Изоляционные свойства технического вакуума при мегавольтном уровне напряжения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

№ ад а.|

ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭХБКГРОНШ СИБИРСКОГО ОЩШШ РОССИЙСКОЙ АКАШШ МУК

На правах рукописи КАССИРОВ ГШНЛДИ& ЖАЙЛОВЖ

ЛК 621.3.048.8

.ИЗОЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ВАКУУМА ПРИ МЕГАВ01ШЮМ УРОВНЕ НАПРЯ1ШИЯ

Специальность 01.04.13 - электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени - доктора технических наук

Томск —1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте высоких напряжений при Тонскок политехническом'университете

Официальные оппонента: доктор физико-математических наук

рол ев Ю.Д. СЖЗ ря), доктор технических наук ПвчерскиЯ О .П.

ош эфа).

доктор физико-математических наук Сяквков Й.Н. САРГЯ РАЯ).

Ведущая организация ~ институт олектрофизики. УрО РАН

Зашита состоится 11 1992г. в^Г"часов

на заседании специализированного Совета Д 003.41.01 при Институте сильноточной электроники

СО РАН (634055,

Томск - 55, пр. АкадсккчбскиЯ, О.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Шститута сильноточной злектронякг.

¿зторвферат-разослан

1992г.

/ченкй секретарь

специализированного

Совета д.б.-м.н. профе

/Д.И.Проскурозский/

ГШЗШ

тл'.ел зртаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена исследованию характеристик и»-пудютого электрического разряда в техническом вакууме и пробоя сантиметровых вакуумных промежутков при мегавольтном уровне напряжения, анализу происходящих при этой физических процессов, изученит импульсной электрической прочности вакуумной изоляции в этих условиях и разработке на этой основе вакуумных секционированных изоляторов для электронных пушек микросекундных сильноточных ускорителей на напряжение до 3 МЗ.

Актуальность темы. Среди современных технологий, выдвинутых научно-техническим прогрессом, радиационные и пучковые занимает важное место. В начале шестидесятых годов, когда выяс- • нились вирокиа технологические возможности электронных пучков, встала задача увеличения полного тока ускоренных, электронов. Разработанная к этому времени слаботочная ускорительная техника не могла обеспечить' решения этой задачи из-за значительных потер» пучка на пути ускорения вследствие кулоновского расталкивания электронов. Сильноточные режимы, ускорения потребовали сокращения этого пути до размеров одиночного вакуумного диода, к электродам которого приложено полное ускорявшее напряжение. В этой связи резко возросли размера вакуумных изоляционных промежутков, усложнились условия их работы, потребовалась разработка вакуумных проходных изоляторов, способных передавать полное напряжение от генератора к диоду ускорителя.

Уже первой опыт эксплуатации сильноточных ускорителей наглядно показал, что вакуумные изоляторы и диоды является наиболее слабыми в электрическом отношении элементами ускорителей, рабочие напряженности электрического поля в которых значительно ниже таковых для изоляционных сред других типов, используемых в ускорителях. Стала остро актуальной задача повы-• вення электрической прочности болызих вакуумных изоляционных промежутков и высоковольтных конструкций. К началу настоящей работы сведения о взкуукчой изоляции н электрических разрядах в вакууме не могли з полной мере обеспечить реззние этой задачи. Они состояли из несистематизированных экспериментальных данных о пробивных напряжениях вакуумных промежутков, главным образом, для киллимзгрового диапазона мехэлектродних расстояний.

Сформулированные, к то»<у времени основные представления о физических механизмах, инициирования вакуумного пробоя в форме гипотез Дайка; Кренберга^ Траппа и Ван де-Граафа,. ¿ёйтлавда.и др. нуждались в экспериментальной проверке в условиях работы высоковольтных вакуумных -устройств, с- развитыми электродными, поверхностями. Работы по изучении характеристик вакуумной изоляций импульсных напряжений мег^юдьтиого диапазона и, швершвнство.ва- ■ нив проходных изоляторов, сохранили, своп актуальность.' !

Цель диссертационной работы. Удэ первые нави исследования и исследования другие авторов показали; нто картина развития' пробоя в практически применяемых сантиметровых промежутках с развитой поверхность«! электродов имеет значительные-отличия от таковой для промежутков , малой длины "в чистых вакуумных условиях. Это, прежде всего, "низкий уровень пробивнше напряжбнностей электрического поля, яркое, проявление эффекта полного напряжения, целик комплекс явлений-на стадии.-начальной, проводимости, зависимость, основных характеристик разрядных промежутков от параметров вакуумной среды.:,Это стимулировало постановку в КИИ высоких . напряжений.в начале 70 годов научно-исследовательских работ, .целью которых являлось исследование физического, механизма и характеристик электрических/разрядов в. больших (сантиметровых) вакуумных промежутках при микросекундных временах воздействия напряжения и разработка вакуумных, -проходных изоляторов для сильноточных ускорителей электронов'в мегавольтном диапазоне напряжений. Для достижений вставленной Дели был ..выполнен комплекс физических исследований и 'разработок, к вахнейпим из которых моа-ио отнести следуадие• \

1. Созданы зледтровакуунные стенды с внёиней воздушной изоляцией для изучения характеристик вакуумных электрических разрядов в промежутках- до 12 см При! импульсных напряжениях до 2 >2 в ллапа зоне-'длительностей от 10"^ до 10"^ с и 'стенд с масляной изоляцией для исследования макетов и опытных образцов закууккых секционирований изоляторов при .воздействии импульсов с названными'параметрами..

2. Исслр дованы характеристики начальной проводимости бол»-м'.х вакуумных промежутков.при высоком разрешении по току и физические процессы,-развивающиеся .при инициировании импульсного пробоя в техническом вакууме.

■ • - 3 - .'./Л; ' . ' . ' .

3. Подучены экспериментальные данные по электрической прочности вакуумных проыенуткав, типичных для ускорителей электронов; и её' зависимости от различных факторов в малоисследованной (сантиметровой) области-, межэлект родных расстояний.

Предложено, объяснение основных Закономерностей пробоя вакуумной изоляции на баз© десорбционного механизма, проведена его экспериментальная проверка.

5. Разработаны, изготовлены и смонтированы в уникальные . ускорители вакуумные секционированные изоляторы электронных пу-век на 3 Ш для работы в ми'кро секундном диапазоне .длительностей высоковольтных импульсов.

Штоды исследования". Для регистрации электронной составляющей предпробойного тока при разрешении до при импульсном напряжении амплитудой до 400'кВ использовались вакуумиро-. ванные цилиндры Фарадея, экранированные металлической фольгой, и-осциллографичеекая аппаратура. .'Изучение пространственно-временной структуры слабых световых .'излучений и их спектральный анализ осуществлялся с помощью'фотоэлектрических регистраторов на базе электронных умножителей ФЭУ-Зб, спектрографов и моно-хроматоров для видимого диапазона длин волн.

