-1-10~ Тор, начальных напряжениях Vq < 20 кВ и токах i = 0,1 - 10 кА. Исследуется динамика развития разрядов. Проведено измерение концентрации и температуры электронов. Представлен способ, позволяющий с высокой точностью измерить температуру тепловых электронов в неравновесной плазме. На основе полученных данных проведен анализ процессов рождения и гибели заряженных частиц и механизм ввода энергии в плазму. Рассмотрен механизм токопереноса, позволяющий объяснить наблюдаемые закономерности. Обсуждаются причины, приводящие к смене форм горения разряда.
Известно, что в своем развитии псевдоискровой разряд проходит через стадии плотного и сверхплотного тлеющих разрядов. Предыдущие работы показали, что существуют режимы, которые невозможно идентифицировать (J. Appl. Phys. - 1995. -vol.79- N. 2 - PP. 631 - 636). Были проведены исследования с использованием секционированных катодов, что позволило идентифицировать разряд. Показано, что разряд может гореть в сложных комбинированных и нестационарных формах, что может приводить к сильным нерегулярностям на коммутационной кривой. Эффект проявляется при невысоких (< 1 кА) токах и нивелируется снижением длительности стадии плотного тлеющего разряда и уменьшением напряжения горения.
При рассмотрении процесса токопереноса, одна из проблем связана с пониманием механизма генерации плазмы внутри отверстия в полом катоде, которая позволяет пропускать значительные токи. Так например, авторы работы (IEEE Trans.
Plasma Sei. - 1999. - vol. 27 - no. 5 - PP. 1525 - 1537) предположили, что генерация плазмы происходит в результате ионизации газа тепловыми электронами, что потребовало принять Тг = 8 эВ. В нашей работе мы провели исследование механизмов рождения и гибели заряженных частиц на основе измерения параметров плазмы. Для этого, в водороде, на стадиях плотного и сверхплотного тлеющих разрядов измерялись концентрация и температура электронов. Учитывались: процесс Джоулевого нагрева, прямая и ступенчатая ионизация газа электронами, ионизация высокоэнергетическими электронами, стартовавшими с катода и ускоренными в катодном слое, столкновительно — излучательная рекомбинация, фоторекомбинация и гибель частиц заряженных вследствие их ухода из промежутка. Показано, что скорость рождения заряженных частиц существенно превышает скорость гибели, а основным каналом генерации плазмы является ионизация газа высокоэнергетическими электронами. Таким образом, пространство, образованное внутри отверстия в катоде можно рассматривать как полый катод, а плазма внутри него представляет собой аналог отрицательного свечения в классическом тлеющем разряде.
а) б)
Рис. 11. Области разряда и распределение потенциала для плотного тлеющего разряда (а), и сверхплотного тлеющего разряда (б). А - анод, С - катод, СР -плазма отрицательного свечения, МР - плазма паров материала катода
На рис. 11 а схематический представлены структура и распределение потенциала в плотном тлеющем разряде. Отверстие в катоде имеет форму цилиндра диаметром О и
высотой /?. Для упрощения, около отверстия размещен плоский анод. Считаем, что столб отсутствует, и ток на анод течёт из плазмы отрицательного свечения СР. Полный ток на катоде гс есть сумма тока эмиссии /еш и ионного тока ц:
¡'с = 4т + <1 = О +У)Ь, (1)
где у - коэффициент вторичной эмиссии.
В режиме аномального тлеющего разряда величина у ~ 0,1 - 0,2. Таким образом, основной ток на катод обеспечивается ионным компонентом.
Ток разряда на анод обеспечивается быстрыми электронами из плазмы, которые способны преодолеть потенциальный барьер АУ=(УШ- У^>.
В соответствие с нашей моделью, скорость рождения заряженных частиц в плазме отрицательного свечения определяется вводом энергии от пучка электронов, стартовавшего с катода и ускоренного в катодном слое ¡¡.
г V
ет' с _ ш
(2)
где
й=7Г-У &
1 + у
а V' эффективная цена образования электрон - ионной пары, (в водороде V* ~ 45 эВ).
Подставляя значения Ч'ц, /с из эксперимента и принимая у = 0,2 получим расхождение в 20%, что является неплохим согласием.
С ростом тока плотный тлеющий разряд переходит в сверхплотный, характеризующийся плазменными микрообразованиями МР на поверхности катода (рис. 116). С помощью ССБ камеры и секционированных электродов было проведено исследование данного процесса и показано, что величина плотности тока на катоде, при которой наблюдается переход, зависит от сорта газа и для водорода, кислорода и ксенона составляет 700 А/см2, 400 А/см2 и 130 А/см2 соответственно. Объясним эффект на основе явления взрывной эмиссии.
При высокой плотности тока электрическое поле на поверхности катода Ес достигает некоторого критического значения, при котором значительным становится ток автоэмиссии с отдельных микропятен. В прикатодном слое развивается неустойчивость. Увеличение тока эмиссии с микропятна ведет к росту ионного тока. При высокой локальной электронной и ионной плотности тока, на поверхности катода происходит микровзрыв и возникают пары металла. Эксперименты показали, что критическим для микровзрыва является величина Ес « 10б В/см . В нашем случае поле на поверхности катода может быть оценено на основе предположения того, что
ионный ток через слой 1\ подчиняется закону Чаильда-Ленгмюра. Тогда с помощью линейной аппроксимации поведения поля получаем:
Ес «0,85-104^1/4Гс1/47-хп . (4)
Расчеты выполненные по (4) показывают, что напряженности поля на катоде около 10б В/см достигаются в диапазоне плотностей токов на катоде jc ~ 600-1000 А/см2; 200-400 А/см2, 70-140 А/см2 для водорода, кислорода и ксенона соответственно что находится в согласии с экспериментом.
Принцип, который необходимо учитывать при разработке псевдоискровых ключей состоит в следующем. Для улучшения коммутационной характеристики приборов необходимо уменьшать как длительность, стадии плотного тлеющего разряда так и величину напряжения горения разряда в данной стадии.
Шестая глава посвящена сильноточным коммутаторам низкого давления с холодным катодом (псевдоискровым разрядникам). Описываются недостатки приборов, существовавших на момент постановки работы. Приводятся результаты исследований, направленные на уменьшение длительности стадии плотного тлеющего разряда и снижения напряжения горения разряда. Предложены решения, позволяющие улучшить коммутационную характеристику приборов, снизить их стартовые потери и расширить диапазон работы в области малых токов и напряжений. Описаны особенности конструкций, характеристики и схемы включения нового класса промышленных разрядников низкого давления с холодным катодом серии ТБ1 и ТР1, разработанных и изготовленных в ООО Импульсные технологии, г. Рязань, под руководством В. Д. Бочкова при использовании результатов настоящей работы. Исследована работа разрядников на ресурс и показана возможность их работы в режиме параллельной коммутации.
На рис. 12 представлены осциллограммы тока и напряжения, при работе разрядников с низкими начальными напряжениями (У0 ~ 1 кВ). Коммутировался конденсатор С0 = 1 мкФ. Использовался прототип разрядника серии 1Т>[. В полости катода располагался узел запуска, на основе полупроводника, В штатном режиме, пробой в основном промежутке, происходил в результате подачи на проволочный триггерный электрод импульса отрицательной полярности Ит Видно (рис. 13а), что на осциллограмме напряжения регистрируется длительная (/ ~ 1 мкс) стадия плотного тлеющего разряда с напряжением горения около 600 В. На коммутационной кривой наблюдается затяжка.
Для устранения данного эффекта мы искусственно создали ситуацию, когда на стадии запаздывания пробоя в основном промежутке на внутренней поверхности основного катода инициируется катодное пятно. Для этого проволочный триггерный электрод соединялся с катодом, а на графитовый триггерный электрод подавался
импульс + Vj Видно, (рис. 126), что стадия плотного тлеющего разряда отсутствует, напряжения на приборе составляет около 200 В, а затяжки тока не наблюдается.
2,4 ' 1 ' 1 1 1 ' 1,2
1,6 ^ - 0,8 1.6
0,8 0,4 3 'S 0,8
0,0 J L. V 0,0 0,0
. V \
-0,8 , 1,1,1, •0,4 -0,8
0 12 3 4 I, икс
а) б)
Рис. 12. Осциллограммы напряжения на промежутке и тока прототипа разрядника серии TDI в случае низких начальных анодных напряжений, а) Запуск разрядника осуществляется по традиционной схеме б) на стадии запаздывания развития пробоя, в полом катоде искусственно организовано катодное пятно.
В работах И. И. Бакалейника, А. С. Арефьева и В. Д. Бочкова было показано, что распыление и размещение в полости катода материалов, обладающих высокой работой выхода и развитие поверхности катода может приводить к снижению напряжения горения разряда. Эти эффекты исследовались применительно к псевдоискровым разрядникам. Использовались прототипы разрядников серии TPI. Приборы обладали развитой системой полых катодов. На дне катода располагалась таблетка из смеси порошков вольфрама, оксида алюминия и карбоната цезия. Напряжение горения в стадии плотного тлеющего разряда ссущественно понизилось.
Семейство разрядников серии TDI (таблица 3) предназначалось для коммутации импульсов тока амплитудой в десятки и сотни килоампер в микро и нано секундном диапазоне времен. Приборы нашли широкое применение в устройствах по исследованию плазменного фокуса и сжимающихся лайнеров, нефти и газодобыче, медицинской аппаратуре и т. д. Разрядники имели отпаянное исполнение, и допускали реверс тока, при наносекундной стабильности срабатывания.
На рис. 13а представлен эскиз разрядника TDIl-150k/25. Основная система электродов образована медным катодом и молибденовым анодом . Межэлектродный зазор составляет 4 мм. Толщина плоской части катода равняется четырем миллиметрам. Основной промежуток связан с катодной полостью через четыре отверстия диаметром четыре миллиметра, что позволяет электрическому полю проникать в полость и способствовать, возникновению эффекта полого катода. Экран
обеспечивает оптимальные размеры катодной полости и защищает полупроводниковый узел запуска от ионного пучка.
Таблица 3. Основные характеристики разрядников серии ТВ1.
Анодное Максим. Средний Размеры, Полный Частота
Тип напряже анодный ток,А диаметр х заряд, срабатыв
ние.кВ ток,кА высоту, мм скоммут. прибором,Кл ания,кГц
ТО11-50к/1б 1 - 16 50 0Л5 50x 52 И)3 0Л
ТР11-50к/25 1 н-25 50 0.25 98 x 80 2 х 105 0.05
ТР11-50к/50 1 -н 50 50 0.25 98 x 88 2 х 105 0.05 ТЕ>11-150к/25 1-25 150 0.5 150x 110 5 х 105 0.05
Известно, что ресурс разрядников в режиме сильноточной коммутации зависит не только от скоммутированного заряда и длительности импульса, но и от симметрии тока протекающего через прибор относительно его оси. В данном направлении были проведены специальные исследования.
Разрядник ТЕ)11-150к/25 коммутировал два конденсатора емкостью 5 мкФ каждый, заряженных до 20 кВ соединенных полосковой линией. В первом варианте разрядник располагался между конденсаторами и, растекание тока через прибор было симметричным. Индуктивность контура Ь = 40 нГн, а максимальный ток г и 200 кА. Во втором варианте имели ассиметричное растекание (конденсаторы и разрядник располагались на противоположных концах). Ь = 40 нГн, г ~ 140 кА. В первом варианте ресурс разрядника превысил 5ТО5 Кл, во втором составил менее 103 Кл.
Рис.13. Эскиз разрядников Т011-150к/25 (а), и ТР12-10к/50 (б), а) 1 - анод, 2 - катод, 3 - корпус, 4 - экран, 5 - перегородка, 6 -узел запуска б) 1,2- анод и катод триггерной камеры; 3 5- основные катод и анод (высоковольтный электрод), 4 - градиентный электрод, 6 - потенциальный анод.
Разрядники серии TPI (таблица 4) нашли применение в импульсных лазерах, генераторах имитации помех, установках для получения электронных и ионных пучков и т. д. Приборы допускали реверс тока, имели наносекундную стабильность срабатывания, высокий ресурс работы и функционировали при подаче отрицательного напряжения на высоковольтный электрод.
Таблица 4. Основные характеристики разрядников серии TPI.
Макс, анодное Макс, анодный Средний Размер: Заряд, скоммут.
Тип напряжение, ток, кА ток, А диаметр прибором, Кл
кВ высота, мм
TPI-O.lk/10 10 2 0.15 29x80 106
TPI-lk/20 20 2 0.15 29x80 106
TPI-10k/25* 25 10 0.25 100х 160 5 х 105
TPI2-10k/25* 25 10 0.5 100 х190 5 х 105
TPI2-10k/50* 50 10 0,35 100х 190 5 х 105
Примечание * - разрядники допускают подачу отрицательного напряжения на высоковольтный электрод.
Полый катод 2 триггерной камеры охватывал кольцевой анод 1 (рис.136). Это позволяло зажигать подготовительный разряд при низких напряжениях. Катоды 3 и 2 имели развитую поверхность, а в полости 2 располагалась эмиссионная таблетка, что снижало падение напряжение на приборе. Разрядники имели полый анод 5, что допускало работу при подаче на 5 напряжения отрицательной полярности.
В приборах присутствовал потенциальный электрод б, используемый в качестве блокирующего, что позволяло разрядникам работать с высокими анодными напряжениями и большой частотой срабатывания.
Был рассмотрен вопрос о возможности работы псевдоискровых разрядников в режиме параллельной коммутации. На первом этапе проводились исследования при коммутации умеренных токов до 10 кА и длительности около 300 не при начальном напряжении Уй < 25 кВ в электрическом контуре типичном для импульсных газовых лазеров. Банк конденсаторов был набран из 6 емкостей Со = 47 нФ, которые коммутировались 12 разрядниками. Волновое сопротивлении контура и величина активной нагрузки составляли р = 0,9 Ом и = 0,57 Ом. Частота/< 50 Гц.
