Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 78. Области существования анодного и катодного механизмов пробоя к силы тока, вызывающие пробой.
ру анодного пятна и составляла 0,3—1,5 Мет)см2. Расчет показал, что в этом случае температура в анодном пятне близка к температуре плавления соответственно меди или вольфрама. Измерения проводились с монокристаллическими электродами диаметром 4 мм в вакууме лучше IO-9 мм рт. ст. при постоянном напряжении до 50 кв. Из оценочных расчетов можно предположить, что в данных условиях при нагреве анодного пятна до плавления начинал расти выступ, чем и объясняется критичность нагрева анодного пятна до плавления как условия возникновения пробоя.
Интересно отметить, что в экспериментах Утзуми при сильном ограничении энергии послепробойного разряда выступ на катоде, ток с которого вызывает пробой, не разрушался даже в результате нескольких пробоев, однако при каждом пробое изменялся коэффициент увеличения поля на вершине \i. При этом была замечена определенная закономерность: при пробоях, вызванных анодным механизмом, \i увеличивалось, что приводило при следующем пробое к увеличению вероятности
260
катодного механизма пробоя; пробой с катодным механизмом приводил к уменьшению \і. Таким образом, при последовательных пробоях и сильном ограничении тока разряда могло наблюдаться как бы чередование катодного и анодного механизмов пробоя. Эти опыты подтвердили также сделанный при теоретическом рассмотрении вывод о том, что если [і выше критического значения, то пробой вызывается катодным механизмом, если ниже —анодным.
Как видно из предыдущего описания, пробои, вызванные автоэлектронной эмиссией, начинают развиваться только после нагрева до высокой температуры эмиттирующего катодного выступа или участка анода, бомбардируемого электронным пучком. Этот нагрев требует определенного времени, которое во многих случаях составляет основную часть времени запаздывания развития пробоя. Согласно полученному ранее выражению (7), радиус анодного пятна га, э больше высоты выступа h
в YsIh раз. Поэтому характерное время нагрева анодного пятна во много раз больше характерного времени нагрева катодного выступа. Например, при типичных для вакуумной изоляции параметрах h~ 1 -т—3 мкм и s = 0,1 -ї-1 мм характерное время нагрева вершины выступа составляет не более IO-7 сек, а характерное время разогрева анодного пятна — единицы и десятки микросекунд, т. е. на 1,5—2,5 порядка больше. Поэтому анодные механизмы пробоя развиваются значительно медленнее катодного.
Эта неодинаковая длительность развития приводит к тому, что при импульсах напряжения короче нескольких микросекунд эффективность анодных механизмов снижается и пробои с катодным механизмом становятся доминирующими во все большем диапазоне условий по мере укорочения импульса напряжения. При наносекундных импульсах напряжения катодный механизм остается единственно возможным. Расчеты сравнительной эффективности анодного и катодного механизмов применительно к выступам цилиндрической формы и длительности импульсов микросекунда и меньше имеются в работе [342].
При ВЧ-напряжении часть заряженных частиц, эмиттирован-ных одним из электродов, может возвращаться к этому электроду, обладая значительной кинетической энергией (см. рис. 49). Поэтому при ВЧ-напряжении нагрев катодного выступа может быть усилен за счет возврата эмиттированных электронов. Оценки показывают, что выделяемая такими электронами мощность на катоде может достигать примерно 25% мощности, выделяемой автоэлектронным пучком на аноде. Расчет джоулева нагрева эмиттирующего выступа при ВЧ-напряжении сделан в работе [353].
Проведенный анализ роли автоэлектронной эмиссии с выступа на катоде предполагает постоянство работы выхода и, что более существенно, полную обезгаженность обоих электродов.
261
Оценки, хотя бы полуколичественные, или экспериментальные данные о роли десорбции газа нам неизвестны. Можно предположить, что на рассмотренные процессы наиболее существенно может повлиять десорбция газа из эмиттирующего выступа. Ионизация этого газа вблизи эмиттера и появление положительного объемного заряда могут значительно облегчить переход к самопроизвольному росту автоэлектронного тока и к пробою вакуумного промежутка. При описании пробоя промежутка с катодом в форме острия были приведены аргументы некоторых исследователей в пользу участия десорбированного газа из эмиттирующего острия в развитии пробоя. Тот же эффект может иметь место и при автоэлектронной эмиссии с катодного выступа при плоских электродах.
Влияние газов, адсорбированных анодом, на образование положительного объемного заряда и на бомбардировку катода ионами, по-видимому, менее существенно. Этот вывод можно сделать на основании оценки, которая показывает, что из анодного пятна должно испариться большое число молекулярных слоев, чтобы из-за ионизации выделившихся паров в объеме образовались ионы в количестве, достаточном для инициирования пробоя рассмотренными процессами. Однако наличие в поверхностном слое анода большого количества растворенных газов или же отдельных, хотя бы микроскопических, раковин, заполненных газом, может существенно облегчить возникновение пробоя из-за образования в межэлектродном зазоре значительного числа положительных ионов.
