Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Быстрое (меньше I О-3 — I O^4 сек) восстановление электрической прочности вакуумного промежутка после прекращения разряда (например, во время перехода тока через нуль при переменном напряжении) позволяет создавать весьма быстродействующие вакуумные высоковольтные выключатели на напряжение до 132 кв и рабочие токи до 27 ка при отключаемой мощности до 3600 Мет [9, 10]. Благодаря своему быстродействию вакуумные выключатели обладают большими преимуществами при работе на повышенной частоте.
Еще одна важная область применения самостоятельного разряда в вакууме связана с тем, что в начальной стадии пробоя (естественного или вызванного вспомогательной искрой) у одного из электродов образуется довольно плотная высокоиони-зованная плазма, в то время как основная часть межэлектрод-ного зазора сохраняет электропрочность и высокое разрежение. На эту часть и приходится поданное на электроды высокое напряжение. Электроны или ионы из приэлектродной плазмы вытягиваются электрическим полем в межэлектродный зазор и ускоряются там приложенным напряжением; получаются мощные импульсные потоки ускоренных заряженных ча* стиц.
Это свойство вакуумного пробоя используется для получения очень мощных импульсов рентгеновского излучения. Например, около 15 лет назад были разработаны источники мощных рентгеновских вспышек, которые позволяли за один импульс длительностью 0,2 мксек получать рентгеновский снимок стальной болванки толщиной 70 мм. Группа из 4—8 таких импульсных рентгеновских трубок, работавших в строгой временной последовательности, давала снимки массивных деталей, двигавшихся со скоростью до 5 км/сек [11]. В самые последние годы на том же принципе использования начальных стадий вакуумного пробоя были созданы совершенно уникальные ускорители релятивистских электронов, от которых получают импульсные потоки с энергией, превышающей 10 Мэе, и током электронов, силой несколько сот килоампер при длительности импульса не-
11
сколько десятков наносекунд [12, 13]. Импульсная мощность потока ускоренных электронов на уже работающих ускорителях превышает 4-Ю12 вт.
Как известно, вероятность возникновения самостоятельного разряда между находящимися в газе электродами в очень широком диапазоне давлений определяется процессами в самом газе, хотя при давлениях существенно выше атмосферного или ниже нескольких миллиметров ртутного столба начинают иг-рать заметную роль и процессы на поверхности электродов. Газовый характер разряда, определяющий зависимость напряжения его возникновения от произведения ps, наблюдается в области низких давлений вплоть до значений ps = 0,02ч-
0,04 мм рт. ст. • см. Меньшие ps относятся к вакуумной изоляции, где возникновение разряда определяется процессами на электродах. Давление и состав остаточного газа играют роль лишь в той мере, в какой от них зависит состояние поверхности электродов. В некоторых случаях эта зависимость бывает весьма сильной.
Переход от газового разряда к вакуумному внешне проявляется прежде всего изменением характера зависимости напряжения возникновения разряда от давления, а именно прекращением роста Uuv с уменьшением р, который наблюдается при газовом разряде в левой ветви -кривой Пашена, т. е. при ps< <0,1-М мм рт.ст-см. Давление, при котором происходит переход, зависит от многих факторов, и в частности от величины зазора s и состояния поверхности электродов: чем больше s и чище электроды, тем меньше это давление. Указанная выше экспериментально полученная граница газового разряда ps=¦ =0,02-^0,04 мм рт. ст. • см соответствует расстоянию между электродами больше 100 мм, a Unp измеряется при этом десятками и сотнями киловольт [14]. При меньших зазорах напряжение возникновения вакуумного пробоя может быть ниже, и поэтому переход от газового характера пробоя к вакуумному происходит при больших значениях ps.
Визуальные наблюдения также позволяют различать газовый и вакуумный разряды: газовый разряд при низких давлениях в области, определяемой левой ветвью кривой Пашена, развивается по максимальному расстоянию между электродами, где ps больше, а вакуумный пробой возникает в местах, где напряженность электрического поля близка к максимальной, т. е. при наименьших расстояниях между электродами. Однако такое разделение газового и вакуумного разрядов в чистом виде проявляется не всегда. Например, десорбция газа при различных процессах на электродах может привести к тому, что вакуумный пробой между электродами (в месте максимальной напряженности поля) в некоторых случаях сопровождается газовой вспышкой, охватывающей весь объем. Такие газовые вспышки часто возникают в начальных стадиях тренировки
12
электродов под напряжением даже при довольно низком среднем давлении.
Характер нарушения вакуумной изоляции зависит от величины и вида приложенного напряжения, а также от условий на электродах. При постоянном напряжении в общем случае могут наблюдаться три основных вида нарушения вакуумной изоляции.
1. Появление более или менее стабильных токов с плотностью, доходящей до IO-4—IO-3 а/см2, резко зависящих от приложенного к электродам напряжения. Эти токи обычно называют те м новы ми или предпробойными. Мы будем их называть темповыми, а термином предпробойные токи — темновые токи, непосредственно предшествующие возникновению пробоя.