Для анализа состава газов,' десорбировашых в предпробойной -стадии, применялись времяпролетные масс-спектрометры МСХ-ЗА, МС5С-6. Для импульсного сброса сорбированных на электродах газов в опытах по экспериментальной проверке модели инициирования пробоя использовался рубиновый лазер, с модулированной добротностью 0ГЙ-20. - -

С целью ..выявления временных условий существования' установленных в работе закономерностей применялись генераторы импульсного напряжения с длительность» импульсов от 5 ' Ю-' до 5 " 10с. Для проверки технических решений по вакуумным сек-• ционированным изоляторак создавались и исследовались макеты на напряжения 0,5; I я 2 Ш.

Научная новизна диссертационной работы подтверждается про- . ведением приоритетного, систематического исследования импульсного пробоя технического вакуума з больших (сантиметровых) ва- • ■ куумных промежутках, в результате которого были определены характеристики и особенности .пробоя в малоисследованной, но прак-

тически важной области кежэлехтродных расстояний в вакууме,, в том числе:

- благодаря использовании импульсного напряжения и высокого разрепения по току обнаружены новые тонкий детали временной структуры тока михроразрядев и зависимости кх параметров от многих факторов;

- выявлено. развитие в првдпробивинх электрических полях нестабильностей микрораэряДов и установлена закономерная связь, злектроразрядных процессов в начальной стадии с явлением взрывной эмиссии электронов, инициирующей вакуумный пробой;

- предложены'физическая модель мккроразрядов, основанная на представлениях о возникновении в прокзжуткз областей повышенного давления десорбированных' с электродов газов,' и формула для расчета тока ыикроразрядов;

- впервые экспериментально установлен диапазон вромзни воздействия напряжения, в котором справедлива известная зависимость характеристик разрядных промежутков от давления Остаточных газов в вакуумном объеме при давлениях 10"^- Ю"*^ Па;

- исследована пространственно-временная структура аздучо» ния, возникавшего на самых ранних стадиях протекания тока в вакуумном разрядном промахутке, его кинетика при развития разрядного процесса и спектральный состав;

- выполнены исследования электрической прочности болыяих вакуумных промежутков в шроком диапазоне ««»электродных расстояний, формы и площади электродов, времени воздействия напряжения. На база физической модели-микроразрядов предложено качественное объяснение зависимостей пробйвного напряжения вакуумных промежутков от геометрических факторов;

- проведены исследования поверхностного пробоя в вакууме при электродной конфигурации, типичной для изоляторов сильноточных ускорителей, показавшие его аналоги«; пробою вакуумных разрядных промежутков;

- впервые установлено возникновение плазменных образований в катодном контакте металл - диэлектрик в предпробойной стадии, изучены условия их возникновения к пространственная структура;

- предложена конструкция вакуумного секционированного изолятора с глубокой деформацией электрического поля в пределах одиночного модуля, в которой изоляционные секции загиоены от

- 5 -

электронной бои5ардировки.

Практическая ценность работы.

1. Результаты исследования механизма н характеристик импульсного пробоя при больших мёкэлектродных расстояниях существенно расширяют объем знаний о поведении вакуума при мзгавольт-ных напряжениях я создают базу .для разработки электрической изоляции высоковольтных вакуумных устройств. Учет особенностей развития разрядного процесса в. техническом вакууме в сантиметровых промежутках позволяет на научной основе разрабатывать способы повышения электрической прочности.высоковольтной элехт^ рофязичэской аппаратуры. Материалы по исследованию электрической прочности сантиметровых вакуумных промежутков переданы для использования НИИ электрофизической аппаратуры (г, Ленинград), Институту сильноточной электроники 00 ЛН СССР (г. Томск), Московскому радиотехническое институту.

2. На базе выполненных исследований разработаны и испытаны вакуумные изоляторы на различные уровни напряжения, в том числе на 3 МЗ для уникальных по энергий электронного пучка ускорителей с длительность») импульса I мхе. Такие изоляторы установлены

. в ускорителях электронов .'Института сильноточной электроники СО ¿Н СССР и Московского радиотехнического института. Интенсивная . эксплуатация в течение многих лет показала их высокую надежность.

Научные положения, выносимые на защиту:

: 'I. Подготовительная стадия начальной проводимости импульсного пробоя'технического вакуума-связана с явлением десорбции газов и паров' загрязнений, с электродов в результате обмена заряженными частицами.

Увзличе.чие ' проводимости' вакуумного промежутка определяется .нараставщэй десорбцией, ударной ионизацией десорбированных ве-цеств, возникновением приэлехгродной газоразрядной плазмы.- Ограниченный, но возобновляемый ресурс.нодеталлических. веществ на . электродах придает процессу начальной проводимости импульсный -■ ■ характер при лвбом способа подачи напряжения. Временные характеристики начальной проводимосяи имеют высокую стабильность. . .

2. Инициирование-пробоя вакуумного промежутка обусловлено развитие« неустойчивостей кккроразрядов в пред пробойных электрических полях, локализацией разряда на неодно родностях катодной поверхности, перегрузкой их проходящим током, взрывообраз-ныи испарением и возникновением металлической плазмы в форме катодных факелов. При возникновении катодных факелов и взрывной эмиссии электронов разряд приобретает кообратикыВ характер и завершается пробоен промежутка.

3. Катсдная пробивная напряженность электрического поля зависит от запасов адсорбированных веществ на электродах промежутка, условий их десорбции и эвакуации из области сильного электрического поля. Неблагоприятное сочетание этих факторов способствует повывенив концентрации газоразрядной плазмы в при-элехтродных областях и уменьшает пробивное напряжение вакуумного промежутка. Увеличение длительности высоковольтных импульсов до значений, сравнимых с х :р&ктерным временем протекания газодинамически;4. процессов (сотни кикросекунд), приводит к снижение электрической прочности вакуумного промежутка до минкмука.

Эффект полного напряжения проявляется при таких конфигурациях электродов разрядного промзхутка, когда с увеличением межэлектродного расстояния увеличивается плотадь поверхности катода в области сильного поля, поставлявшая газовув среду в разряд. В отсутствие этого пробой промежутков различных размеров происходит при практически одинаковой напряженности элзктричос-кого поля на каггоде.

5. Зависимость пробивного напряжения вакуумного "ромелутка от давления остаточного газа в узкой области Ю-1 - Ю-" Па существует только при длительностях импульса напряжения более сотен микросекунд и связана с оезоселдениен катодной поверхности от адсорбированных взадств под воздействием положительных ионов за время действия высоковольтного импульса.