В режиме сильноточной коммутации, эксперименты проводились при максимальных токах до 290 кА, длительности около 2 мке и амплитуде напряжения на накопительной емкости до 20 кВ./< 1 Гц. Два разрядника ТБ1 коммутировали два конденсаторов на общую нагрузку = 0,046 Ом.
В результате испытаний впервые было показано, что псевдоискровые разрядники могут работать в режиме параллельной коммутации.
В заключении сформулированы основные выводы:
1. Характер процесса зажигания импульсных разрядов низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в диапазоне токов г = 10 - 104 А в системах с длинными промежутками определяется концентрацией и типом газа. При низких концентрациях наблюдаются колебания напряжения горения и обрывы тока, а при превышении концентрации некоторой критической величины спад напряжения на промежутке происходит монотонно, а коммутационная кривая имеет гладкий вид.
При концентрации ниже критического в промежутке зажигается вакуумный разряд, распределение потенциала в котором имеет немонотонный вид в прикатодной области. Время коммутации определяется не разлетом плазмы катодного пятна, а временем формирования области немонотонного распределения потенциала. Высокая пропускная способность столба обеспечивается вследствие компенсации обьемного заряда электронов потоком ионов, движущихся по направлению к аноду. Формирование разряда при концентрациях превышающих критическое обусловлено накоплением избыточного ионного заряда в промежутке, возникновением "горба" потенциала и генерации плазмы в прианодной области с последующим распространением плазмы от анода к катоду.
2. Необходимым условием для зажигания псевдоискрового разряда является инжекция в разрядный промежуток интенсивного потока электронов. Время запаздывания развития пробоя практически не зависит от амплитуды напряжения приложенного к разрядному промежутку и падает с ростом давления рабочего газа. При инициировании разряда пучком ионов величина ^ возрастает примерно в два раза по отношению к случаю электронного инициирования.
3. Механизм зажигания псевдоискрового разряда, инициируемого пучком электронов, аналогичен механизму зажигания разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в условиях, когда концентрация газа в промежутке превышает критическую.
Формирование разряда в условиях инициирования ионным пучком со стороны анода обусловлено последовательным действием накопления избыточного ионного заряда в полости катода и появления виртуального анода, что в свою очередь ведет к развитию разряда, по механизму, описанному в предыдущем абзаце.
4. Исследован пробой в псевдоискровом разряднике в условиях зажигания в полом катоде прибора разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна. Показано, что использование узлов инициирования катодного пятна на основе диэлектрика с высоким £ и полупроводника позволяет получать времена запаздывания пробоя менее 200 не при амплитуду пускового импульса 1,5 кВ и токе единицы ампер.
5. Проведено исследование механизм переключения тока стационарного тлеющего разряда, горящего в системе вспомогательных электродов на полый катод
псевдоискрового разрядника. Показано, что необходимым условием переключения является: размер диаметра отверстия в аноде триггерной камеры много меньше протяженности отрицательного анодного падения напряжения; нахождение анода под плавающим потенциалом. Предложен метод инициирования зажигания псевдоискрового разряда, основанный на переключении тока стационарного тлеющего разряда на основной катод. Показано, что при амплитуде импульса запуска около одного киловольта и токе запуска менее одного ампера получены времена запаздывания пробоя менее 150 не.
6. Зажигание псевдоискрового разряда в случае статического пробоя происходит аналогично случаю принудительного инициирования. При этом поток электронов в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода. Увеличение напряжения статического пробоя связано с сокращением размеров области, внутри полого катода, где возможно осциллирующее движение электронов.
7. Дано объяснение механизма влияния блокирующих электродов на величину напряжения статического пробоя. Показано, что действие обусловлено экстрагированием электронов из катодной полости и как следствие подавлением эффекта полого катода и уменьшением предпробойных токов. Представлены схемные решения, позволяющие повысить напряжение статического пробоя без существенного увеличения времени запаздывания.
8. Показано, что в процессе своего развития сильноточный импульсный разряд низкого давления с полым катодом может гореть в сложных, комбинированных, изменяющихся во времени формах.
9. Сделан вывод, что плотность разрядного тока на катоде, при котором происходит переход от плотного тлеющего разряда к сверхплотному тлеющему разряду, зависит от атомного веса газа. Переход к сверхплотному тлеющему разряду обусловлен взрывоэмиссионными процессами на поверхности катода.
10. Проведен анализ состояния плазмы, и представлен способ, позволяющий с высокой точностью измерить температуру электронов в неравновесной плазме псевдоискрового разряда. Измерены концентрация и температура электронов в различных стадиях развития и в различных областях разряда. Показано, что процесс рождения заряженных частиц в плазме отверстия в катоде обусловлен быстрыми электронами, стартовавшими с катода и ускоренными в катодном слое.
11. Представлен механизм токопереноса в плазме псевдоискрового разряда, который позволяет непротиворечиво объяснить наблюдаемые в экспериментах закономерности.
12. Сформулированы принципы функционирования псевдоискровых разрядников, учет которых позволил разработать промышленные образцы нового класса отпаянных сильноточных коммутаторов с холодным катодом серии TDI и TPI.
13. На макетах и прототипах промышленных приборов проведено исследование путей, уменьшающих длительность стадии плотного тлеющего разряда и снижающих напряжение горения. Развитие площади катода и размещение внутри последнего эмиссионной таблетки, изготовленной из материала с высокой эмиссионной способностью, позволяет существенно снизить напряжение горения. Искусственное инициирование катодного пятна на стадии запаздывания развития пробоя, дает возможность исключить фазу плотного тлеющего разряда. Решения позволяют улучшить коммутационную характеристику приборов, снизить их стартовые потери и расширить диапазон работы в области малых токов и низких анодных напряжений.
14. Описаны конструкции, характеристики и. схемы включения нового класса сильноточных импульсных разрядников низкого давления с холодным катодом серии TDI и TPI.
15. Показано, что ресурс работы разрядников серии TDI при коммутации сильноточных импульсов (амплитуда около 200 кА и заряд, перенесенный за импульс
0.1.0,2 Кл) существенно зависит от симметрии тока протекающего через прибор. В контурах с симметричным растеканием токов, разрядники имеют ресурс не менее 5É105 Кл. При ассиметричном контуре ресурс может падать более чем на два порядка.
16. Впервые показано, что разрядники низкого давления с холодным катодом можно использовать для параллельной коммутации импульсов тока от единиц до сотен килоампер в микро и наносекундном диапазоне времен.
Список основных публикаций автора по теме диссертации
1. Формирование импульсного разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна / H. Н. Коваль, 10. Д. Королев, В. Б. Пономарев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин, П. М. Щанин // Физика плазмы. - 1989. - Т. 15, вып. 6. - С. 747-752.
2. Обрывы тока в импульсном разряде низкого давления, инициируемом путем принудительного зажигания катодного пятна / А. В. Болотов, А. В. Козырев, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. -1991,-Т. 61. - вып. 1.-СС.40-46
3. Current cut - off in vacuum plasma - filled diode / A. V. Bolotov, A. V. Kozyrev, A. V. Kolesnikov, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XV Intern. Symp. on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum. - Darmstadt, 1992. - PP. 683 - 685.
4 Козырев А. В., Королев Ю. Д., Шемякин И. А. Процессы в катодной области дугового разряда низкого давления // Изв. высш. учебн. завед. Физика. - 1994. -№ 3. -СС. 5-25.
5. The concept of nonmonotonic potential distribution in low-pressure gas discharges / A. V. Bolotov, A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin // Proc. XVII Intern. Symp.
on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Berkeley, 1996. - Vol. 1. - PP. 141 — 145.
6. Concept of nonmonotonic potential distribution in the near cathode regions of vacuum arc and low-pressure gas discharge / A. V. Bolotov, A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin // Proc. Third Intern. Conf. on Electrical Contacts, Arcs, Apparatus and their Applications. -Xian, P.R. China, 1997. - Vol. 1 - P. 41.
7. Частотный псевдоискровой разрядник с наносекундной стабильностью запуска для коммутации сильноточных коротких импульсов / В. С. Богданов, К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. А. Лавринович, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин // Приборы и техника эксперимента. - 1992. - № 2. - СС. 167 - 170.
8. Исследование механизма зажигания разряда в псевдоискровых разрядниках низкого давления / К. А. Клименко, А. В. Колесников, 10. Д. Королев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин//Физика плазмы,-1991.-Т. 17,-вып. 10.-СС. 1256- 1262.
9. Low pressure discharge in pseudosparks / К. A. Klimenko, A. V. Kolesnikov, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XX Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. - Pisa, Italy, 1991. - Vol. 2. - PP. 492 - 493.
10. Параллельная работа псевдоискровых разрядников на общую нагрузку / К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин // Приборы и техника эксперимента. - 1992. - № 6. - СС. 135 - 139.
И. V. D. Bochkov, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin. High-current ceramic-metal sealed-off pseudospark switches (designs and applications) // Proc. XVII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Berkeley, 1996. - Vol. 2. - PP. 977 -980.
12. Ceramic - metal sealed - off pseudospark switch with a trigger unit based on flashover / О. B. Frants, V. G. Geiman, Yu. D. Korolev, V. D. Bochkov, C. Bickes, K. Frank, M. Schlaug // Proc. XVIII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum -Eindhoven, The Netherlands-August 17 - 21. - 1998. - Vol. 1. - PP. 386 - 389.
13. K. Frank, J. Urban, Ch. Bickes, M. Iberler, U. Ernst, Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, I. A. Shemyakin, V. D. Bochkov. Mechanism of the pseudospark initiation for the switches with a trigger unit based on flashover // Proc. XlXth Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - September 18 - 22 - 2000.- Xi'an, China-Vol. 1 - PP.331 -334.
14. Seld - off pseudospark switches for pulsed power applications (current status and prospects) / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, I. A. Shemyakin, V. G. Geyman, V Dyagilev, V Ushich, V. D. Bochkov, K. Frank, M. Iberler, J. Urban // IEEE Trans. On Plasma Sci. - Oct. - 2001. - Vol. 29 - No. 5 - PP. 796 - 801.
15. Режимы запуска псевдоискрового разрядника со вспомогательным тлеющим разрядом в узле поджига / К. А. Клименко, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. - 1992. - Т. 62, вып. 10. - СС. 74 - 80.
16. Processes in the prebreakdown stage of a low - pressure discharge and the mechanism of discharge initiation in pseudospark switches / A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // J. Appl. Phys. - 1993. - Vol. 74 - No. 9. - PP. 5366 - 5371.
17. Исследование псевдоискрового разрядника со вспомогательным тлеющим разрядом в цепи запуска / К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. - 1992. - Т. 62, вып. 2. С. 456.
18. Electrical breakdown mechanism in pseudospark switches / K. A. Klimenko, A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XV Intern. Symp. on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum - Darmstadt, 1992. - PP. 467 - 469.
19. Mechanism for initiation of pseudospark discharge by an ion beam injected from anode side / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, I. A. Shemyakin, V. G.Rabotkin, V. D. Bochkov, K. Frank, A. I. Kuzmichev, D. A. Kuzmichev // Proc. XXIV Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases - Warsaw, Poland, 1999. - Vol. III. - PP.57 - 58
20. Effect of a prebreakdown current on the hold - off voltage and discharge initiation in the pseudospark switches / V. D. Bochkov, A. V. Kolesnikov, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, О. B. Frants, I. A. Shemyakin // Proc. XVI Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Moscow - St. - Peterburg, 1994. - SPIE Proc. - 1994. -Vol. 2259.-PP. 317-320.
21. А. В. Болотов, А. В. Козырев, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин Механизм статического пробоя псевдоискрового разрядника // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. - Петрозаводск, 1995. - Ч. 2. -СС. 216-217.
22. Investigation of the effect of blocking potential on the static breakdown voltage and discharge initiation in the pseudospark switches / V. D. Bochkov, A. V. Kolesnikov, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, О. B. Frants, I. A. Shemyakin // IEEE Trans. On Plasma Sci. -1995. - Vol. 23 - No. 3 - PP. 341 - 346.
23. Suppression of a prebreakdown current as a method to increase a static breakdown voltage in pseudospark switches / A. V. Bolotov, A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, О. B. Frants, I. A. Shemyakin // Proc. XXII. Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases -Hoboken-USA, 1995.-Part 1.-PP. 39-40.
24. Исследование предпробойных токов, протекающих в псевдоискровых разрядниках / В. Д. Бочков, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. - 1997. - Т. 67 - вып. 10.
25. Исследование потоков ионов, возникающих в прикатодных областях дуги низкого давления / Н. II. Коваль, Н. П. Кондратьева, Ю. Д. Королев, И. А. Шемякин, П. М. Щанин // Конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП - 98: Мат. конф. -Петрозаводск, 1998. - Ч. 1. - С. 234 - 238.
26. Исследование потоков ионов, возникающих в прикатодных областях дуги низкого давления / Н. Н. Коваль, Н. П. Кондратьева, Ю. Д. Королев, И. А. Шемякин, П. М. Щанин // Изв. АН Сер. физическая - 1999. - Т. 63 - № 11. - СС. 2271 - 2275.
27. Yu. D. Korolev, О. В. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin, K. Frank, I. Petzenhauser. High-current low - pressure pulsed glow discharge with a hollow cathode // Proc. 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows - Tomsk, Russia - 25 - 29 July - 2004 - PP. 107 -110.
28. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin, K. Frank, R. Bischoff. Current quenching in the pseudospark discharge and generation of a fast electron beam // Proc. XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Yalta, Crimea - September 27 - October 1, 2004. -PP. 287 - 290.
29. R. Bischoff, K. Frank, I. Petzenhauser, Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, N. V. Landl, 1. A. Shemyakin. Temporal structure of the fast electron beam at the stage of formation of the pseudospark discharge with external triggering // Proc. XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Yalta, Crimea -September 27 - October 1, 2004 - PP. 291 - 294.
30. Развитие импульсного разряда в сильноточных коммутаторах низкого давления с холодным катодом / В. Д. Бочков, А. В. Болотов, В. Г. Гейман, Н. В. Ландль, Р. В. Ивашов, Ю. Д. Королев, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Изв. Академии наук. Сер. Физическая - 2003.-В. 67. -N. 9. - СС. 1287 - 1292.
