Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
В. А. Ергаков и др. [159], исследуя работу электростатических сепараторов ускоренных заряженных частиц, обнаружили влияние поперечного магнитного поля на зависимость пробивного напряжения от давления остаточных газов: давление, при котором пробивное напряжение максимально, с включением магнитного поля уменьшалось в несколько раз. При зазоре 50 мм между плоскими электродами из нержавеющей стали площадью 1,75 м2 максимальное пробивное напряжение 320—330 кв устанавливалось при давлении 2*10““3 мм рт. ст., создаваемом в
* Некоторое снижение пробивного напряжения может вызвать фокусировка (сжатие) продольным магнитным полем автоэлектронных пучков, змит-тируемых катодными выступами (подробнее см. в разд. 8.3).
4* 99
вакуумном контейнере напуском гелия или аргона. При включенном магнитном поле напряженностью 250 э оптимальное давление при напуске гелия было (4—8) • 1Q”4 мм рт. ст. (?/пр = 320 кв) и (3—6) -10~4 мм рт. ст. при напуске аргона (Ujrp = 250 кв). При недостаточно высоком вакууме поперечное магнитное поле может привести к ухудшению вакуумной изоляции из-за удлинения пути электронов и возникновения электронных лавин.
Чтобы дать более четкое представление об этом явлении и продемонстрировать методы улучшения вакуумной изоляции в конкретных условиях, опишем опыт наладки инжектора быстрых молекулярных ионов водорода термоядерной исследовательской установки «Огра» [164]. Этот инжектор должен создавать пучок ионов с силой тока несколько сот миллиампер и энергией до 200 кэв. В инжекторе ионный источник дугового типа расположен под высоким (положительным относительно земли) напряжением, и ионы из выходной щели источника размером 4X40 мм вытягиваются и ускоряются электрическим полем, создаваемым двумя электродами: ближним к источнику, который отрицателен относительно земли (10—15 кв), и выходным, заземленным электродом. Таким образом, напряжение между источником и первым электродом на 10—15 кв превышает напряжение, соответствующее энергии выходящего ионного пучка.
Такая конфигурация электрического поля не позволяет электронам, образующимся из остаточного газа вне ускоряющего ионы межэлектродного промежутка, ускоряться в нем и бомбардировать источник ионов, нарушая его работу. Ускоряющие электроды — плоские, площадью 400 см2. Лицевая поверхность источника, где расположена щель для выхода ионов (т. е. анод ускоряющего промежутка), также плоская и имеет площадь 80 см2. Сам источник ионов и ускоряющие электроды находятся во внешнем магнитном поле напряженностью 1—2 кэу перпендикулярном к электрическому полю в ускоряющем зазоре. Вакуум в рабочем зазоре порядка IO-5 мм рт. ст. Высокое ускоряющее напряжение на ионный источник относительно земли подается через сопротивление 7,5 ком от выпрямителя постоянного напряжения.
При медных электродах и работающем ионном источнике из-за непрекращающихся пробоев в ускоряющем промежутке размером 8 мм первоначально невозможно было поднять напряжение выше 75 кв. При увеличении зазора пробои наблюдались реже (один в несколько минут), но при этом возникали электронные лавины, которые проплавляли детали, находящиеся под положительным потенциалом относительно земли. Происхождение лавин A. JI. Безбатченко и др. [164] представляют себе следующим образом. Образующиеся в результате ионизации остаточного газа в межэлектродном зазоре электроны не всегда
100.
прямо попадают на анод — лицевую поверхность ионного источника.
В магнитном поле, перпендикулярном электрическому, электроны двигаются по трохоиде, и если межэлектродный зазор достаточно велик (больше высоты трохоиды), то электроны могут выйти из ускоряющего зазора. В конечном счете электроны все равно попадут на источник или другие детали, находящиеся под высоким положительным потенциалом, но суммарная длина пути электронов резко возрастет. Это создает возможность ионизационного экспоненциального размножения электронов, т. е. образования электронной лавины. Особенно благоприятные условия для образования мощной лавины создаются при частичных разрядах (микроразрядах) в ускоряющем промежутке, когда помимо появления большого количества электронов в зазоре повышается и давление во всем вакуумном контейнере из-за десорбции газов из электродов. При неизменной геометрии ускоряющей системы место попадания лавины (место проплавления), как правило, одно и то же, причем металл может проплавиться на несколько миллиметров, несмотря на интенсивное водяное охлаждение.
Для борьбы с возникновением лавин (точнее, для борьбы с вредными последствиями этих лавин) эффективным оказался метод перехвата — установка на пути лавины вспомогательного электрода-ловушки. При сокращении длины пути лавины приблизительно в 3 раза мощность последней настолько снизилась, что она не приводила к плавлению электрода-ловушки, даже если он не охлаждался. На мощность возникающих электронных лавин влиял и способ подачи высокого отрицательного напряжения на промежуточный электрод. Если мощность генератора этого напряжения достаточно велика, так что при пробое между источником и промежуточным электродом общий потенциал пробитого зазора был отрицательным, то вредное действие лавин сильно ослаблялось. Мощность лавин сильно возрастала, когда из-за большого внутреннего сопротивления генератора потенциал на промежуточном электроде при пробое между ним и ионным источником становился положительным.