6. При поверхностном пробое в вакууме времо:аая структура тока аналогична таково;-; при пробое вакуумных промо-аутксь. резкое возрастание предпроб-ойного тока и снижение пробивн:;х ¡:а::ря-«енностей электрического поля при электрическом разряде такого типа объясняется бользик запасом адсорбированных гелестз ?сз-никневением плазменных обра говцлий в зоне контакт и. - диэлектрик. .

7. Прлменбкио конструкция вакуумного секционированного изолятора с глубокой деформацией электрического поля в пределах одиночного модуля, в которой изоляционные секции заношены от электронной бомбардировка, в результата чего ослабляется десорбцнонныо процессы, позволяет увеличить длительность я амплитуду ускорявшего напряжения на вакуумном диоде.

Достоверность результатов подтверждается систематическим характером исследований, использованием поверенных измерительных средств, сопоставлением экспериментальных результатов с результатами других исследователей как в напей стране, так и за рубежом, практической реализацией научных положений и выводов при создания вакуумных изоляторов электронных пупек сильноточных ускорителей, показавших наделнуп многолетние работу пря номинальных параметрах.

Апробац/я работы. Основные результаты работы докладывались на П-ом симпозиуме по «а i но г очно Я электронике (Томск, 197 5); ХЛ-ой Зсесовзной конференции по эмиссионной электронике \..>Ьхачкала, 1976); Всесопзном симпозиуме по не как вливаемым катодам (.Томск, 1977); Всесоозном сямпозиумэ по сильноточной импульсной электронике (Томск, 1978); Всесопзной конференции по физике диэлектриков и новым областям ях применения (Караганда, 1978); Уц-ом международном симпозиума по разрядам и электрической изоляция в вакууме (Новосибирск, 1978); 1-оЯ Всесопзной конференции по импульсным источникам энергии (Дрма-ла, 1983); У-on Зсесаозном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 19 8^); 1-ой Всесовзной школе по импульсным источникам энергии (Ура-Тобе, 1985); УП-ом Всесопзном симпозиуме по сильноточной элактронихе (Новосибирск, 1998); УН-ом Всесоозном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердзовск, 1990).

, Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в тематических сборниках, 22 статья в центральных Физических журналах, 15 статей и тезисов в трудах Иэ;?дународных я Всесовзкчх конференций и сиипознууоз, получено 12 авторских свидетельств на изобретения.

Стэ/ктурз. и обгем работч. Диссертация содержит 322 страницы дал,*полисного текста, 115' рисунков, 19 таблиц и состоит кз введения, сами глаз, заклоченил, приложения и списка литературы.

.-.''. - 8 включаящэго 264 наименований.

-' • ООДБРИШ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность исследования вакуумной электрической изоляции в сантиметровом диапазона межэлектродных расстояний,,.кратко описано состояние исследования по вакуумной изоляции-и разрядам в вакууме, изложены цель и задачи исследования, приведено, содержание диссертации ■ сформулирован и научные положения, выносимые на завдту. :.-''.'

В первой главе анализируется условия работы изоляции электрофизических установок на примера электронных пушек сильноточных ускорителей электронов.'Отмечается более низкий уровень рабочих напряженно стей электрического поля в вакуупе по сравнении с узлами ускорителя,, содержащим» иные .изолирующие среды. Показано, что электрическое поле в диодах и вакуумных изоляторах характеризуется высокой, ствпеньв, неоднородности. Описаны типичные конфигурации вакуумных разрядных промежутков, указаны металлические и диэлектрические материалы,'наиболее часто используемые в конструкциях'вакуумных изоляторов электронных пупек. Рассмотрены деформация поля в разрядных .промежутках обьэмнымя и поверхностными зарядами, исходное состояние поверхности' электродов вакуумных промежутков и те изменения, которые происходят в них под действием электрического поля и темнового разряда. Показано, что работа, изоляции в электронных пупках ускорителей являет собой типичный пример работы в технических вакуумных условиях, о наличием 'на, зЛектродах адсорбированных газов и загрязнений, которые участвуют в формировании среды, необходимой для возникновения элёктроразрядного процесса. Анализируются характеристики'десорбции остаточных -газов -и паров с электродов, развивающейся параллельно- с процессом нарастания проводимости вакуумного промежутка в результате обмена заряженными частицами меяду электродами. Рассматривается влияние на разрядные характеристики интенсивных факторов, сопровождающих ускорение мовнэго потока электронов. Показано, что режим работы вакуукноя изоляции ускорителей электронов отличается особой жагсткостьо, что приводит к низким пробивным градиентам электрического поля, рассмотрены особенности вакуумной электрической,изоляции по сравнению с дру-

гини изоляциоинпга средаии к её поведение при мнсгоцмпульених воздействиях.

Вторая глава посзяцена обсужден;!» полученных в работа результатов исследования физических кронеосоз щи нч« иьиоа приводимости больиих разрядных промг-'угко з я ■■-,?. у. у у к з. Главное внимание уделяется охапор«!«нтхпы>о:>;• •.:з;''!-)л,.г> ''а/оно-мерностеЯ начальной проводи ко ста, ааваси:«ста .г :лад;-чнкх факторов. Обсуадается участие а обеспеченни начали:...: пронзди-кости десорбционных явлений. а ионизационных процесс: •> а. ¡¡риал ектроднкх областях. Характеристики начальной пров;>чн::ссти в техническом вакууме сравниваются с харсигэрпстйкема в{»/.пребойко го тока, полученными а предельно частых условиях.

Анализ по литературным донным процесса пробоя в предельно чистых вакуумных условиях в промежутках с резко неоднородным электрически.'-! полем на катоде ¡5 слабонеоднорэдным при малом расстоянии между электродам-* показал, что пробой является следствием развития автоэлектронной эмиссии, возникавшей при достижении у вершин неоднородностС; поверхности катода напряженности электрического поля порядка 10? Б/см. Электроны поставляются в промежуток из эмиссионных центрэв, дискретно расположенных па катоде а области сильного поля- При плотности тока 10^-10^.-1/а? автоэмнссля может существовать как относительно стабильное зо времени физическое явление. Однако сильная, г-ав".снмость тс к а авто эмиссии от напряженности электрического поля прив>дпт :: тому, что даже незначительное увеличение поля выбивав; необратимый рост тока, разогрев я ¿зернообразное испарение о мнт пру ига г о острия, образование плазмы катодных факелов в парах -.^торис-ла катода, взривнуо эмиссия электронов, и пробой арок*'•-•¡т.«. С снятие в 157 5 году ?омск::;-и и лен^нградохи.'-п ученн::.: -г* ' ■ ::::; ноГ; эмиссии гл«троной позволило вхят.ить прннрнллал1..: -л.'.лс-"-звено в инициировании пробоя в чистых гакуум.здх услсг>..-"х.