31. Mechanism of the current quenching phenomenon in pseudospark discharge / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin // Proceedings XXth International symposium on discharges and electrical insulation in vacuum. - Tours, France. - July 1 - 5, 2002. - PP. 491 - 494.
32. K. Frank, Ch. Bickes, U. Ernst, M. Iberler, A. Rainer, J. Schwab, J. Urban, W. Weisser, V. Bochkov, О. B. Frants, Yu. D. Korolev, and I. A. Shemyakin, "Design criteria for high performance, high power pseudospark switches" // Proc. 12th IEEE International Pulsed Power Conference - Monterey, California - June 27 - 30,1999. - Vol. 1 - PP. 224 - 227.
33. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, N. V. Landl, R. V. Ivasov, I. A. Shemyakin, R. E. Bischoff, K. Frank, "Temporal structure of the fast electron beam generated in the pseudospark discharge with external triggering" // IEEE Trans. On Plasma Sci. - 2005. - vol. 33 - no 5 - PP. 1648 - 1653.
34. А. V. Bolotov, Yu. D. Korolev, N. V. Landl, О. B. Frants, I. A. Shemyakin and J. Urban / An Investigation of Plasma Parameters of Pulse High - Current Hollow-Cathode Glow Discharge // 15th SHCE Proceedings - Tomsk, 2008. - PP. 244-247.
35. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivasov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin, "Generation of EUV Radiation in Plasma of the High - Current Hollow-Cathode Glow Discharge" // Известия Вузов. Физика. - 2006. - № 11 - Приложение -СС. 169- 172.
36. Yu. D. Korolev, О. В. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin Space - Time Evolution of the Pseudospark Discharge Plasma Emitting Near 13.5 nm // Известия Вузов. Физика. - 2006. - № 11 - Приложение - СС. 217-220.
37. Bolotov А. V., Korolev Yu. D„ Frants О. В., Landl N. V., Shemyakin I. A. The EUV Emission Formation from Pseudospa Discharge Plasma // Изв. вузов. Физика. - 2007. - № 9. - Приложение. - СС. 136- 139.
38. Limited current for a low-pressure pulsed glow discharge with hollow cathode / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin // Proc. 6th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows // Edited by G. A. Mesyats, S. D. Korovin, A. I. Ryabchikov. - Tomsk, Russia. - 23 -28 September2002. -PP. 117-120.
39. Investigation on dense and superdense glow discharge phases in pseudospark electrode systems / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin // IV Intern. Conf. Plasma Phys. and Plasma Techn. Minsk, Belarus. -September 2003. - Vol. 1. - P. 11.
40. Бочков В. Д., Дягилев В. М., Королев 10. Д., Ушич В. Г., Шемякин И. А. Патент РФ № 2089003 (заявка 95117322) на изобретение «Газоразрядный прибор с холодным катодом».
41. Бочков В. Д., Королев Ю. Д., Шемякин И. А. Псевдоискровые разрядники для коммутации больших импульсных токов // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. - Петрозаводск, 1995. - Ч. 3. - СС. 402 - 404.
42. Parallel operation of sealed - off pseudospark switches onto common load / V. D. Bochkov, О. B. Frants, V. G. Geiman, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XVII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Berkeley, 1996.-Vol. 2.-PP. 974-976.
43. V. D. Bochkov, V. M. Djagilev, V. G. Ushich, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin, О. B. Frants, K. Frank "Sealed - off pseudospark switches (current status and prospects)" // Proc. 1st Intern. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics and Modification of Materials - Tomsk, Russia - 24 - 29 September, 2000. - Vol. 2 (12th Symp. on High Current Electronics) - PP. 245 - 249.
44. Псевдоискровые разрядники для схем питания импульсных лазеров / В. Д. Бочков, Ю. Д. Королев, К. Франк, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Изв. вузов. Физика. -2000.-Т. 43 - № 5 - СС. 97- 105.
45. Формирование и развитие сильноточного импульсрого разряда в псевдоискровом разряднике /А. В. Болотов, В. Д. Бочков В. Г. Гейман, Р. В. Ивашов, Ю. Д. Королев, Н. В. Ландль, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001: Мат. конф. - Петрозаводск, 2001. - Ч. 1. - СС. 90 - 95.
46. Methods for reducing the forward voltage drop in pseudospark switches / V. D. Bochkov, V. M. Dyagilev, V. G. Ushich О. B. Frants, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, K. Frank, M. Iberler, J. Urban // Int. power modulator conference abstract book. - Holliwood, USA. - June 30 - July 3, 2002. - P. 141
47. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, I. A. Shemyakin, V. G. Geyman, V. D. Bochkov, R. V. Ivashov, N. V. Landl, K. Frank, M. Iberler, J. Urban, "Features of the pseudospark switch operation at a low anode voltage" // in Proc. The 28th IEEE International Conference on Plasma Science and The 13th IEEE International Pulsed Power Conference, Las Vegas, Nevada, - 2001, PP. 1754 - 1757.
48. Механизм прерывания тока тлеющего разряда низкого давления и переключения тока на дополнительный анод / Н. Н. Коваль, Ю. Д. Королев, И. А. Шемякин, П. М. Щанин, О. Б. Франц // Конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП - 98: Мат. конф. - Петрозаводск, 1998. - Ч. 1. - СС. 297 - 300.
49. Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin, О. В. Frants, К. Frank "Low voltage triggering of a pseudospark switch" // Proc. XlXth Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - September 18-22,2000. - Xi'an, China - Vol. 1 - PP. 335 - 338.
50. Low-voltage triggering for pseudospark switch with an auxiliary glow discharge / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, I. A. Shemyakin, V. G. Geyman, V Dyagilev, V Ushich, V. D. Bochkov, K. Frank, M. Iberler, J. Urban // IEEE Trans. On Plasma Sci. Oct. 2001. - Vol. 29-No. 5. -PP. 796- 801. • .
51. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, et al. "EUV radiation from plasma of a pseudospark discharge in its different stages": Proceedings of SPIE / edited by Kamil A. Valiev - Zvenigorod, 2003. - vol. 5401 - PP. 16 - 21.
52. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, V. N. Landl, I. A. Shemyakin "Energy Input Regimes in the EUV Radiation Source Based on the Pseudospark Discharge" // Proc. XXIInd International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum - Matsue, Japan, September 25 - 29, 2006.
53. Parallel operation of sealed - off pseudospark switches onto common load / V. D. Bochkov, О. B. Frants, V. GL Geiman, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XVII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Berkeley, 1996.-Vol. 2.-PP. 974-976.
Оглавление автор диссертации — доктора физико-математических наук Шемякин, Илья Александрович
Введение.
Глава 1. Разряд низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна. Процесс зажигания.
1.1. Введение.
1.2. Экспериментальная аппаратура и методики.
1.3. Процессы в стадии зажигания разряда.
1.3.1. Общее описание процесса.
1.3.2. Инициирование и формирование вакуумного разряда.
1.3.3. Качественная картина перехода от вакуумного разряда к газовому.42 1.3.4 Формирование разряда при давлениях газа превышающих критическое.
1.4. Явление обрыва тока и потоки "аномальных" ионов в разрядах низкого давления.
1.5.Вывод ы.
Глава 2. Предпробойные явления и механизм зажигания псевдоискрового разряда при принудительном инициировании.
2.1. Введение.
2.2 Экспериментальное исследование процесса зажигания разряда.
2.3. Механизм формирования разряда.
2.3.1. Описание процесса формирования на качественном уровне.
2.3.2. Нестационарная модель формирования разряда.
2.4 Инициирование разряда пучком ионов.
2.5. Выводы.
Глава 3. Пробой в псевдоискровом разряднике при зажигании в полом катоде разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна и тлеющего разряда.
3.1. Введение и краткий обзор.
3.2. Пробой в псевдоискровом разряднике при зажигании в полом катоде разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна.
3.2.1. Разряды с узлом инициирования катодного пятна на основе диэлектриков с малыми в.
3.2.2. Разряды с узлом инициирования катодного пятна на основе диэлектрика с высоким в.
3.2.3. Разряды с узлом инициирования катодного пятна на основе полупроводника.
3.3. Инициирование псевдоискрового разряда при переключении тока стационарного тлеющего разряда из системы вспомогательных электродов на полый катод.
3.4. Выводы.
Глава 4. Процессы в предпробойной стадии и механизм зажигания псевдоискрового разряда при статическом пробое.
4.1. Введение.
4.2. Качественная картина зажигания разряда.
4.3 Влияние геометрии катодной полости и распределения потенциала внутри нее на напряжение статического пробоя.
4.4 Исследование предпробойных токов, протекающих в электродной системе.псевдоискровых разрядников.
4.5. Выводы.
Глава 5. Сильноточные стадии псевдоискрового разряда.
5.1. Краткий обзор и постановка задачи.
5.2. Исследование динамики развития разряда.
5.3. Измерение параметров газоразрядной плазмы.
5.3.1. Экспериментальная аппаратура.
5.3.2.Спектр излучения и методы измерения параметров плазмы.
5.4. Анализ состояния плазмы.
5.5. Механизм токопереноса.
5.5.1. Качественное описание механизма и условие самоподдержания тока.
5.5.2. Ток разряда и сопоставление теории и эксперимента.
5.6. Переход к стадии сверхплотного тлеющего разряда.
5.7. Выводы.
Глава 6. Сильноточные коммутаторы низкого давления с холодным катодом (псевдоискровые разрядники).
6.1.Обзор литературы и постановка задачи.
6.2. Исследование путей улучшения характеристик разрядников на макетах.
6.3. Промышленные разрядники с узлом запуска на основе поверхностного разряда серии
6.3.1. Общее описание, особенности и схемы включения разрядников.
6.3.2. Испытание разрядников на ресурс в режиме сильноточной коммутации.
6.4. Особенности промышленных разрядников с узлом запуска на основе стационарного тлеющего разряда серии ТР1.
6.5. Работа псевдоискровых разрядников в режиме параллельной коммутации на общую нагрузку.
6.5.1. Режим коммутации умеренных токов.
6.5.2. Режим сильноточной коммутации.
6.6. Выводы.
Введение 2011 год, диссертация по электронике, Шемякин, Илья Александрович
Исследования предпробойных явлений и процесса пробоя промежутка при статическом и импульсном напряжениях всегда являлись традиционным разделом физики газового разряда. Именно в результате данных исследований для газов среднего и повышенного давления в классических монографиях Д. Мика и Д. Крэгса [1], а также Г. Ретера [2] была показана определяющая роль электронных лавин в зажигании искрового разряда и обоснованы таунсендовский и стримерный механизмы пробоя. Последующие работы, проведенные в данном направлении и обобщенные в монографии Ю. Д. Королева и Г.А. Месяца [3], показали, что в газах повышенного давления на процесс развития пробоя влияет характер инициирования электронов и возможна реализация объемной формы горения разряда. В настоящей работе будут представлены результаты исследований предпробойных явлений, пробоя и процесса развития импульсных разрядов в газах низкого давления в условиях, когда характерная длина разрядного промежутка меньше или соизмерима с длиной свободного пробега электрона в реакции ионизации и развитие электронных лавин в принципе невозможно. Ниже будут описаны конкретные формы исследуемых разрядов, актуальность, предмет, цели, задачи и представлено краткое содержание работы.
Актуальность и предмет исследований. Известно, что импульсные газовые разряды нашли исключительно широкое применение в коммутаторах тока, что привело к возникновению целого класса разрядников, в соответствие с принятой на сегодня классификацией, получивших название импульсных газоразрядных коммутирующих приборов [4]. Данный класс, включал в себя такие приборы, как импульсные водородные тиратроны [5-7], вакуумные, искровые и лавинные разрядники [8-11], инжекционные тиратроны [12] и т. д., работа которых была основана на различных формах разрядов - тлеющий разряд, искровой и дуговой разряды, наносекундный объемный разряд.
Так как большинство основных характеристик приборов (время коммутации и время запаздывания срабатывания, стабильность и прямое падение напряжения, ресурс работы и т.п.) зависели от формы горения и свойств разрядов, процессу создания коммутаторов всегда предшествовала кропотливая работа, связанная с поиском новых форм разрядов и исследованием их свойств. Изучались предпробойные явления, процесс пробоя и динамика развития разрядов. Наряду с этим, исследовался механизм токопереноса и ввода энергии в газоразрядную плазму и т.д. [3, 13]. При этом открытие новых (а часто забытых старых) форм разрядов и их детальное исследование приводило к появлению коммутаторов нового типа [12, 14-18]. Так появление импульсных объемных разрядов повышенного давления инициируемых электронным пучком позволило создать новые газоразрядные приборы - инжекционные тиратроны, а в последствие и новое направление газовой электроники - инжекционную газовую электронику [12].
К началу 80-х годов бурное развитие импульсной энергетики потребовало от научно-исследовательских институтов и промышленности создания компактных, сильноточных разрядников, коммутирующих импульсы тока в микро и наносекундном диапазоне времен. Как правило, к разрядникам, используемым в схемах питания, выдвигался ряд достаточно жестких и часто противоречивых требований. Так, при малых габаритах, приборы должны были обладать высокой электрической прочностью (рабочее напряжение десятки, а иногда и сотни киловольт), а амплитуда коммутируемого тока составлять десятки килоампер. Разрядники должны были иметь достаточный ресурс работы (полный заряд, коммутируемый разрядником до выхода из строя, не менее 5 ТО3 Кл). Приборы должны были обладать наносекундной стабильностью срабатывания при частоте повторения импульсов до нескольких килогерц и выше. Схемы питания и запуска разрядников должны были быть предельно простыми при минимальном потреблении энергии. В некоторых приложениях требовалось, чтобы прибор мог работать при подаче на потенциальный электрод напряжения не только положительной, но и отрицательной полярности, и не обладал вентильным эффектом. Кроме того, коммутаторы должны были быть экологически чистыми, т. е. не содержать ртуть, фтор и хлорсодержащих компонентов и желательно иметь отпаянное исполнение.
