Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Дальнейшее развитие вакуумной техники и изучение свойств вакуумной изоляции несомненно должны привести к улучшению последней, и преимущества ее перед газовой будут еще значительнее. Как пример улучшения вакуумной изоляции можно привести предложенное сравнительно недавно покрытие катода тонкой изоляционной пленкой или использование в качестве
8
катода полупроводников с ионной проводимостью (гл. 6). Это
уменьшает на несколько порядков токн, текущие между электродами при напряжении ниже пробивного, а само пробивное напряжение становится заметно выше приведенных на рис. 1 значений t/щ, для чисто металлических электродов.
Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения Uпр от межэлектродного расстояния для газовой и вакуумной изоляции:
1 — воздух р«-1 ата\ 2-^элегаз р*=1 ата\ заштрихованная область — вакуумная изоляция
Из-за относительной сложности получения вакуума и хорошего обезгаживания деталей применение вакуумной электроизоляции в этой области еще сравнительно невелико, однако развитие техники и особенно бурный рост исследований космического пространства (с его «бесплатным» вакуумом) неизбежно приведут к расширению ее применения. Высокое качество вакуума как изолятора в некоторых случаях дополняется другими преимуществами, например отсутствием потерь на трение о газ или жидкость при наличии движущихся деталей. Это может оказаться очень выгодным при создании электростатических генераторов [1, 2]. Одним из интересных примеров использования преимуществ вакуума и вакуумной изоляции является попытка использования электростатических сил для подвешивания бы-стровращающегося ротора гироскопа, для работы которого очень важно свести к минимуму трение в опорах и вентиляционные
потери [3].
Второе наиболее важное и широкое применение вакуум как изолятор находит там, где он представляет естественную сре-
Unf
;
0,1 OjJ 1 3 W 30 s,mm
9
ду, вне которой невозможны основные процессы в том или ином приборе или аппарате. Сюда относятся различного рода ускорители заряженных частиц, электрореактивные космические двигатели, электростатические сепараторы быстрых заряженных частиц, электронные микроскопы и подавляющее большинство разнообразных электровакуумных приборов. В отличие от первой области, где некоторые задачи могут быть решены применением других видов изоляции, здесь нет иного пути, кроме создания вакуумной изоляции при тех напряжениях, напряженностях и конфигурации электродов, которые необходимы для выполнения основных функций.
Диапазоны напряжения и других параметров в этом случае очень широки, и часто обеспечение надежности представляет настолько сложную задачу, что ограничивает возможности создания того или иного прибора.
О том, насколько могут быть велики трудности, вызванные нарушениями вакуумной электроизоляции, свидетельствует история разработки сильноточного линейного ускорителя ионов MTA Марк I (Ливермор, США) [4]. Этот ускоритель имел по-истине гигантские размеры. Основная часть ускорителя — высокочастотный объемный резонатор, внутри которого ускорялись ионы, имела длину более 18 и диаметр около 17 м. Резонатор был помещен в вакуумный бак диаметром 18 и длиной около 26 Mj откачиваемый 44 мощными диффузионными насосами. Хотя при конструировании величина ускоряющего поля на основе опыта создания ускорителей меньших размеров была выбрана, казалось бы, с большим запасом, основная и до конца не преодоленная трудность при наладке ускорителя вызывалась пробоями. Громадные размеры резонатора обусловили большую величину запасаемой в нем электромагнитной энергии. Это и, по-видимому, не учтенное при конструировании отрицательное влияние магнитного поля привело к интенсивному разрушению электродов при пробоях, что, в свою очередь, снижало пробивное напряжение. В течение полутора лет добиться устойчивой, без пробоев работы ускорителя так и не удалось. Его разобрали на детали, и дальнейшую разработку вели на основе других электрических и конструктивных параметров.
Применение самостоятельного разряда в вакууме или сильно разреженном газе связано с возможностью быстрого перехода от состояния высококачественной электроизоляции к состоянию высокой проводимости и обратно. Возможность очень быстрого перехода без использования подвижных частей от состояния изоляции на десятки киловольт к высокой проводимости, когда при токах в несколько килоампер падение напряжения составляет меньше 100 в, используется в вакуумных разрядниках и искровых вакуумных реле. Вакуумные разрядники получили довольно широкое распространение в лабораторной практике для
10
коммутации очень больших импульсных токов (5]. Имеются разрядники, способные коммутировать при напряжениях до 150 кв токи до 2000 ка при скорости нарастания тока 2 • IO12 а/сек [6]. Преимущество вакуумных разрядников по сравнению с воздушными— бесшумность работы. В некоторых случаях важно, что энергия, необходимая для перевода реле или разрядника из изоляционного состояния в проводящее, может быть очень небольшой. Так, для включения искровых реле на 20 кв и импульсный ток в несколько килоампер достаточна энергия 5 мкдж. Эти реле обладают хорошими временными характеристиками: нестабильность времени срабатывания меньше 10 нсек, а скорость нарастания тока достигает IOu а/сек при весьма малых размерах самих реле [7, 8].