Технический условия радикально «ими? описанную :»уео лар-тину пробоя, что выражается в много:-:ратном узеличена.: зредьро-бойкого тока, йкасиви средкеа пробивной наиря'-окюсти здектрн-ческого поля, зависимости ей от состояния анода, давления и со-, става остаточных гайов.. Ж к показали нам исследования, эти и другие особенности вакуумного пробоя в таких условиях наиболее

ярко проявляются в больших разрядных промежутках. Новой важной детадьв временной структуры тока.пробоя, установленной наш благодаря высокому разрёзенип по току, является то, что ток начальной проводимости возникает сразу за фронтом.импульса и имеет две фазы: фазу линейного роста тока в течение примерно Юмкс и фазу экспоненциального его нарастания в течение времени, на порядок большего (рис., I). При напряжении на промежутке ниже, пробивного рост тока в дальнейшем замедляется, ток достигает амплитуды, а затем затухает (рис. 2а). ■

Этот разрядный процесс, названный в литературе микроразрядом, глубоко исследован, главным образом, в миллиметровых вакуумных промежутках и на статическом напряжении. Важно отметить, что микроразряд рассматривался ранее как самостоятельный допро-бойный процесс в-техническом.вакууме, не связанный с последующим инициированием пробоя. Использование в нашей работе импульсного напряжения и высокого разрешения по току позволило, как нам представляется, впервые показать органическуп связь микроразряда с последующим инициированием пробоя (рис. 2, 4). Исследования на импульсах позволили-не только выявить структуру начальной проводимости, но и установить, что щкроразряд может успешно развиваться и при спадающем напряжении на промежутке, имзет в последовательных ьозбуждениях весьма высокуи временнуи стабильность и не возбуждается за время меньше десятков микросекунд. Он сопровождается излучением в-видимом диапазоне Длин волн, интенсивность которого синхронно связана с интенсивность!) разряда. Пространственная структура этого излучения (рис. 3) свидетельствует, что микроразряд имеет объемный-характер, интенсивность его выше в приэлекгродных областях и на оси промежутка. Катодные процессы более интенсивны, чем анодные. Спектральный анализ с фотоэлектрической регистрацией спектра показывает сугузствование излучения атомов остаточного газа и углеводородных радикалов. Излучения атомов электродного материала на этой стадкн разряда не обнаружено.

Характеристики начальной проводимости больвих вакуумных промежутков не могут быть объяснены на базе физической модели, в которой рекавцая роль отводится автоэоюктронноГ; эмиссии. Полученные в работе характеристики показывают, что микроразряды существуют в электрических полях на-два-три порядка меньших, чем

требуется для возбуждения автозлектрошой эмиссии, зависимости $ау л ера-Н орд г е2 т икеэт нелинейный характер, ток достигает максимум с задержкой в десятки микросекунд относительно амплитуды импульса напряжения. Ток кякроразряда в диапазоне пяти порядков экспоненциально растет во. времени при неизменном напряжении, вольт-амперная характеристика разряда имеет насыщение. В промежутках:с электродаш, кондкциокь:рок.нни>п: пробоями, амплитуда тока гакроразряда на 2-3 порядка меныпе, чем в промежутках. с некондицйониро ванными. Сильно снижается начальный ток при нагреве электродов до температуры тепловой десорбции газов. Важное значение для поникания физических процессов, развивавшихся в стадии начальной проводимости, имеет установленная в работе способность шкро разрядов развиваться при спадающем напряжении и затухать при неизменном его значении.

Качественно установлено, что в сбщзи токе микроразряда значительную долю составляют, электроны с энергией меньше той, которую они могли получить, пройдя полную разность потенциалов, приложенную к электродам. Весь комплекс наблюдений и анализ зависимостей параметров микроразряда и сопугствуювдх явлений от условий работы изоляции позволяет нам сделать вывод о том, что мы имеем дело с разрядным процессом в среде десорбирован-ных с электродов газов л паров загрязнений. Для количественного подкрепления этого вывода была разработана физическая модель, в основу которой положены представления о том, что на самой ранней стадии развития микроразряда начинается активная десорбция газа с поверхности катода и формируется область повышенного давления, которая с тепловой скоростью распространяется вглубь промежутка. В предположении, что в этой динамической области развивается электронная лавина, можно оценить ток в микроразряде в любой момент времени и его амплитуду по формуле:

1 =

3,65

и

где б - заряд электрона, Кл;

р - динамическое давление в промежутке, мм рт.ст.; Ц - напряжение на промежутке, В;

d - расстояние мавду электродами, см;

Ц - постоянная Больцмана, Д ж/г рад.;

т - абсолютная температура, К;

ГП - средняя пасса колекулы десс-рбиро ванного газа, кг;

т - текущее время с момента достижения порогового

напряженияi с.

Для квазипрямоугольных импульсов рассчитанные по этой формуле значения тока хорояо созпадапт с экспериментальными как по динамике тока на фронте микроразряда, так и по амплитуде при различных напряжениях к- про «утке.

В треть» й глазе ояисшк результаты ксследонисгл иницииро- • ваная пробоя больгих ва.-суумнкх промежутков. Отмечается, что г.ри иапря-:«ш на. промз.яутле , пр;:С:л;-;.-'.ав:',емся пробивному, в рекиде микроразряда возникают ярко зараженные неустойчивости. На спадчг.-;« чистя ранее плашой огибаслей импульса возникают всплеск; то.;;а, кжвдв периодический характер. Время между всплесками тока зависит от медэлекгродного расстояния (рис. 4)/ йс амплитуда растет с увеличением напряжения, они приобретает регулярный харь стер и трбдегэдтся к амплитуде импульса тока. Актин;кадия раг-рддного процесса связана предположите*ъио с усилением элзгстjciH-îSKoro поля у иеоднородностей катода за счет положительных kohciB, воэшкавщях Ъ макроразряде, до уровня, необходимого для реализации аэтсэлектроннсй эмиссии. Возрастание поля у кос-диородаостей катоднг.: пэверхности хедет к усилениг змисс:«-иных г. досорбционнкх процессов, к активизации и доне.»к- . зации разряда. 3 один из моментов такой активизации неоднородности даТОДНОИ ПОВОрХШ'СТК перегружайте«- прохо^яичн ÏOXOM, взрываются и разряд переходит в необратимую oîадии быстрого роста тока, визваннр взрывной эмиссией здегг-'х) :•;•„?. \рнс. 2б). С ростом п.,- •;.прчяеии* момент перехода ;>. or. ■>-■• -ту тока « . гони* пробоя смещаетсд к ■-иеро-