К данному моменту времени как в нашей стране (ОКБ "Вега" и НИИ Газоразрядных приборов, г. Рязань), так и за рубежом (корпорации EEV, Великобритания и EGG, США), выпускали широкое семейство отпаянных водородных тиратронов [5-7], а также разборные и отпаянные образцы искровых и вакуумных разрядников [8-12]. Однако наряду с экстремально высокими значениями отдельных параметров приборы имели ряд недостатков, обусловленных в основном свойствами разрядов, используемых в них [19-21].
С нашей точки зрения максимальной совокупностью полезных свойств обладали водородные тиратроны, действие которых было основано на тлеющем разряде низкого давления. Действительно, как правило, приборы имели отпаянное исполнение, ресурс до 106 Кл, и обеспечивали скорость нарастания тока порядка 5-1011 А/с при анодном напряжении до 100 кВ. Кроме того, отдельные экземпляры разрядников могли работать с частотами десятки килогерц. Тем не менее, приборы обладали рядом недостатков. Главный из них состоял в том, что вследствие того, что для коммутации тока в приборе использовался плотный тлеющий разряд с термокатодом, коммутируемый ток лимитировался последним, при этом величина предельного тока была невелика и не превышала единиц килоампер. Использование термокатода приводило так же к высокому энергопотреблению прибора. Кроме того, приборы не допускали переполяривания коммутируемого тока и не могли работать при подаче на высоковольтный электрод напряжения отрицательной полярности.
Таким образом, создание новых сильноточных коммутаторов требовало поиска, исследования и использования импульсных разрядов, токи которых замыкаются на холодный, или на плазменный катод. Остановимся более подробно на рассмотрении данных разрядов.
Учитывая требования, предъявляемые к коммутаторам, используемые в них разряды должны были обладать как минимум следующей совокупностью свойств:
• способность разрядного промежутка при относительно небольших размерах (межэлектродное расстояние с1 ~ 1 см), выдерживать напряжения десятки киловольт;
• малые времена запаздывания пробоя и коммутации (не более десятков наносекунд при разрядных токах более 100 А);
• низкое напряжение горения (не более сотен вольт);
• замыкание тока на холодный или плазменный катод;
• объемный характер протекания тока в разрядном промежутке и достаточно большая площадь поверхности катода, на которую замыкается ток.
Элементарный анализ показывает, что данным требованиям в ряде случаев удовлетворяют импульсные объемные разряды повышенного давления (порядка атмосферного и выше) и разряды низкого давления, лежащие в левой ветви кривой Пашена. Остановимся на импульсных объемных разрядах повышенного давления.
Появление импульсных объемных разрядов повышенного давления оказалось возможным с одной стороны, благодаря бурному развитию наносекундной техники [22, 23], а с другой стороны, вследствие возникновения концепции многоэлектронного инициирования и теории лавинного размножения [24, 25]. Было сформулировано одно из главных условий зажигания разряда, заключающееся в создании в разрядном промежутке большого числа инициирующих электронов и их последующего ионизационного размножения.
Вследствие своих уникальных свойств импульсные объемные разряды повышенного давления нашли широкое применение для безиндуктивной коммутации токов [12, 24, 25], в качестве активной среды газовых лазеров [26, 27], а также в плазмохимических реакторах [28]. Однако использование самостоятельных объемных разрядов для коммутации токов превышающих десятки и сотни килоампер было ограничено процессом контракции, т. е. переходом объемной формы протекания тока в канальную [3]. В молекулярных газах (азот, воздух, СО2 и смеси на их основе) такой переход происходил в два этапа: возникновение возмущений в приэлектродных областях с привязкой к ним диффузных каналов и прорастание из этих возмущений за очень малые времена высокопроводящих контрагированных каналов [29-32]. Так например, в воздухе даже при давлении 76 Тор и токе около 200 А, самостоятельный объемный разряд переходил в искровой за времена менее 100 не [32]. Естественно, используя данный разряд, было невозможно создать прибор, коммутирующий импульсы тока длительностью сотни наносекунд, амплитудой десятки и сотни килоампер и обладающий при этом достаточным ресурсом работы.
Характер контракции в благородных газах и их смесях с молекулярными газами протекал другим образом [27, 33-35]. Если на первом этапе, так же как и в молекулярных газах, наблюдался диффузный канал, привязанный к области возмущения на катоде, то в последующем на катоде возникали другие возмущения и привязанные к ним диффузные каналы. В конце концов, каналы сливались, образуя в центре столб однородной плазмы, диаметр которой мог составлять несколько сантиметров. Разряд обладал совокупностью свойств тлеющего и дугового разрядов, мог пропускать килоамперные токи при микросекундной длительности, имел низкое напряжение горения и явно объемный характер протекания тока в столбе и получил название сильноточного диффузного [34, 35]. Многие из свойств сильноточного диффузного разряда делали возможным его потенциальное использование в коммутаторах, однако создание отпаянных, компактных приборов на основе данного разряда было в принципе невозможно, вследствие специфики его инициирования.
В 1979 году К. Франк и Д. Кристиансен проводили исследование разряда в ионизационных камерах в газах низкого давления [14]. Электродная система представляла собой две параллельные пластины, а расстояние между пластинами, приложенное к ним напряжение и давление газа соответствовали тому, что пробой происходил в левой ветви кривой Пашена. При приложении к промежутку высоковольтных импульсов напряжения наблюдались яркие разряды амплитудой несколько килоампер по внешнему виду похожие на диффузную искру. Так как традиционно считалось, что искровой разряд развивается в газе высокого давления и имеет контрагированный характер [19, 39], данный вид разряда получил название псевдоискровой (pseudospark discharge) [14].
В дальнейшем электродная система была модифицирована [15, 40-43]. Обычно использовались полые катод и анод, соединенные отверстиями, которые находились вблизи разрядной оси. Разряд мог развиваться как в результате статического пробоя при прикладывании напряжения V0 = Vbr, где Vbr - напряжение статического пробоя, так и при принудительном инициировании при Vq < Vbr. Для принудительного инициирования в катодной полости размещался узел запуска, основанный обычно на различных видах импульсных разрядов и обеспечивающий создание заряженных частиц в полости катода. В некоторых случаях разряд инициировался ультрафиолетовым или лазерным излучением [15]. Сконфигурированный таким образом прибор получил название псевдоискрового разрядника (pseudospark switch) или back light thyratrons [15, 40-43]. Иногда приборы так же называли тиратронами с заземленной сеткой.
Заметим, что термин "псевдоискровой" разряд не являлся ни физически корректным, ни исторически обоснованным. Действительно, еще в 1966 г. Клярфельдом и сотрудниками было показано, что в системе электродов с полым катодом при низком давлении наблюдается импульсный объемный разряд с аномально высокой плотностью тока, названный им сверхплотным тлеющим разрядом [36]. В дальнейшем И. И. Бакалейник разработал сильноточный коммутатор с холодным полым катодом [37]. Однако работы данных авторов остались незамеченными.
С нашей точки зрения, по своим внешним признакам псевдоискровой разряд правильно было идентифицировать как импульсный сильноточный разряд низкого давления с полым катодом, а разрядники, созданные на его основе, как разрядники низкого давления с холодным катодом. Тем не менее, так как исторически термин псевдоискровой разряд и псевдоискровой разрядник стали устоявшимися, мы в работе будем пользоваться ими наряду с указанными выше.
В дальнейшем, изучение динамики формирования и развития разряда показало, что псевдоискровой разряд представляет собой последовательность различных форм тлеющих и дугового разрядов [44, 45], при этом, уже результаты первых работ выявили, что псевдоискровой разряд обладает рядом замечательных свойств. Так скорость нарастания тока достигала величины 1012 А/с при времени запаздывания развития разряда менее ста наносекунд. В ряде случаев эрозия поверхности катода была существенно меньше, чем эрозия в дуговом разряде [42]. В результате этого появились первые лабораторные макеты разрядников низкого давления с холодным катодом - псевдоискровые разрядники [40-42]. Однако приборы обладали рядом недостатков. Так коммутаторы плохо выдерживали зарядное напряжение и часто входили в самопробой. В ряде случаев разрядники имели высокие стартовые потери. Для запуска приборов требовались импульсы напряжения высокой амплитуды. Вследствие этого, к началу девяностых годов еще не существовало промышленных образцов псевдоискровых разрядников. С нашей точки зрения, это было обусловлено тем, что имеющийся экспериментальный и теоретический материал, касающийся механизмов зажигания и развития как разряда горящего в основном промежутке (псевдоискрового разряда), так и разрядов, инициирующих его развитие, был явно недостаточен и в ряде случаев противоречив [43, 46-50]. Так, например, не хватало данных о зависимости времени запаздывания развития пробоя в основном промежутке от амплитуды и полярности приложенного напряжения, давления газа, интенсивности предионизации и т. д., что в свою очередь не позволяло адекватно описать механизм формирования и развития разряда. Непонятны были причины, приводящие к развитию самопробоев и снижению напряжения статического пробоя, что не давало возможность нивелировать данный эффект. Неясен был механизм инициирования разряда, что не давало возможность оптимизировать параметры триггерных разрядов и т. д.
С другой стороны, в лаборатории низкотемпературной плазмы ИСЭ СО РАН, возглавляемой профессором Ю. Д. Королевым, в состав которой входил автор настоящей работы, был накоплен известный экспериментальный и теоретический материал, касающийся импульсных разрядов низкого давления [51-54]. Это давало возможность провести исследование процессов формирования и развития как псевдоискрового разряда, так и триггерных разрядов, инициирующих его зажигание.
Изложенное выше позволяет определить предмет диссертации, как импульсные разряды низкого давления в сильноточных коммутаторах с холодным катодом и заключить, что актуальность настоящей работы обусловлена широким использованием результатов исследования процессов зажигания и функционирования данных разрядов при разработке нового класса сильноточных коммутаторов.
Цель и задачи работы. Цель настоящей работы состояла в получении экспериментальных и теоретических данных касающихся процесса зажигания сильноточных импульсных разрядов низкого давления и последующего применения полученных результатов для разработки промышленных образцов сильноточных коммутаторов с холодным катодом нового поколения. Автором были поставлены следующие задачи:
• применительно к проблеме сильноточной коммутации провести комплексное исследование свойств импульсных разрядов низкого давления с полым катодом, включающее в себя получение набора экспериментальных данных о предпробойных явлениях, характере процесса пробоя и последующем развитии разрядов;
• построить модели, адекватно описывающие полученные экспериментальные данные;
• на основе проведенных исследований сформулировать физические принципы функционирования псевдоискровых разрядников, позволяющие разработать новый класс промышленных сильноточных разрядников низкого давления с холодным катодом (псевдоискровых разрядников);
• для расширения области применения и улучшения характеристик псевдоискровых разрядников провести испытание прототипов приборов и промышленных образцов.
Структура диссертации. Диссертация выполнена на 290 листах и состоит из расширенного введения, шести оригинальных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 34 таблицы и 88 рисунков, а список цитируемой литературы составляет 185 наименований. В начале каждой из глав приведен обзор и сформулированы задачи, которые будут решаться в соответствующем разделе, а в конце - выводы.
Во введении представлены актуальность работы, предмет, цель, основные задачи исследований и сформулированы защищаемые положения.
Первая глава посвящена исследованию процесса зажигания разрядов низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна. Рассматриваются импульсные разряды в электродных системах с полым анодом, межэлектродным промежутком порядка десяти сантиметров, при давлении газа р = 10 -10 Тор, начальном напряжении, существенно превышающем напряжение горения разрядов, и токах I ~ 10-104 А. Приведены экспериментальные данные, описывающие процесс формирования и начальную стадию горения разрядов. Рассматриваются энергетические характеристики разрядов, и проводится исследование потоков ионов, возникающих в при катодных областях. Показано, что характер процесса зажигания определяется плотностью газа. Представлена стационарная полуколичественная теория формирования разряда, базирующаяся на концепции немонотонного распределения потенциала в промежутке. Введены понятия процессов формирования вакуумного и газового разрядов. Показано, что в рамках данной теории возможно непротиворечивым образом объяснить наблюдаемые в экспериментах результаты.
Во второй главе представлены экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся процессов, протекающих в стадии запаздывания развития пробоя, свойств и механизма формирования псевдоискрового разряда в условиях принудительного инициирования. Рассматриваются разряды в воздухе, азоте и гелии в диапазоне давлений р = 10-1—10-3 Тор, начальных напряжениях Уо < 20 кВ и токах г < 10 кА при инициировании пробоя поверхностными разрядами. Показано, что необходимым условием для развития разряда является инжекция в разрядный промежуток интенсивного потока электронов или ионов, при этом, время запаздывания развития пробоя ^ практически не зависит от амплитуды напряжения, приложенного к разрядному промежутку, и падает с ростом давления рабочего газа. Представлены данные о влиянии на величину времени запаздывания пробоя геометрии разрядного промежутка, типа и давления газа и полярности напряжения на потенциальном электроде. На качественном уровне рассмотрен механизм формирования разряда, инициируемого пучком электронов. Сделан вывод, что пробой развивается в результате процесса ионизации атомов остаточного газа электронами, осциллирующими в немонотонной области потенциала, возникшей вблизи анода. В данной ситуации коммутация обусловлена процессом распространения прианодной плазмы к катоду. Приведена нестационарная теория формирования разряда. Показано, что результаты теории находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Представлен механизм формирования разряда в условиях инициирования разряда ионным пучком со стороны анода. В конце главы формулируются принципы, учет которых необходим при разработке псевдоискровых разрядников.
В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с использованием разрядов низкого давления, зажигаемых в полом катоде псевдоискрового разрядника в качестве источников инициирования пробоя в основном промежутке. Показано, что эффективность инициирования пробоя разрядами низкого давления с принудительным зажиганием катодного пятна существенно превышает эффективность инициирования поверхностным разрядом. Представлен набор экспериментальных данных о влиянии типа узлов инициирования катодных пятен и режимов горения разрядов на такие характеристики пробоя в основном промежутке, как времена запаздывания и джиттер. Сделан вывод, что использование узлов инициирования катодного пятна на основе разряда по поверхности диэлектрика с высоким £ и полупроводника, позволяет существенно снизить амплитуду пускового импульса. При этом при токах разряда в единицы ампер времена запаздывания пробоя лежат в наносекундном диапазоне при джиттере в единицы наносекунд. Рассмотрены физические причины, приводящие к этому.
Исследован механизм переключения тока стационарного тлеющего разряда, горящего в системе триггерных электродов, на внутреннюю полость катода основной электродной системы. Представлены физические критерии, при которых этот эффект может иметь место. Сделан вывод, что плазма столба тлеющего разряда, возникающая в полом катоде разрядной системы псевдоискрового разряда, является исключительно эффективным источником инициирования последнего. Рассмотрен метод инициирования псевдоискрового разряда, основанный на переключении тока стационарного тлеющего разряда на основной катод с его последующей незначительной интенсификацией.
Если во второй главе рассматривались процессы, протекающие в стадии запаздывания развития пробоя для псевдоискрового разряда в случае его принудительного инициирования, то четвертая глава посвящена исследованию этих процессов при статическом пробое. Рассматривается пробой в разборной конструкции в азоте и воздухе. Исследуется влияние таких факторов, как форма электродов, введение в полость дополнительных электродов, находящихся под потенциалом и т. п. на величину напряжения статического пробоя. Рассматривается механизм пробоя и дается объяснение "потенциальному" способу запуска псевдоискровых разрядников. Исследуются предпробойные токи, протекающие в электродной системе. Объяснен механизм действия блокирующих электродов. Показаны пути, позволяющие существенно повысить напряжение статического пробоя.
В пятой главе рассматриваются сильноточные стадии импульсного разряда низкого давления с полым катодом. Основное внимание уделяется стадиям плотного тлеющего и сверхплотного тлеющего разрядов в водороде, кислороде i 1 и ксеноне при давлении р — 10 -10 Тор, начальных напряжениях У0 < 20 кВ и токах i < 10 кА. Исследуется динамика развития разрядов в различных электродных системах. Показано, что разряд может гореть в сложных, комбинированных формах.
Большой блок посвящен измерению таких параметров плазмы как концентрация и температура электронов. Рассмотрен способ, позволяющий с высокой точностью измерить температуру тепловых электронов в неравновесной плазме разрядов низкого давления. Проведены исследования излучения плазмы на отдельных спектральных переходах, выполненные с пространственно - временным разрешением. На основе полученных данных проведен анализ процессов рождения и гибели заряженных частиц и анализ механизма ввода энергии в плазму катодной полости. Представлен механизм токопереноса в плазме псевдоискрового разряда, который позволяет непротиворечиво объяснить наблюдаемые в экспериментах закономерности. Обсуждаются причины, приводящие к смене форм горения разряда.
Шестая глава посвящена сильноточным коммутаторам низкого давления с холодным катодом. Описываются приборы, существовавшие на момент постановки настоящей работы, и вскрываются их недостатки. На основе исследований, представленных в главах 1-5, формулируются принципы функционирования псевдоискровых разрядников. Приводятся результаты исследований, проведенных на отпаянных макетах и прототипах промышленных приборов, направленные на поиск путей уменьшения длительности стадии плотного тлеющего разряда и снижения величины напряжения горения разряда в данной стадии. Предложены решения, позволяющие улучшить коммутационную характеристику приборов, снизить их стартовые потери и расширить диапазон работы в области малых токов и низких анодных напряжений. Описаны особенности конструкций, основные характеристики и схемы включения нового класса промышленных сильноточных импульсных разрядников низкого давления с холодным катодом (псевдоискровых разрядников) серии ТЭ1 и ТР1, разработанных на основе исследований, представленных в настоящей работе. Проведено исследование работы разрядников на ресурс в электрических контурах, обладающих различной степенью симметрии растекания тока. Впервые показана возможность работы псевдоискровых разрядников в режиме параллельной коммутации.
На защиту выносятся следующие положения.
1. На начальной стадии вакуумного пробоя в длинных промежутках, при принудительном инициировании катодного пятна формируется следующая структура: плазма катодного пятна; плазма катодного факела, характеризующаяся спадающим потенциалом; двойной слой между плазмами пятна и факела; столб разряда. В двойном слое и катодном факеле ионизуются пары материала катода. При этом ионы, двигающиеся к катоду, ускоряются в двойном слое, а ионный поток к аноду возникает за счет ускорения ионов в области спада потенциала в катодном факеле. Высокая проводимость столба обусловлена компенсацией объемного заряда электронов зарядом ионов, движущихся к аноду. Обрывы тока связаны с разрушением области немонотонного распределения потенциала в двойном слое и катодном факеле.
2. Зажигание газового разряда низкого давления при инициировании пучком электронов происходит, когда со стороны катода распостроняется интенсивный поток электронов и концентрация газа превышает критическую. На стадии запаздывания пробоя вблизи анода возникает область немонотонного распределения потенциала, в которой происходит ионизация газа осциллирующими электронами. Столб разряда формируется при распространении плазмы от анода к катоду. Время запаздывания пробоя не зависит от напряжения, приложенного к зазору и резко возрастает при концентрации газа стремящейся к критической.
3. Зажигание в полом катоде псевдоискрового разрядника разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна и тлеющего разряда с токами единицы ампер приводит к пробою в основном промежутке с временем запаздывания менее 200 не. Использование узла инициирования катодного пятна на основе пробоя по поверхности полупроводника и организация тлеющего разряда путем переключения тока из системы вспомогательных электродов на полый катод, позволяет получать указанные времена запаздывания относительно начала запускающего импульса при его амплитуде менее полутора киловольт.
4. Механизм формирования псевдоискрового разряда при статическом пробое аналогичен случаю пробоя при принудительном инициировании пучком электронов. При этом поток электронов в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода. Увеличение напряжения статического пробоя обусловлено, подавлением эффекта полого катода и, соответственно, уменьшением предпробойных токов. Это может быть достигнуто либо уменьшением размеров области внутри полого катода, где происходит осциллирующее движение и размножение электронов, либо искусственным экстрагированием зарядов из данной области на вспомогательный электрод.
5. В электродной системе псевдоискрового разрядника полость, образованная стенками отверстия в катоде, играет роль полого катода. Основным процессом рождения заряженных частиц в полости является ионизация газа электронами, стартовавшими с поверхности и ускоренными в катодном слое. Плотность тока на катоде, при которой происходит переход от плотного к сверхплотному тлеющему разряду, возрастает с уменьшением атомного веса газа. Смена форм горения обусловлена возникновением взрывоэмиссионных процессов на поверхности катода
6. Сформулированы принципы функционирования псевдоискровых разрядников, позволившие разработать промышленные образцы нового класса отпаянных сильноточных коммутаторов с холодным катодом серий TDI и TPI и впоследствии улучшить их характеристики. Приборы позволяют коммутировать токи в диапазоне от единиц до сотен килоампер в микро и наносекундном диапазоне времен при анодном напряжении до 50 кВ, и допускают подачу на высоковольтный электрод напряжения отрицательной полярности. Разрядники допускают реверс тока и обладают наносекундной стабильностью срабатывания при низкой амплитуде импульсов запуска около 1 кВ и ресурсе до 106 Кл. Приборы могут работать в режиме параллельной коммутации.
Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов подтверждается систематическим и комплексным характером исследования, позволившим получать данные путем использования различных экспериментальных методик исследования плазмы. Используемые методы включали в себя измерения энергетических и спектральных характеристик, регистрацию эволюции образа разряда с высоким пространственно -временным разрешением, определение параметров плазмы с помощью методов спектральной диагностики и т. д. Кроме того, достоверность результатов подтверждается согласием теории с экспериментом.
Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы, были получены следующие результаты.
1. Показано, что характер процесса зажигания импульсных разрядов низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в диапазоне токов i= 10 - 104 А в системах с межэлектродными зазорами порядка десяти сантиметров и начальных напряжениях существенно превышающих пробивное, определяется плотностью и типом газа в промежутке. При низких давлениях наблюдаются колебания напряжения горения и обрывы тока, а при превышении давления газа некоторой критической величины спад напряжения на промежутке происходит монотонно.
2. Предложен механизм токопереноса в импульсных разрядах низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна, основанный на концепции немонотонного распределения потенциала в промежутке.
3. Показано, что для инициирования газовых разрядов низкого давления пучком электронов необходимо наличие интенсивного потока электронов и концентрации газа, превышающей критическую. Механизм формирования разряда обусловлен ионизацией атомов остаточного газа, накоплением в промежутке избыточного положительного заряда, возникновением вблизи анода области "горба" потенциала и последующим распространением плазмы к катоду.
4. Сделан вывод, что формирование псевдоискрового разряда в случае статического пробоя происходит аналогично случаю принудительного инициирования. При этом электронный ток в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода
5. Показано, что эффективность инициирования псевдоискрового разряда разрядами низкого давления с принудительным зажиганием катодного пятна и тлеющим разрядом существенно превышает эффективность инициирования поверхностным разрядом.
6. Предложен способ инициирования пробоя в псевдоискровом разряднике, основанный на переключении тлеющего разряда, горящего в системе вспомогательных электродов на основной катод.
7. Показано, что, псевдоискровой разряд может гореть в сложных, комбинированных, изменяющихся во времени формах.
8. Показано, что величина плотности разрядного тока на катоде, при которой происходит переход от плотного тлеющего разряда к сверхплотному падает с ростом атомного веса газа. Переход обусловлен взрывоэмиссионными процессами на катоде.
9. Представлен механизм токопереноса и ввода энергии в плазму, находящуюся в отверстии в полом катоде, в стадиях плотного и сверхплотного тлеющего разрядов.
Научно-практическая значимость.
1. Сформулированы принципы функционирования псевдоискровых разрядников, на основе которых разработан новый класс промышленных сильноточных разрядников низкого давления с холодным катодом.
2. На отпаянных прототипах коммутаторов и промышленных образцах разрядников проведены исследования, позволившие существенно улучшить характеристики приборов и расширить диапазон их работы.
Личный вклад автора. В представленных в диссертационной работе результатах автор внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Теоретическая работа проводилась совместно с Ю. Д. Королевым и А. В. Козыревым. Исследования свойств разрядов осуществлялись вместе с сотрудниками лаборатории низкотемпературной плазмы Института Сильноточной Электроники СО РАН О. Б. Францем, К. А. Клименко. В. Г. Работкиным, А. В. Болотовым, В. Г. Гейманом и Н. В. Ландлем. Разработка методики диагностики плазмы на основе методов эмиссионной спектроскопии осуществлялась автором единолично, в то время как экспериментальные спектроскопические исследования проводились совместно с Н. В. Кондратьевой и сотрудниками Института Физики Университета Эрланген -Нюрнберг (Германия) К. Франком и Ю. Урбаном. Работы, связанные с испытанием прототипов псевдоискровых разрядников проводились совместно с изготовителем приборов В. Д. Бочковым, О. Б. Францем, К. Франком и Ю. Урбаном. Фамилии других соавторов, принимавших участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Публикации и апробация результатов. Результаты, представленные в диссертации, были получены за период с 1989 по 2008 годы и опубликованы в 64 работах [51 - 114], из них 20 в рецензируемых журналах. Список основных публикаций (исключая тезисы докладов) составляет 53 наименования и приведен в автореферате. По результатам исследований сделано 40 докладов на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
XI Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы (г. Новосибирск, 1989 г.).
XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XXI и XXII Международные симпозиумы по разрядам и электрической изоляции в вакууме (г. Дармштадт, 1992, гг. Москва - С. Петербург, 1994г., г. Беркли, 1996 г., г.Эйндховен, 1998 г., г. Ксиан, 2000 г., г. Ялта, 2004 г. г. Матсуе, 2006 г.);
Третья Международная конференция по электрическим контактам, дугам и их применению (г. Ксиан, 1997 г.);
V Всесоюзная конференция по физике газового разряда ( г. Омск, 1990);
XX, XXII и XXIV Международные конференции по явлениям в ионизованных газах (г. Пиза, 1991 г., г. Хобокен, 1995 г., г. Варшава, 1999 г.);
III Международная Конференция по z - пинчам (г. Лондон, 1993 г.);
VI, VII, VIII, IX и X Всероссийские конференции по физике газового разряда (г. Казань, 1992 г., г. Самара, 1994 г., г. Рязань, 1998, 2000, 2002 гг.);
Международные конференции по физике низкотемпературной плазмы (г. Петрозаводск, 1995, 1998,2001 гг.);
VI и VII Международные Конференции по модификации поверхности пучками частиц и потоками плазмы (г. Томск, 2002, 2004 гг.);
XII Международная конференция высоких мощностей (г. Монтерей, 1999 г.);
XV Международный симпозиум по сильноточной электронике (г. Томск, 2008 г.);
IV Международная конференция по физике плазмы и плазменным приложениям (г. Минск, 2003 г.);
Международная Конференция по мощным модуляторам (г. Голливуд, 2002 г.);
Заключение диссертация на тему "Предпробойные явления и развитие импульсных разрядов в сильноточных коммутаторах низкого давления с холодным катодом"
6.6. Выводы.
1. На отпаянных макетах и прототипах промышленных приборов проведено исследование путей, дающих возможность уменьшить длительность стадии плотного тлеющего разряда и снизить величину напряжения горения. Показано, что развитие площади катода и размещение внутри последнего эмиссионной таблетки, изготовленной из композиционного материала с высокой эмиссионной способностью, позволяет существенно (почти в два раза) снизить напряжение горения. Искусственное инициирование катодного пятна на элементах конструкций, входящих в состав полого катода на стадии запаздывания развития пробоя в основном промежутке, дает возможность практически исключить фазу плотного тлеющего разряда. Предложенные решения позволяют улучшить коммутационную характеристику приборов, снизить их стартовые потери и расширить диапазон работы в области малых токов и низких анодных напряжений.