разряда. При п¿ранапрялеиии вайе Х0£> ток начали. • слиьаессд с cj.'.oh о у строя фази ,ч «с однол о<зд«ай«тг «е различимы. При »ндинреввкаи прооод ■-идкалаио »! •• • . v^î-ранет венная, структура разряда. полученные в ^ >..„ юг»:

разряда хартан)' свечонкя на различных этапах ргз.м-у.-: .»¡.с-гск показывает t.. 5 s: б), что вначале на катод«, .. ,е.с*ол|/~

ко ижкросэкузд на аноде возникав? ярко светящиеся катодный и гладкий факелы, которые со скоростью порядка 10® см/с приближаются друг к другу, Фотоэлектрическая регистрация света из различных гон подтвердила эту последовательность (ряс. 7) . В спектре излучения катодных факелов регистрируотся линии однократно и многократно заряхоняю: иоуоэ нагзрязла катода, Интенсивность излучения быстро спсдаот по мере продвижения плазмы катодного факела в вакуум (рис. 3). Таким образом, гдзникнув как объеиикй з средо десорбарованных с электродов газов, разряд локализуется и готовит условия для реализации взрывной "¡ясени электронов и инициирования пробоя в парах материала злектродоз.

Лредде.'се-аея з работе физическая ¡¡одаль пробоя изоляции в технической гакуукэ (табл. I) позволяет объяснить полученные зкеперямэнтальнка данные по динамике тока как в стадий начальной проводимости, так :: з стадия инициирования пробоя. Она базируется :-:а двух известных механизмах инициирования вакуумного пробоя: десорбцмоннок и катодном. Для предложенной модели пробоя принципиальным было показать, что. импульсный сброс газа с ¡алых участков поверхности катода способен инициировать пробой. Такая возможность была доказана при сбросе сорбированного газа • лазерным импульсом с пдоя'ад».. не прозышавщей 0,01 см2. Экспериментальная установка содержала лазер 0раь20 с длиной волны 693 км и длительность!) не более 3 но с системой деления, ослабления, измерения я регистрации луча с помочьа калориметрического измерителя йКГ-Н, коаксиального фотоэлемента фЭгС-09 и Фотопленок. Была предусмотрена возйачмос?ь регистрации слабых излучений с попзцьо фотоумножителя уЭ7-36 :г пх спектральный анализ с помось-о монэхромаюра УМ-2. Установлено, что в условиях гмлульеного сброса газа пробой инициируется при напряжениях з несколько раз меныиих, чем напряжен::е самопробоя. При инициировании на-катоде то." з яроиезугке' иэгииказт практически боз задержки относительно .светового импульса (ркс. 9). При :лицк'иро-ванш: на анода есть существенная задержка, связанная с пэре-кзпеккок коиоз и га го* ей среда к катоду. Однако при анодном ::.''>;цикро1:Л!&;;: ггпоиссз р»зг;:епотсл болеэ динамично г: скорость роста тока лиге.

В четвертой глада изложены результата исследования электрической пучности вакуумных сантиметровых промежутков, типичных для ускорителей электронов. Получены с использованием физической модели и проанализированы .зависимости пробивного на- . пряжения от геометрических факторов, давления остаточного газа, длительности воздействуодах импульсов,.теплового режима электродов в широком диапазоне изменения параметров, в том. числе и для коаксиальной электродной системы, экспериментальных данных по которой в литературе крайне мало.

,*югие закономерности изменения, пробишого напряжения вакуумного промзжутка в Зависимости от сочетания внеиних факторов для миллиметрового диапазона межэлектродных расстояний были установлены еще до начала настоящей работы. Качественно сохраняясь в сантиметровом диапазоне длин разрядных промежутков, эти закономерности реализуются при существенно меньших значениях .пробивных градиентов электрического поля. В полях, близких к однородным, средняя пробивная напряженность составляет 150-250 кВ/см.

. . Результаты измерений пробивных напряжений при большом разнообразии межэлектродных расстояний и форт электродов подтвердили решавшую роль катодных процессов в развитии пробоя и е сантиметровых вакуумных промежутках (рис. Ю). Расчеты пробивной напряжённости электрического поля на катоде (табл. 2) показали, что она. при одинаковой длине разрядного промежутка может изменяться в несколько раз. Исходя из описанных выше представлений о механизме начальной проводимости и связи микроразрядов с последующим инициированием пробоя, предлагается качественное объяснение этой и других зависимостей пробивных характеристик от геометрических факторов. Смысл его заключается в учете условий эвакуации.десорбированных газов и плазмы из вакуумного промежутка, то есть в учете газодинамических характеристик разрядного промежутка. Из такого подхода следует, что промежутки, содержащие острийные или иные электроды с ограниченной поверхностью, в которых облегчены условия эвакуации дв-сорбированных газов и плазмы из области сильного поля, имеют относительно высокие пробивные градиенты. Напротив, промежутки с плоскими и коаксиальными электродами, в которых названный процесс затруднен, характеризуются наиболее низкими пробивными

- 15 -

градиентами электрического поля.

Измерения пробивных напряжений промежутков различной длины показали, что в техническом вакууме создастся условия для реализации эффекта полного напряжения, то есть снижения пробивной напряженности электрического поля с увеличением межэлектродного расстояния. Его действие обычно связывают с возрастанием энергии заряженных частиц в обменном процессе при увеличении напряжения. Напи исследования указываит на существование более сложных связей и открывают новые возможности его объяснения на основе физической модели пробоя, обсуждаемой в работе. Как следует при анализе данных из табл. 2, в тех случаях, когда" поверхность катода, находящаяся в сильном электрическом поле, относительно мала и при увеличении расстояния между электродами к обеспечении разрядного процесса газовой средой не может подключаться дополнительная поверхность, пробивные градиенты высоки и слабо изменяется с ростом межэлектродного расстояния, что-свидетельствует об.отсутствии эффекта полного.напряжения. В этих случаях пробой близок к пробою в чистых условиях. В другой : ситуации, реализуемой в промежутках с плоскими электродами при отношении их радиуса к ме»электродному расстоянию больше 100 или в коаксиальная, где запасы; газов на электродах значительны и условия его эвакуации из области сильного поля затруднены, пробой наступает при низком, но также не зависящем от межэлектродного расстояния Злекгрическом поле на катоде. При промежуточном отношении размера электродов к межэлектродному расстоянии (ориентировочно от 10 до 100 ) эффект полного напряжения проявляется ярко, что связано как с увеличением энергии заряженных частиц в промежутках большей длины, так и подключением к обеспечению разряда газовой средой дополнительной активной поверхности катода. С учетом этих соображений рассматриваются полученные в работе зависимости пробивного напряжения от площади электродов для промежутков с плоскими и коаксиальными электродами. Так как газодинамические явления развиваются с тепловой скоростью порядка 5 Ю'1 см/с, в зависимости от соотноиения характерного времени их'протекания и длительности высоковольтных импульсов пробивное напряжение промежутков значительно изменяется. Анализ наних данных, а также данных других исследователей (рис. Ц) показывает наличие минимума электрической прочности вакуума.при

времени воздействия напряжения в сотни микросекунд- По-видимому, при временах меньше Ю-2* с электрическая прочность промежутков возрастает, так как за малое время области повышенного давления не успевают развиться должным образом, а при статическом напряжении, процесс десорбции газа .с электродов и его эвакуации успевает завершиться за время подъема напряжения до амплитудного значения. Это приводит к тому, что гольт-секунд-пыо характеристики пробоя сантиметровых вакуумных промежутков имеат существенный подъем только при временах короче единиц микросекунд. С учетом газодинамических процессов качественно объясняются полученные в работе зависимости пробивного напряжения от температуры электродов, степени их кондиционирования.