2. Описаны особенности конструкций, основные характеристики и схемы включения нового класса промышленных сильноточных импульсных разрядников низкого давления с холодным катодом (псевдоискровых разрядников) серии ТЭ1 и ТР1, разработанных на основе исследований представленных в настоящей работе. Разрядники обладают уникальной совокупностью свойств и позволяют коммутировать импульсы тока до 200 кА в микро и наносекундном диапазоне времен при начальных напряжениях до 50 кВ, имеют наносекундную стабильность срабатывания, допускают реверс тока, могут работать при подаче на высоковольтный электрод напряжения отрицательной полярности и имеют высокий ресурс работы.
3. Для разрядников серии ТБ1 показано, что при коммутации сильноточных импульсов (амплитуда около 200 кА и заряд, перенесенный за импульс 0,1-0,2 Кл) ресурс работы существенно зависит от симметрии тока протекающего через прибор. При использовании контуров с симметричным растеканием токов, разрядники имеют ресурс не менее 5'10э Кл. При ассиметричном контуре ресурс может падать более чем на два порядка.
4. Впервые показано, что разрядники низкого давления с холодным катодом можно использовать для параллельной коммутации импульсов тока от единиц до сотен килоампер в микро и наносекундном диапазоне времен.
Заключение
В настоящей работе проведено экспериментальное и теоретическое исследование импульсных разрядов, горящих в сильноточных коммутаторах низкого давления с холодным катодом. Рассмотрены различные стадии сильноточного импульсного разряда низкого давления, горящего в основном промежутке прибора, а также разряды, возбуждаемые в полом катоде и системе вспомогательных триггерных электродов, включающие в себя, поверхностный разряд, разряд с принудительным инициированием катодного пятна и слаботочный тлеющий разряд. Разряды исследовались в азоте, воздухе, гелии, 1 кислороде и ксеноне в диапазоне давлений р = 10 -10 Тор и в широком диапазоне токов от единиц миллиампер до сотен килоампер. Проведенные исследования дали возможность сформулировать физические принципы, позволившие разработать новый класс промышленных сильноточных разрядников низкого давления с холодным катодом - псевдоискровых разрядников. Наиболее важные результаты работы можно сформулировать следующим образом:
1. Характер процесса зажигания импульсных разрядов низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в диапазоне токов /'=10 - 104 А в системах с длинными промежутками определяется концентрацией и типом газа. При низких концентрациях наблюдаются колебания напряжения горения и обрывы тока, а при превышении концентрации некоторой критической величины спад напряжения на промежутке происходит монотонно, а коммутационная кривая имеет гладкий вид.
При концентрации ниже критического в промежутке зажигается вакуумный разряд, распределение потенциала в котором имеет немонотонный вид в прикатодной области. Время коммутации определяется не разлетом плазмы катодного пятна, а временем формирования области немонотонного распределения потенциала. Высокая пропускная способность столба обеспечивается вследствие компенсации объемного заряда электронов потоком ионов, движущихся по направлению к аноду. Формирование разряда при концентрациях превышающих критическое обусловлено накоплением избыточного ионного заряда в промежутке, возникновением "горба" потенциала и генерацией плазмы в прианодной области с последующим распространением плазмы от анода к катоду.
Предложенная концепция позволяет непротиворечиво объяснить экспериментальные данные о малых временах формирования разряда, явлении обрыва тока и наличии потока ионов, ускоренных в направлении анода.
2. Показано, что необходимым условием для зажигания псевдоискрового разряда является инжекция в разрядный промежуток интенсивного потока электронов. Время запаздывания развития пробоя практически не зависит от амплитуды напряжения приложенного к разрядному промежутку и падает с ростом давления рабочего газа, при этом в случае инициирования разряда пучком ионов величина возрастает примерно в два раза по отношению к случаю электронного инициирования.
3. Механизм зажигания псевдоискрового разряда, инициируемого пучком электронов, аналогичен механизму зажигания разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна в условиях, когда концентрация газа в промежутке превышает критическую.
Формирование разряда в условиях инициирования ионным пучком со стороны анода обусловлено последовательным действием накопления избыточного ионного заряда в полости катода и появления виртуального анода, что в свою очередь ведет к развитию разряда, по механизму, описанному в предыдущем абзаце.
4. Исследован пробой в псевдоискровом разряднике в условиях зажигания в полом катоде прибора разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна. Показано, что использование узлов инициирования катодного пятна на основе диэлектрика с высоким £ и полупроводника позволяет получать времена запаздывания пробоя менее 200 не при амплитуду пускового импульса 1,5 кВ и токе единицы ампер.
5. Проведено исследование механизма переключения тока стационарного тлеющего разряда, горящего в системе вспомогательных электродов на полый катод псевдоискрового разрядника. Показано, что необходимыми условиями переключения является диаметр отверстия в аноде триггерной камеры много меньше протяженности отрицательного анодного падения напряжения и нахождение анода под плавающим потенциалом. Предложен метод инициирования зажигания псевдоискрового разряда, основанный на переключении тока стационарного тлеющего разряда на основной катод. Показано, что при амплитуде импульса запуска около одного киловольта и токе запуска менее одного ампера получены времена запаздывания пробоя менее 150 не.
6. Формирование псевдоискрового разряда в случае статического пробоя происходит аналогично случаю принудительного инициирования. При этом поток электронов в разрядный промежуток обеспечивается предпробойными токами, усиленными вследствие эффекта полого катода. Увеличение напряжения статического пробоя связано с сокращением размеров области внутри полого катода, где возможно осциллирующее движение и размножение электронов. Сокращение можно осуществить путем, как механического уменьшения размеров области, так и вследствие электростатического изменения конфигурации поля.
7. Дано объяснение механизма влияния блокирующих электродов на величину напряжения статического пробоя. Показано, что блокирующее действие обусловлено экстрагированием электронов из катодной полости на блокирующий электрод и как следствие, подавлением эффекта полого катода и уменьшением предпробойных токов. Представлены схемные решения, позволяющие повысить напряжение статического пробоя при относительно невысоких значениях блокирующего потенциала и без существенного увеличения времени запаздывания развития пробоя.
8. Впервые показано, что в процессе своего развития псевдоискровой разряд может гореть в сложных, комбинированных, изменяющихся во времени формах, что соответствующим образом отражается на осциллограммах напряжения горения и тока.
9. Сделан вывод, что плотность разрядного тока на катоде, при которой происходит переход от плотного тлеющего разряда к сверхплотному тлеющему разряду, зависит от атомного веса газа. Показано, что переход к сверхплотному тлеющему разряду обусловлен взрыво - эмиссионными процессами на поверхности катода.
10. Проведен анализ состояния плазмы, и представлен модифицированный способ, позволяющий с высокой точностью измерить температуру электронов в неравновесной плазме сильноточного импульсного разряда низкого давления. Проведены исследования излучения плазмы на отдельных спектральных переходах, выполненные с пространственно - временным разрешением и измерены концентрация и температура электронов в различных стадиях развития и в различных областях псевдоискрового разряда. На основе полученных данных, проведен анализ механизма ввода энергии в плазму расположенную внутри отверстия в катоде и анализ процессов рождения и гибели заряженных частиц. Показано, что ввод энергии и соответственно процесс рождения заряженных частиц в плазме обусловлен быстрыми электронами пучка, стартовавшими с катода и ускоренными в катодном слое. Гибель заряженных частиц определятся в основном процессом ухода ионов на катод. Процессами тройной рекомбинации и двойной фоторекомбинации при этом можно пренебречь.
11. Представлен механизм токопереноса в плазме псевдоискрового разряда, который позволяет непротиворечиво объяснить наблюдаемые в экспериментах закономерности. В стадии плотного тлеющего разряда основная доля тока, замыкающегося на катоде, обусловлена ионным компонентом. В свою очередь ток на аноде в основном определяется хаотическими электронами, преодолевшими отрицательный потенциальный барьер. В стадии сверхплотного тлеющего разряда электронный компонент тока на катоде соизмерим по величине с ионным, вследствие резкого возрастания коэффициента вторичной эмиссии у.
12. Сформулированы следующие принципы функционирования псевдоискровых разрядников, позволившие разработать промышленные образцы нового класса отпаянных сильноточных коммутаторов с холодным катодом серии TDI и TPI.
Необходимым условием принудительного запуска разрядников является генерация заряженных частиц в полости электрода содержащего узел запуска и связь полости с разрядным промежутком. Один из вариантов, позволяющих осуществить старт приборов с малыми временами запаздывания и высокой стабильностью срабатывания при низких энергозатратах на запуск, состоит в зажигании в полом катоде разряда низкого давления с принудительным инициированием катодного пятна или тлеющего разряда.
Увеличение рабочего анодного напряжения приборов, а также повышение возможности работы разрядников в области более высоких частот, обусловлено подавлением предпробойных токов, протекающих в полом катоде прибора. Подавление возможно осуществить как путем ухудшения связи разрядного промежутка с катодной полостью и изменением ее физических размеров, так и использованием дополнительных электродов, находящихся под потенциалом.
Возможность псевдоискровых разрядников, имеющих узел запуска в полости заземленного электрода, функционировать при подаче на потетщальный электрод отрицательного напряжения связана с наличием полости в данном электроде. При этом полость должна быть связана с основным промежутком.
Улучшение (уменьшения нерегулярностей) коммутационной характеристики, а так же снижение стартовых потерь приборов связано с максимальным уменьшением длительности стадии плотного тлеющего разряда и снижением его напряжение горения.
13. На отпаянных макетах, и прототипах промышленных приборов проведено исследование путей, дающих возможность уменьшить длительность стадии плотного тлеющего разряда и снизить величину напряжения горения. Показано, что развитие площади катода и размещение внутри последнего эмиссионной таблетки, изготовленной из композиционного материала с высокой эмиссионной способностью, позволяет существенно (почти в два раза) снизить напряжение горения. Искусственное инициирование катодного пятна на элементах конструкций, входящих в состав полого катода на стадии запаздывания развития пробоя в основном промежутке, дает возможность практически исключить фазу плотного тлеющего разряда. Предложенные решения позволяют улучшить коммутационную характеристику приборов, снизить их стартовые потери и расширить диапазон работы в области малых токов и низких анодных напряжений.
14. Описаны особенности конструкций, основные характеристики и схемы включения нового класса промышленных сильноточных импульсных разрядников низкого давления с холодным катодом (псевдоискровых разрядников) серии ТБ1 и ТР1, разработанных на основе исследований представленных в настоящей работе. Разрядники обладают уникальной совокупностью свойств и позволяют коммутировать импульсы тока до 200 кА в микро и наносекундном диапазоне времен при начальных напряжениях до 50 кВ, имеют наносекундную стабильность срабатывания, допускают реверс тока, могут работать при подаче на высоковольтный электрод напряжения отрицательной полярности и имеют высокий ресурс работы.
15. Для разрядников серии ТЭ1 показано, что при коммутации сильноточных импульсов (амплитуда около 200 кА и заряд, перенесенный за импульс 0,1-0,2 Кл) ресурс работы существенно зависит от симметрии тока протекающего через прибор. При использовании контуров с симметричным растеканием токов, разрядники имеют ресурс не менее 5'10э Кл. При ассиметричном контуре ресурс может падать более чем на два порядка.
16. Впервые показано, что разрядники низкого давления с холодным катодом можно использовать для параллельной коммутации импульсов тока от единиц до сотен килоампер в микро и наносекундном диапазоне времен.
Результаты, представленные в работе, были проделаны за период с 1989 по 2008 годы и опубликованы в 64 работах [51-115], из них 20 в рецензируемых журналах. Список основных публикаций (исключая тезисы докладов) составляет 53 наименования и приведен в автореферате.По результатам выполненной работы сделано 40 докладов на Всероссийских, Всесоюзных и Международных конференциях, симпозиумах и семинарах. Часть работ, связанная с сильноточными коммутаторами, защищена патентом [98].
В представленных в диссертационной работе результатах автор внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Теоретическая работа проводилась совместно с Ю. Д. Королевым и А. В. Козыревым. Исследования свойств разрядов осуществлялись вместе с сотрудниками лаборатории низкотемпературной плазмы Института Сильноточной Электроники СО РАН О. Б. Францем, К. А. Клименко. В. Г. Работкиным, В. Г. Гейманом, А. В. Болотовым и Н. В. Ландлем. Разработка методик диагностики плазмы на основе методов эмиссионной спектроскопии осуществлялась автором единолично, в то время как экспериментальные спектроскопические исследования проводились совместно с Н. П. Кондратьевой и сотрудниками Института Физики Университета Эрланген-Нюрнберг (Германия) К. Франком и У. Юргеном. Работы, связанные с испытанием прототипов псевдоискровых разрядников совместно с изготовителем приборов В. Д. Бочковым, О. Б. Францем, К. Франком и У. Юргеном. Фамилии других соавторов, принимавших участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации, и выносимые на защиту, получены автором лично.
В заключении автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту профессору Ю. Д. Королеву за неизменное внимание в работе и творческое обсуждение полученных результатов. Автор так же благодарен сотрудникам лаборатории низкотемпературной плазмы Института Сильноточной Электроники СО РАН и Института Физики Университета Эрланген-Нюрнберг за помощь в практической деятельности и директору ООО Импульсные технологии В. Д. Бочкову за поддержку в работе, связанной с псевдоискровыми разрядниками и плодотворные дискуссии.
Библиография Шемякин, Илья Александрович, диссертация по теме Вакуумная и плазменная электроника
1. Д. Мик, Д. Крэгс. Электрический пробой в газах. - М.: Иностранная литература, 1960. - 605 С.
2. Г. Ретер. Электрические лавины и пробой в газах. М.: Мир, 1968. - 390 С.
3. Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991.-221 С.
4. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. В. Е. Фортова. -М.: Наука, 2000.
5. Фогельсон Т. Б., Бреусова Л. Н., Вагин Л. Н. Импульсные водородные тиратроны. М.: Советское радио, 1974. - 212 С.