По 'установившимся представлениям, пробивное напряжение миллиметровых вакуумных промежутков ке зазисит ох давления осгаточ:£ых газов в области ниже Ю-'" Па. Обнаруженный для боль-еих промежутков эффект значительного возрастания пробивных напряжений в узкой области давлений 10"1 - 10"2 Па связывается исключительно с мзжзлектродкым расстоянием. Яави исследования показали, что важным фактором, определяющим существование этого эффекта, является время воздействия напряжения. При коротких импульсах навях жоперимектах 0,5 ккс) ок не проявляется в промежутках длиной до 9 си. При длительности импульсов 50 «кс он начинает проявляться, однако пробивные напряжения возрастает незначительно (рис. 12). При длиганьностях воздейст-вулаего шпрдаеяия в сотни к тысячи кякросекунд к ка статическом напряжении он проявляется уже с/дьно, и'пробитое напряженке из жег возрасти в 1,5 - 2 раза по сравнению с напряжением пробоя в более глубокой вакууме (рис. 13). ¡-¡сходя из предложенной модели механизма вакуумного пробоя, существоваше этого эффекта мы связцваам'с освобождением электродов от ад сорбиро них газов к загрязнений з результате лонной Со:<.5арди:?э:«я з.а вромя воздействия напряжения.

С - учетом участия шкроразрядов а икицккрс пажи мгуукнсго пробоя для оценки пробигкого напряжения вакуумных прэ.гзжуткоэ била, предложена формула, в которой за критерий пробоя принято достижение крцтичесхой плотности тока'в микрорь.зоддо.

И + int__ -¡-3 ¿^ и ,

где'

л 1,12-10 ~uT-n ' \[3^T/m- i

Поверхностная концентрация адсорбированные молекул газа Л принята разной 10^

Эта формула удовлетворительно.описывает зависимость пробивного напряжения.от межэлектродного расстояния и вольт-секундную характеристику пробоя в интервале времен воздействия напряжения '.

¡50 d_cl

Ulß7f/m. L- f3i/f/m' .

Пятая глава посвящена исследошнио характеристик поверхностного пробоя в.вакууме. Общ?, характер разрядного процесса сохраняется и при поверхностном пробое вакуума. Здесь таг,-:а регистрируется микроразряд и стадия быстрого роста тока. Особзн-ностьо начальной проводимости и пробоя по поверхности диолокт-рика в вакууме является то, что'эти разрядные процесен реализуются в полях в несколько раз. меньших, чо.ч при пробое вакуумных промежутков. Так для одиночно?, полиэтиленовой секции вакуумного изолятора простейпей конструкции при изменении её длины от 2 до 24 ск.пробивная напряжэжость электрического поля составила 15-20 кЗ/см. Основной причиной столь низких разрядных гр=-диентоз, на наз вы л яд, язляется обилие адсорбированных газов . на элехтродах и диолехтрнческих поверхностях разрядного промежутка. Это облегчает возникновение. газоразрядной плазмы в промежутке и пражде всего в катодном контакте металл-диэлектрик Срис. Щ). Возникая при напряжении 70-80? от пробивного у неод-

народностей катодной, поверхности, плазменные образования развиваются по контакту и выплескиваются.в вакуум. Следы пробоев по поверхности диэлектрика "привязаны" к местам выбросов плазмы из области контакта. Общая картина плазменных образований аналогична фигурам Лихтенберга, наблюдаемым-в разрядах по поверхности диэлектрика при атмосферном давлении. .

Установлено, что уже в предпробойной стадии при напряжении 30-70$ от пробишого в разрядном промежутке развивается . . процесс" газоотделения. С помощью времяпролет'ного'масс-спектрометра ЖХ-ЗА был. выполнен массовый анализ'и измерены парциаль- • ные давления десорбируемых веществ при различных напряжениях '. на разрядном промзжутке. Так как спектры газов при пробое по поверхности полиэтиленовых образцов не поддавались расшифровке из-за обилия пикоз углеводородных радикалов," эксперименты про-, водились для пробоя по Поверхности щёлочно-галоидного кристал-■ ла КЗ? . В спектре-десорбированных газов и паров в предпробойной стадии представлены преимущественно ^0, СО, (Х^, К, Вт-; , Ионов электродного материала в спектрах десорбируемых веществ . в предпробойной стадии не обнаружено. Парциальные, давления'всех составлявших, за исключением паров .воды, возрастает с увеличением напряжения на промежутке. При увеличении вводимой в разряд энергии в пять раз парциальное давление паров и газов вна- -чале несколько возрастает, а затем остается практически постоянным. Таким образом, присутствие в разрядном промежутке диэлектрика с большим запасом адсорбированных веществ приводит к обильной генерации среды, необходимой для развития разряда, что сопровождается сильным снижением пробивных градиентов электрического поля.

' Большая'роль электронов в активизации-десорбционных про' цессов в промежутке была подтверждена в опытах по инициировании поверхностного пробоя внешним пучком электронов. Эти эксперименты проводились также с целью отработки конструкции секции вакуумных изоляторов, наиболее стойкой к электронной бомбардировке. Било установлено, что для инициирования пробоя на вновь подготовленных образцах достаточно внешнего потока электронов о током I мкА. По мере кондиционирования .диэлектрика инициирующий ток увеличивается в несколько десятков раз. Изоляторы конической формы, в которых затруднено воздействие пучка на обширные

поверхности диэлектрика, менее чувствительны к электронной нагрузке. Учет значительного участия десорбированных газов в электрических .разрядах в техническом вакууме, и стремление ослабить их негативное влияние позволили'ра зработать способ повышения электрической прочности импульсных высоковольтных вакуумных .устройств, основанный на .заблаговременном сбросе продуктов десорбции и удалении их из области сильного электрического по' ля с помощью мощных световых импульсов.-'

Шестая глава посвящена разработке и исследовании вакуумных секционированных изоляторов для электронных пушек ускорителей мегавольтного уровня напряжения. Исследования иЗоляЦион- . ных свойств'одиночных секций таких изоляторов показали, что по-' . вышенной электрической прочностью обладают секции со значительной нормальной составлявшей электрического поля на поверхности диэлектрика, препятствую щей вторично-эмиссионному размножению электронов",■ зарождающихся в'зоне контакта металл-диэлектрик.