6. Gas discharge closing switches. Advances in pulsed power technology / Edited by G. Schaefer, M. Kristiansen and A. Guenther New York: Plenum Press, 1990.
7. Гельцель M. Ю., Панфилов А. Д., Соболев С. С., Юдин Л. И. Характеристики водородных тиратронов // Приборы и техника эксперимента. -1965. -№.2. С. 121.
8. Киселев Ю. В., Черепанов В. П. Искровые разрядники. М.: Советское радио, 1976.
9. Ковальчук Б. М., Кремнев В. В., Месяц Г. А. Лавинный разряд в газе и генерирование нано и субнаносекундных импульсов большого тока // Доклады АН СССР. 1970-т. 191.-№ 1.-СС. 76-78.
10. Ю. Д. Хромой, В. А. Андронова, Р. Г. Антохин и др. Высоковольтный импульсный разрядник ИРТ 4 // Приборы и техника эксперимента. - 1978. -С.195.
11. Бриш А. А., Дмитриев А. Б. Вакуумные искровые реле // Приборы и техника эксперимента. 1963. - №.4. - С. 53.
12. Бычков Ю. И., Королев Ю. Д., Месяц Г. А. и др. Инжекционная газовая электроника. Новосибирск: Наука, 1982. - 236 С.
13. Месяц Г. А. Исследование по генерированию мощных наносекундных импульсов: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Томск, 1966. - 292 С.
14. J. Christiansen and Ch. Schultheiss / Production of Current Particle Beams by Low Pressere Spark Discharges // Z. Physik A. 1979. - vol. 290. - PP. 35 - 41.
15. K. Frank, E. Bogasch, J. Christiansen et al. / High-power pseudo spark and BLT switches // IEEE Trans. On Plasma Sci. - April 1988. - vol. 16 - N. 2 - PP. 317 -323.
16. D. Bloess et al. / The triggered pseudo spark chamber as a fast switch and a high-intensity beam sours //Nucl. Instrum. Methods. - vol. 205 - P. 35 - 1983.
17. P. Billault, et al. / Pseudospark switches // CERN, Geneva, Switzerland, Yellow Rep., CERN, 87 13, 1987.
18. H. Riege and E. Boggasch / High Power, High-Current Pseudospark Switches // IEEE Trans. On Plasma Sci. - October 1989. - vol. 17 - N. 5 - PP. 775 -777.
19. Лозанский Э. Д., Фирсов О. Б. Теория искры. М.: Атомиздат, 1975.
20. Харрис Л. // Вакуумные дуги / Под ред. Дж. Лафферти. М.: Мир, 1982. -С. 53.
21. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1974.
22. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Советское радио. - 1974. - 256 С.
23. Г. А. Месяц, А. С. Насибов, В. В. Кремнев. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970.
24. Месяц Г. А., Бычков Ю. И., Искольдский А. М. Время формирования разряда в коротких воздушных промежутках в наносекундном диапазоне времени // ЖТФ. 1968. - Т. 38. - Вып. 8. - С. 1287.
25. Месяц Г. А., Кремнев В. В., Коршунов Г. С., Янкелевич Ю. Б. Ток и напряжение искры при импульсном пробое. // ЖТФ 1969.- Т.39.- N. 1. -С.75.
26. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Газовые лазеры. М.: Атомиздат, 1971.
27. Елецкий А. В. Эксимерные лазеры // Успехи физических наук. 1978. -Т. 125.-вып. 2.- С. 279-314.
28. Крапивнина С. А. Плазмохимические технологические процессы. -Ленинград: Химия, 1981.
29. Lutz М. A. Glow to arc transition. Critical review // IEEE Trans. On Plasma Sei. - vol. 2 - N. 1 - PP. 1 - 24 - April 1974.
30. Kekez H. H., Hakomaski A. H., Savic P. / The use shock tube and shock wawe concepts in the physicsof electricfl and optical gas discharge // XI Intern. Symp. On shock tubes // Seattle, 1977. PP. 114 - 118.
31. Королев Ю. Д., Хузеев А. П. Формирование искрового канала в объемном разряде, инициируемом пучком быстрых электронов // Теплофизика высоких температур. 1975. - Т. 45. - В. 1. - СС. 861 - 862.
32. Королев Ю. Д., Кузьмин В. А., Месяц Г. А. Наносекундный газовый разряд в неоднородном поле с взрывными процессами на электродах // ЖТФ. -1980. Т. 50 - вып. 4 - СС. 699 - 704.
33. Лисицин В. И., Сорокин А. Р. Электроразрядный Ar Хе лазер высокого давления на ИК переходах // Письма в журн. техн. Физики. - 1979. - Т.5. -вып.14.-СС. 876 - 879.
34. Ю. И. Бычков, Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц и др. Режимы устойчивого горения обьемного разряда, возбуждаемого электронным пучком в с добавками Ar-SF 6 // Письма в журн. техн. Физики. 1977. - Т.З. - вып. 21 - СС. 1121 -1125.
35. Ю. И. Бычков, Ю. Д. Королев, Г. А. Месяц и др Исследование обьемного разряда, возбуждаемого пучком электроннов в смеси Ar SF 6. Часть II // Известия вузов. Физика. - 1978. -N. 7. - СС. 77 - 81.
36. Л. Ю. Абрамович, Б. Н. Клярфельд и Ю. Н. Настич Сверхплотный тлеющий разряд с полым катодом // ЖТФ. 1966. - Т. 36. - Вып. 4. - С. 714.
37. И. И. Бакалейник Новые технические применения эффекта полого катода // Электронная техника сер. 3 "Газоразрядные приборы". 1971. - Т. 16. - N. 2(22). - СС. 69 - 74.
38. А. А. Вилк, А. А. Салк. Новый мощный высоковольтный коммутатор // Труды XI Всесоюзн. Конф. по Физике лазеров. Лохусалу, 22 - 25 сентября, 1988.-СС.1 - 11.
39. G. Mechtersheimer et al. / High repetition rate, hast current rise, pseudo-spark switch / J. Phys. E: Sci.Insrum. 1986. - Vol. 19 - PP. 466 - 470.
40. K. Frank and J. Christiansen / The fundamentals of the pseudospark and its applications // IEEE Trans. On Plasma Sci. October 1989. - vol. 17 - N. 5 - PP. 748 - 753.
41. Claudius Kozlik et al. / Triggered Low Pressure Pseudospark - Based High Power Switch // IEEE Trans. On Plasma Sci. - October 1989. - vol. 17 - N. 5. - PP. 758 - 761.
42. T. Mehr, R. Tkotz, J. Stenzenberger, G. Hintz, J. Christiansen, P. Felsner, K. Frank, and M. Stetter "The bottleneck in pseudospark discharges" // J. Appl. Phys. -1995. vol. 79 - N. 2 - PP. 625 - 630.
43. M. Stetter, P. Felsner, J. Christiansen, K. Frank, A. Gortler, G. Hintz, T. Mehr, R. Stark, and R. Tkotz "Investigation of the different discharge mechanisms in pseudospark discharges" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1995. - vol. 23 - N. 3 -PP. 283 -293.
44. F. Favre, P. Choi, H. Chuaqui, Y. Kaufman, J. Moreno, E. Wyndham, and M. Zambra "Hollow cathode effect in charge development processes in transient hollow cathode discharge" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1995. - vol. 23 - N. 3 - PP. 212 -220.
45. J. P. Boeuf and L. C. Pitchford "Pseudospark discharge via computer simulation" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1991. - vol. 19 - PP. 286 - 296.
46. L.C. Pitchford "Predicted Emittance and Brihtness of the Pseudospark Electron-Beam" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1995. - vol. 23 - PP. 243 - 247.
47. W. Hartman, V. Dominic, G.F. Kirkman, and M.A. Gundersen "An analysis of the anomalous high-current cathode emission in pseudospark and back of - the-cathode lighted thyratron switches" // J. Appl. Phys. - 1989. - vol. 65 - N. 11 - PP. 4388 -4395.
48. Формирование импульсного разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна / Н. Н. Коваль, Ю. Д. Королев, В. Б. Пономарев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин, П. М. Щанин // Физика плазмы. 1989. - Т. 15, вып. 6. - С. 747 - 752.
49. Козырев А. В., Королев Ю. Д., Шемякин И. А. Процессы в катодной области дугового разряда низкого давления // Изв. высш. учебн. завед. Физика. 1994. -№3.-СС. 5-25.
50. Исследование механизма зажигания разряда в псевдоискровых разрядниках низкого давления / К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин // Физика плазмы. 1991. - Т. 17. -вып. 10.-СС. 1256- 1262.
51. Low pressure discharge in pseudosparks / К. A. Klimenko, A. V. Kolesnikov, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XX Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Pisa, Italy, 1991. - Vol. 2. - PP. 492 - 493.
52. Параллельная работа псевдоискровых разрядников на общую нагрузку / К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, И. А. Шемякин // Приборы и техника эксперимента. 1992. - № 6. - СС. 135 - 139.
53. Сильноточные разрядники низкого давления с холодным катодом / В. Д. Бочков, Ю. Д. Королев, И. А. Шемякин // VII Конф. по физике газового разряда. Тез. Докл. Ч. I. Самара, 1994. - СС.40 - 42.
54. V. D. Bochkov, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin. High-current ceramic-metal sealed-off pseudospark switches (designs and applications) // Proc. XVII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Berkeley, 1996. - Vol. 2. -PP. 977-980.
55. Исследование механизма запуска псевдоискровых разрядников с узлом поджига на основе поверхностного разряда / В. Д. Бочков, А. В. Болотов, В. Г. Гейман, Н. В. Ландль, Р. В. Ивашов, Ю. Д. Королев, О. Б. Франц, И. А.
56. Шемякин // XI Всерос. конф. по физике газового разряда ФГР-2002 Рязань -2000-Ч. 1 -СС. 123 - 125.
57. Режимы запуска псевдоискрового разрядника со вспомогательным тлеющим разрядом в узле поджига / К. А. Клименко, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. 1992. - Т. 62, вып. 10.-СС. 74-80.
58. Исследование псевдоискрового разрядника со вспомогательным тлеющим разрядом в цепи запуска / К. А. Клименко, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. -1992.-Т. 62, вып. 2. С. 456.
59. Режимы запуска псевдоискрового разрядника с узлом поджига на основе тлеющего разряда / К. А. Клименко, Ю. Д. Королев, В. Г Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // VI Конф. по физике газового разряда Казань - Тез. Докл. -Ч. I. - 1992. - СС. 95 -99.
60. Electrical breakdown mechanism in pseudospark switches / K. A. Klimenko, A. V. Kozyrev, Yu. D. Korolev, V. G. Rabotkin, I. A. Shemyakin // Proc. XV Intern. Symp. on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum Darmstadt, 1992. - PP. 467 - 469.
61. А. В. Болотов, А. В. Козырев, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин Механизм статического пробоя псевдоискрового разрядника // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. -Петрозаводск, 1995. Ч. 2. - СС. 216 - 217.
62. Исследование предпробойных токов, протекающих в псевдоискровых разрядниках / В. Д. Бочков, А. В. Колесников, Ю. Д. Королев, В. Г. Работкин, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Журн. техн. физики. 1997. - Т. 67 - вып. 10.
63. Исследование потоков ионов, возникающих в прикатодных областях дуги низкого давления / Н. Н. Коваль, Н. П. Кондратьева, Ю. Д. Королев, И. А. Шемякин, П. М. Щанин // Изв. АН Сер. физическая 1999. - Т. 63 - № 11. -СС. 2271 - 2275.
64. Yu. D. Korolev, О. В. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin, K. Frank, I. Petzenhauser. High-current low pressure pulsed glow discharge with a hollow cathode // Proc. 7th International Conference on
65. Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows Tomsk, Russia -25 - 29 July - 2004 - PP. 107 - 110.
66. А. V. Bolotov, Yu. D. Korolev, N. V. Landl, О. B. Frants, I. A. Shemyakin and J. Urban / An Investigation of Plasma Parameters of Pulse High Current Hollow-Cathode Glow Discharge // 15th SHCE Proceedings - Tomsk, 2008. - PP. 244-247.
67. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivasov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin, "Generation of EUV Radiation in Plasma of the High Current Hollow-Cathode Glow Discharge" // Известия Вузов. Физика. - 2006. - № 11 -Приложение - СС. 169 - 172.
68. Yu. D. Korolev, О. В. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, I. A. Shemyakin Space Time Evolution of the Pseudospark Discharge Plasma Emitting Near 13.5 nm // Известия Вузов. Физика. - 2006. - № 11 - Приложение - СС. 217-220.
69. Bolotov А. V., Korolev Yu. D., Frants О. В., Landl N. V., Shemyakin I. A. The EUV Emission Formation from Pseudospa Discharge Plasma // Изв. вузов. Физика. 2007. - № 9. - Приложение. - СС. 136 - 139.
70. Развитие импульсного разряда низкого давления в псевдоискровых разрядниках. / Ю. Д. Королев, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // X Всерос. конф. по физике газового разряда ФГР 98 - Рязань, 2000. - Ч. 1 - СС. 144- 145.
71. Investigation on dense and superdense glow discharge phases in pseudospark electrode systems / Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N.
72. V. Landl, I. A. Shemyakin // IV Intern. Conf. Plasma Phys. and Plasma Techn. Minsk, Belarus. September 2003. - Vol. 1. - P. 11.
73. Бочков В. Д., Дягилев В. М., Королев Ю. Д., Ушич В. Г., Шемякин И. А. Патент РФ № 2089003 (заявка 95117322) на изобретение «Газоразрядный прибор с холодным катодом».
74. Бочков В. Д., Королев Ю. Д., Шемякин И. А. Псевдоискровые разрядники для коммутации больших импульсных токов // Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. Петрозаводск, 1995. -Ч. З.-СС. 402-404.
75. Псевдоискровые разрядники для схем питания импульсных лазеров / В. Д. Бочков, Ю. Д. Королев, К. Франк, О. Б. Франц, И. А. Шемякин // Изв. вузов. Физика. 2000. - Т. 43 - № 5 - СС. 97- 105.