Формирование такой структуры электрического-поля может быть обеспечено применение^ секций .с вакуумной поверхностью в виде усеченного конуса, меньшее основание которого примыкает к отрицательному электроду. Дополнительно к этому нами предложен также иной способ формирования благоприятной'структуры поля, который мы назвали способом глубокой деформации электрического поля. 'Он реализуется за счет вынесения потенциала анода с помощью тонкостенного цилиндра., ■ размеченного в вакууме, в глубину секции, в зону катодного контакта металл-диэлектрик.

.. Такой цилиндр с большой напряженностью электрического поля у торца не только деформирует поле, но и собирает на себя ■ электроны, эмитируемые из-тройной катодной точки, уменьшая тем самым количество электронов, попадаювдх на поверхность диэлектрика. Глубокая экранировка диэлектрической поверхности ослабляет также негативное воздействие на диэлектрик обратного потока электронов и .электромагнитных излучений из диодной зоны ускорителя. Простыми оценками показано, что электроны с энергией до 12 кэВ, оказывающие наиболее пагубное воздействие на изоляцию, высаживаются на металлических элементах секции и не могут попадать на поверхность- диэлектрика-. Разработанная с применением ■ названного выше принципа и испытанная нами конструкция, вакуумного изолятора на 500 кВ содержит семь, полиэтиленовых колец вы-

сотой 30 км при вяезнем и. внутреннем диаметре 350 и 200 мм соответственно (рис, 15). Цилиндрический экран положительной полярности с толщиной, станки 2 мм был продванут в сторону отри- ■ нательного электрода на' 2/3 высоты секции. При испытаниях в . электронном ускорителе с током 30 кА изолятор .выдержал 800 кВ при длительности импульса на полувысоте 0,'5. мкс. Получено значение рабочего градиента-электрического поля по длине изолятора в области относительно больших длительностей импульса 40 кВ/см. При создании этого вакуумного изолятора был реализован нетрадиционный подход, заключавшийся в сознательном повышении неоднородности электрического поля у положительно' заряженных электродов.' Он стал возможным-с'учетом результатов исследований электрической прочности больших вакуумных промежутков при различно« геометрии электродов, в которых установлены высокие злектрог.рочностные характеристики вакуумных разрядных промежутков при острийных анодах. Экспериментальные данные по -электрической прочности Сольеих вакуумных промежутков и результаты испытания макетов секционированных вакуумных изоляторов на напряжения до 300 кВ' о предельно мелкой структурой секционирования и жидкостной системой распределения потенциала, .а также . монолитных о распределением потенциала с помочью соленоида из высокоомкого материала, размещенного на-вакуумной поверхности изолятора, позволили на научной основе'разработать изолятор'дня микросекундного электронного ускорителя на 3 >3 (рис. 16). При 'этом впервые диэлектрический корпус столь крупного изолятора-выполнен из полиэтилена. ЛЗолятор набран из 23 полиэтиленовых колец -толщиной 60 ,ми с конической формой вакуумной поверхности с углом конуса 45°. Внешний диаметр кольца и диаметр большего сечения конуса рагны 1440 и 1340 мм соответственно. !>{зжду ними расположена алскиниевые градиентные кольца толщиной 10'мм.

Об'лал длина корпуса изолятора, стянутого ггпилькгуи из дре-аесьо-слоистого пластика, составляет 2350 мм. ¡ясракир)?ка ди-.электрической поверхности осущзстнлена экрана)« з вакууме. з-форме обручей.из дюралевой трубки диаметром 40 "хм.

Распределение'потенциала по секциям осуществлено с помощью нихромевого делителя напряжения, намотанного.бифилярно на отдельный каркас. йатодоДержагель диаметром'300. мм проносит полный потенциал через заземленный опорный фланец диакетром 2 м. Три

таких изолятора вмонтированы в уникальные по энергии электронного пучка ускорительные комплексы. Достигнутых на них напряжений 2,8.МЗ при длительности импульсов I икс оказалось недостаточно для определения его электрической прочности, йюго-летняя.интенсивная эксплуатация показала их высокуп надежность. •Разработан и реализуется вакуумный изолятор на 3 Ш с глубокой деформацией электрического поля, позволявший снизить массогаба-ритнке характеристики. " . .

Выполненное .исследование разрядного'.процесса в одной из конструкций секционированного изолятора при напряжении до 1,2 Ш показало, что временная структура тока начальной проводимости, все сопутствуз-дие явления в обвдх чертах■ аналогичны явлениям, развивавдимся при пробое 'больвкх вакуумных' промежутков с разви- . той поверхностью электродов. Главной особенностью развития разряда з ото с. высоковольтной конструкции является чрезвычайно низкая напряженность электрического.поля, при которой возникает •начальная' проводимость С3-5 кЗ/см),. высокая амплитуда преяпро-бо^ного тока (до единиц ампер) и относительно малый пробивной градиент электрического поля.

3 седьмой, главе пригйдзна инженерная мзтодика расчета вакуумных секционированных, изоляторов. 3 основу расчета закладываются опытные данные по пробивным градиентам электрического . поля больпих изоляционных вакуумных промежутков, пслучекиые нами, классические формулы для расчета напряженности электрического лолл в разрядных промэяутках различной геометрии и известные эмпирические соотношения Мартина, связываввдо электрическую прочность изолятора с размерами его вакуумной поверхности и длительностью высоковольтных импульсов. .

По известному напряжен;» и пробивным напряженностя.ч электрического поля типовых конструкций с введением запаса электрической прочности определяются размеры основных разрядных промэ- " лутков и габариты од точной секции изолятора. Для выбора сага секционирования нами праслояеяа эмпирическая формула:

и Н-Ип[Вп/Ес1

позволяющая по измерении напряженности электрического поля Ео несеюдионированного корпуса высотой Н и секционированного корпуса этой же высоты с произвольным числом /7 градиентных колец толвиной В определить оптимальное число градиентных колец в изолятора м высоту одной; секции. Приведена схема замещения секционированного вакуумного изолятора и.дан пример расчета обобщенных емкостей градиентных колец вакуумного изолятора и теоретического распределения потенциала по ним. Приведена формула для расчета сопротивления делителя напряжения, обеспечивающего при известных обобщенных емкостях передачу к диоду без искажения, высоковольтного импульса с заданной длительностью фронта. Даются оценки осевых усилий, обеспечивавших монолитность конструкции изолятора, его работоспособность при значительных радиальных нагрузках за счет атмосферного давления в любом пространственном положении.