76. Methods for reducing the forward voltage drop in pseudospark switches / V. D. Bochkov, V. M. Dyagilev, V. G. Ushich О. B. Frants, Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin, V. G. Geyman, R. V. Ivashov, N. V. Landl, K. Frank, M. Iberler, J.
77. Urban // International power modulator conference abstract book. Holliwood, USA. - June 30 - July 3, 2002. - P. 141
78. Yu. D. Korolev, I. A. Shemyakin, О. В. Frants, К. Frank "Low voltage triggering of a pseudospark switch" // Proc. XlXth Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum September 18 - 22, 2000. - Xi'an, China - Vol. 1 -PP. 335 - 338.
79. Yu. D. Korolev, О. B. Frants, V. G. Geyman, et al. "EUV radiation from plasma of a pseudospark discharge in its different stages" : Proceedings of SPIE / edited by Kamil A. Valiev Zvenigorod, 2003. - vol. 5401 - PP. 16 - 21.
80. Крейндель Ю. E. Плазменные источники электронов — M.: Атомиздат, 1977. — 145 с.
81. Коваль Н. Н., Крейнделъ Ю. Е., Месяц Г. А. и др. Эффективное использование дуги низкого давления в сетчатом плазменном эмиттере электронов // Письма в ЖТФ. 1983. - Т. 9. - С. 568.
82. Vizir А.V., Oks Е.М., Shandrikov M.V. Generation of Space Charge Compensated Low Energy Ion Flux. // Rev. Sci. Instrum. 2008 - 02B719 - P.79.
83. V.A. Burdovitsin, E.M. Oks. Fore-vacuum plasma-cathode electron sources // Laser and particle beams. 2008. - 26. - Iss. 04. - P.619-635.
84. Ковальчук Б. М., Месяц Г. А. Генератор мощных наносекундных импульсов с вакуумной линией и плазменным прерывателем // ДАН СССР. -1985.-Т. 284.-С. 857.
85. Бугаев С. П., Литвинов Е. А., Проскуровский Д. И., Месяц Т. А. Взрывная эмиссия электронов // УФН. — 1975. — Т. 115,—Вып. 1. — С. 401—120.
86. Месяц Г. А., Проскуровскии Д. И. Импульсный электрический разряд в вакууме. Новосибирск: Наука, 1984. — 256 с.
87. Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде Новосибирск: Наука, 1982.
88. Коваль Н. Н., Крейндель Ю. Е., Литвинов Е. А. и др. Развитие кнудсендовской дуги с катодным пятном // ДАН СССР. . 1988. - Т. 300. - С. 1108.
89. Плютто А. А., Рыжков В. И., Капин А. Т. Высокоскоростные потоки плазмы вакуумных дуг. // ЖЭТФ. 1964. - Т. 47. - С. 494.
90. Кимблин С. У. Экспериментальные исследования плазматронов. -Новосибирск: Наука, 1977. СС. 226 - 253.
91. Kutzher J., Miller Н. С. Ion Flux fom Cathode Region of a vacuum arc // Proc. XIII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Paris, France, 1988.-P. 226.
92. H. C. Miller. Constraints imposet upon theories of the vacuum arc cathode region by specific energy measurement // J. Appl. Phys. 1981. - V. 52. - P. 4523.
93. Davis W. D., Miller H. C. Analysis of the electrode products emitted by arcs in a vacuum ambient // J. Appl. Phys. 1969. - V. 40. - P. 2212.
94. Суладзе К. В., Цхадая Б. Л., Плютто Л. А. .Особенности формирования интенсивных пучков электронов в ограниченной плазме. // Письма в ЖЭТФ. -1969. Т. 10. - Вып. 6 - СС. 282 - 285.
95. Stephanakis S. J., Apruzese J. P., Burkhalter P. G. et al. Effect of pulse sharpenning of imploding neon Z-pinch plasmas // Appl. Phys. Lett. Mar 1986. -Vol. 48. -N. 13. - PP. 829—831.
96. J. M. Grossman, S. В. Swanekamp, P. F. Ottinger et al. Gap formation processes in a high density plasma opening switches // Phys. Plasmas. - 1995. -v.2. N.I., PP. 299-309.
97. Ottenger P. F., Goldstein S. A., Meger R. A. Theoretical modelling of the plasma erosion opening switch for inductive storage applications // J. Appl. Phys. -1984. Vol. 56. - N 3. - PP. 774-784.
98. Meger R. A., Comisso R. J., Coopersteln G., Goldstein S. A. Vacuum inductive store / pulse compression experiments on a high power accelerator using plasma opening switches // Appl. Phys. Lett. 1983. - Vol. 42. - N. 11. - PP. 943 - 944.
99. Абдуллин Э. H., Баженов Г. П., Бастриков А. И. и др. Сильноточный плазмонаполненный диод в режиме прерывателя тока // Физика плазмы. 1985. -Т. 11. -СС. 109-110.
100. Луценко Е. И., Середа II. Д., Димитрова Б. Д. Механизм неустойчивости сильноточного прямого разряда при низком давлении газа // Физика плазмы. -1984.-Т. 10.-.№. 1.-СС. 151 164.
101. Диагностика плазмы / под редакцией Р. Хадлстоуна, С. Леонардо // Москва: Мир, 1967.
102. Методы исследования плазмы / под редакцией Лохте-Хольтгревена // Москва: Мир, 1971.
103. V. Avtaeva, G. N. Kurtynina, D. К. Otorbaev. Spectroscopic investigation of particles velocity distribution functions in vacuum arc plasmas // Ргос. XIII Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Paris, France, 1988. -PP. 223 -225.
104. Шантурин Л. П. Синтез анодно-плазменных систем формирования электронных потоков // Радиотехника и Электроника, 1980. - № 3. - СС. 612—622.
105. Козырев А. В. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ. мат. наук. Томск, 1995.
106. В. И. Бабанин, А. Я. Эндер. Об условии поджига разряда в диоде с локальной ионизацией // ЖТФ. .1979. - Т. 49, - С. 2606.
107. T. Hsu, G. Kirkman, M. Gundersen / Multiple gap back - lighted thyratrons for high power application // IEEE Trans. On El. Dev. - April 1991. - vol. 38, - N. 4.
108. K. Bergmann, G. Schriever, O. Rosier, et al. "Highly repetitive, extreme-ultraviolet radiation source based on a gas-discharge plasma" // Appl. Optics. 1999. -vol. 65-PP. 5413 - 5417.
109. J. Pankert, K. Bergman, J. Klein, et al. "Physical Properties of the EUV Source" // Proceedings of SPIE, edited by Roxann L. Engelstad - vol. 4688 - PP. 87 - 94 - SPIE, 2002.
110. J. P. Boeuf and L. C. Pichford. Pseudospark discharge via computer simulation // IEEE Trans. On Plasma Sci. Oct., 1991. - Vol. 19. - PP. 286 - 296.
111. G. A. Mesyats and V. F. Puchkarev "On mechanism of emission in pseudosparks" // Proc. XVth Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Darmstadt, 1992 - PP. 488 - 489.
112. V. F. Puchkarev "Fast processes on cathode surface resulting in pseudospark discharge" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1993. - vol. 21 - no. 6 - PP. 725 - 730.
113. G. A. Mesyats "Ecton avalanche of electrons from metal" // Usp. Fiz. Nauk. - 1995. - vol. 165 - no. 6 - PP. 601 - 626.
114. G. A. Mesyats "Ecton Mechanism of the vacuum arc cathode spot" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1995. - vol. 23 - no. 6 - PP. 879-883.
115. A. Anders and S. Anders "Electron emission from pseudospark cathodes" // J. Appl. Phys. 1994. - vol. 76 - no. 3 - PP. 1494-1502.
116. A. Anders, S. Anders, M. A. Gundersen and A. M. Martsinovskii "Self-sustained self-sputtering: A possible mechanism for the superdense glow phase of a pseudospark" // IEEE Trans. On Plasma Sci. 1995. - vol. 23 - no. 3 - PP. 275 -282.
117. G. Lins, W. Hartman. Metal vapour densities in pseudospark swiches with tantalum carbide cathodes // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. - vol. 26 - PP.2154 -2158.
118. D. Bloess et al. The triggered pseudo spark chamber as a fast switch and a high - intensity beam sours // Nucl. Instrum. Methods. - 1983. - vol. 205 - P. 35.
119. O. Almen et al. / Triggered Low-Pressure Pseudospark Based High Power Switch / Proc. XVII Intern. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. - Paris, 1988.-Vol. 2.-PP. 381 - 383.
120. P. Billault, et al. / Pseudospark switches // CERN, Geneva, Switzerland, Yellow Rep., CERN, 87 13, 1987.
121. A. Gortier, et al. Investigation of Pulsed Flashover for the Triggering of Pseudospark High-Power Switches // IEEE Trans. On Plasma Sei. October - 1989 -vol. 17-N. 5 - PP. 762 - 765.
122. G. Mechtersheimer et al. Multichannel pseudo-spark switch (MUPS) // J. Phys. E: Sci.Insrum. 1987. - Vol.21 - P. 270.
123. Бочков В. Д., Зайдман С. ILL, Петрушев Д. П. Сильноточные управляемые разрядники низкого давления // Приборы и техника эксперимента 1992.-№ 1-С. 229.
124. Б. И. Москалев. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969. - 184 С.
125. Yu. D. Korolev, К. Frank "Discharge formation process and glow-to-arc transition in pseudospark switch" // IEEE Trans. Plasma Sei. 1999. - vol. 27 - no. 5 - PP. 1525 - 1537.
126. P. Felsner, M. Stetter, W. Hartmann, A. Linsenmeyer, J. Christiansen, and K. Frank "Investigation of cathode phenomena in pseudospark discharges" // J. Appl. Phys. 1994. - vol. 76 - no. 10 - PP. 5661 - 5665.
127. W. Hartmann and G. Lins "The spatial and temporal development of pseudospark switch plasmas" // IEEE Trans. On Plasma Sei. 1993. - vol. 21 - no. 5 -PP. 506 - 510.
128. A. V. Bolotov, A. V. Kozyrev and Yu. D. Korolev "Cathode layer of vacuum arc with a low current density" // Teplofiz. Vysokikh Temper. 1990. - vol. 28 - PP. 1228 - 1229.
129. А. V. Bolotov, А. V. Kozyrev and Yu. D. Korolev "Model for the cathode layer of vacuum arc at non monotonie potential distribution in a near - cathode plasma" // Fizika Plazmy. - 1993. - vol. 19 - no. 5 - PP. 709 - 719.
130. Плазма в лазерах / Под ред. Дж. Бекефи // Москва: Атомиздат, 1982.
131. Биберман JI. М., Воробьев В. С., Якубов И. Т. / Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы / Москва: Наука, 1982. 375 С.
132. Зайдель А. П., Прокофьев В. К., Райский С. М. / Таблицы спектральных линий // Москва: Наука, 1977. 800 С.
133. Стриганов А. Р., Свентицкий И. С. / Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов // Москва: Атомиздат, 1966. 898 С.
134. Spectral lines by Kurukz, compiled by Claas Heise // http:// cfa-www.harvard.edu/ampdata/ampdata/kurukz23 / secur.html
135. Волков Я. Ф., Митина И. И. О световых характеристиках ФЭУ, работающих в режиме регистрации световых импульсов // Журнал прикладной спектроскопии. 1972. - Т. 17. - Вып. 4. - СС. 677 -781.
136. Зайдель А. И., Островская Г. В. Техника и практика спектроскопии -Москва: Наука, 1972. 375 С.
137. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию -Москва: Наука, 1979. 375 С.
138. Грим Г. Спектроскопия плазмы Москва: Атомиздат, 1964.
139. Плазма в лазерах / под ред. Дж. Бекефи Москва: Атомиздат, 1982.
140. Корглис Ч., Бозман У. Вероятности переходов и сил осцилляторов для 70 элементов Москва: Мир, 1968.
141. Фриш Э. Оптические спектры атомов Москва: Наука, 1964.
142. JI. А. Вайнштейн, И. И. Собельман, Е. А. Юков. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. М.: Наука, 1973.
143. К. Н. Ульянов. Сверхплотный тлеющий разряд. Теория катодной области // Теплофиз. Высоких Темпер. -1999. том. 37 - N. 3 - СС. 363 - 373.
144. И. И. Аксенов и др. Импульсные коммутирующие газоразрядные приборы с холодным катодом // Обзоры по электронной технике. Вып. 4 (208) -Москва: ЦНТИИ "Электроника", 1974.
145. А. В. Вишневский и др. Газоразрядный прибор / Авторское свидетельство СССР № 505052 // Бюллетень Изобретений № 8 - 20.02.1976.182. http://cgi.ebay.com/NEW-EG-G-HY-l 102-HY1102-Нуdrogen-Thyratron-TubeWOQQitemZ 140016446747QQcmdZViewItem.
146. Богданова Н. П., Малолетков Б. Д. Работа катода с развитой поверхностью в условиях сильноточного импульсного разряда // Тез. докл. Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике. Рязань, 1996. -СС. 125-126.
147. Арефьев А. С., Богданова Н. П., Малолетков Б. Д. Характеристики тиратрона с холодным катодом // Тез. докл. VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Т.З. Свердловск, 1990. - С.47.
148. Кудинцева Г. А. Термоэлектронные катоды. Москва.: Энергия, 1966. -С. 90.
-
Похожие работы
- Разработка и исследование катодных узлов с повышенным токоотбором для газоразрядных коммутаторов тока
- Газоразрядные коммутаторы тока низкого давления для индуктивных накопителей энергии
- Моделирование процесса формирования импульсного разряда в коротких двухэлектродных промежутках с холодным катодом низкого и среднего давления
- Волны ионизации и их использование для управления быстродействующими газоразрядными коммутаторами
- Исследования предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками в микросекундном диапазоне
-
- Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах
- Вакуумная и плазменная электроника
- Квантовая электроника
- Пассивные радиоэлектронные компоненты
- Интегральные радиоэлектронные устройства
- Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники
- Оборудование производства электронной техники