' В заключении' сформулированы основные научные-результаты, полученные в диссертационной работе.

Д. Проведено систематическое исследование импульсного пробоя вакуума в практически важной области сантиметровых разрядных промежутков, При высохом-разрешении по току с использованием квазипрямэугольных импульсов напряжения и минимального : . перенапряжения установлены-новые детали временной структуры тока начальной проводимости, а'именно: отсутствие запаздывания разрядного процесса относительно фронта высоковольтного импульса и наличие.двух стадий роста тока - линейной и экспоненциаль-. ной. ...

2. Впервые установлен экспоненциальный характер роста то-. ка на фронте микроразряда в диапазоне пяти порядков величины по току. Изучены зависимости амплитуды тока микроразряда от напряжения и расстояния между электродами, давления остаточных газов., степени кондиционирования и температуры:электродов.

■ 3. Предложена модель физического механизма .микроразрядов в техническом вакууме, основанная на представлениях о возникновении-в приэлехтродных зонах динамических областей повыиенного давления газов и развитии в них ионизационных процессов, а так- . же формула для расчета токов микроразрядов, дающая удовлетворительное согласие па их динамике. .

• 23 - '

Установлена пространственно-временная структура светового излучения в видимом диапазоне длин волн. Участив газов, . д.есорбированных с обширных участков, поверхности, электродов, придает ему объемный характер. Ионизационные процессы более интенсивны у катода, что подчеркивает определяйте роль катодных явлений в формировании импульсных высоковольтных разрядов в вакууме. '•.'•"

5. При достижении в. микроразрдде плотности тока на катоде порядка 0,2 А/см^, разрядный процесс переходит в стадии быстрого необратимого роста тока вследствие взрыва не однородно стой . катодной поверхности, возникновения факелов металлической плазмы и взрывной эмиссии электронов. Впервые ycTaw^eHOi что микроразряды подготавливавт'условия для возникновения взрывной эмиссии электронов и участвуют в инициировании пробоя технического вакуума.

6. Проведен комплекс исследований электрической прочности вакуумных промежутков в широком диапазона расстояний, формы и площади электродов, времени воздействия напряжения, позволивший определить пробивные напряженности электрического поля в. сантиметровом диапазоне межэлектродных расстояний, их зависимость от основных параметров.вакуумного промежутка и высоковольтных импульсов. Обнаружен минимум импульсной электрической прочности вакуумных промежутков при длительности высоковольтных импульсов в несколько десятков микросекунд в слабо неоднородном поле С40—50 кВ/см), вызванный-наиболее неблагоприятным для изоляции развитием газодинамических к ионизационных процессов в вакуумном промежутке.

7. Впервые экспериментально установлен диапазон времени воздействия напряжения, ■ S. котором существует'зависимость электрической прочности вакуумных промежутков от давления остаточных газов в области 10"- 10"^ Па. Наиболее■ полно она начинает проявляться для сантиметровых вакуумных промежутков с развитой поверхностью электродов з техническом вакууме и при времени воздействия напряжения п десятки и сотни микросекунд, то есть в тех условиях, когда длительность импульса совпадает с характерными .временами теплового движения десорбированного с электродов газа в промежутке.

- гц - •

8. С учетом участия газодинамических процессов, развивающихся при пробое технического вакуума, и условий эвакуации де-сорбированных газов из'области, сильного электрического поля дано качественное объяснение известному эффекту полного напряжения и зависимости пробивного'напряжения от площади электродов.

9. Экспериментально установлено, что процесс вакуумного пробоя по поверхности твердого диэлектрика в вакууме в основных чертах-аналогичен таковому для вакуумных промежутков. Во временной структуре тока пробоя также существует фаза импульсной . высоковольтной проводимости и фаза быстрого роста токе. Развитии пробоя при электрическом поле в несколько раз менызем, чем в вакуумных'-промежутках и за более короткое время способствуют десорбированные .с поверхности диэлектрика газы и затрудненные, условия-их эвакуации из .области сильного электрического поля.

10. -Впервые установлено возникновение в катодном контакте-металл-диэлектрик задолго до. пробоя плазменных-образований, изучены'условия их возникновения и пространственная структура. ' Этот факт подчеркивает решающее.влияние при поверхностном пробое, как и при пробое вакуумных промежутков, катодных процессов,

11. Разработаны, изготовлены и смонтированы в уникальные ускорители вакууыные секционированные изоляторы на 3 4В для работы в ыикросекундном диапазоне длительностей высоковольтных ккпульсов. Длительная и интенсивная эксплуатация этих устройств показала их высокую надежность.

12. Впервые предложена конструкция вакуумного изолятора с глубокой деформацией электр1ческого поля,., способного при мега-вольтноы напряжении и длительности импульсов 0,5 ккс работать при напряженностях электрического поля до 40 кВ/см. При этом реализован нетрадиционный подход, заклпчаюпийся в резком увеличении неоднородности поля на части потенциальных элементов, ради поведения электрической прочности конструкции в целом.

Основные материалы диссертационной работы изложена в

следупдах публикациях:

й

1. /йзьмин Г.С.. Кассиров Г.М., Крендель Ю.В., 1аптева Т.Н. Некоторые вопросы разработки ускорительных трубок с большим током. - Изв. Томского политехнического института, 1362, т.122, с. 108-115.

2. Кассиров Г. А., Секи сов 5.Г. Импульсные предпробойнне явления в сантиметровых вакуумных промежутках. - яК, 1983,

т. 53. в. 57, с. 1279-1283. '

3. Змельяноз А.А-, Кассиров Г.М., Филатов A.S. Прогнозирование электрической прочности вакуумной изоляции в стационарном режиме. - Изз. вузов. Физика, 1976, Ъ II, с.133-140.

4. Грановский B.I., ?озенова й.Б., йЬсмарсЕая Л.Н., Тарасова Л.З., ¿&сскров Г. j-i-, Гордиенко В.И., Олеидская Н.Ф., .•Ьхайлов В.И. Рекомендуемые условия проведения опытов по электрическому пробоя вакуумных промежутков. - Радиотехника а электроника, 1963, т.8, * 12, с. 2102-2107.

5. Бакпт Р.Б., К&ссиров Г.М., Смирнов Г.В., Секнсов ё.Г. Не-следолание световых явлений при пробое сантниэтровых ва--куушых промежутков. - Изв. вузов. Физика, 1975, & 7, . с. 130-132. - ■

Ssly&tsky I. I . .Kassirov О. ¡1. , Snirnov G.V.. Some Results of Exterioental Study of Breakdown in Vacuun «ith the Зсрег high Pilse Voltage.- Pros.6th ISDEIV, Swansea, 1974. p.37-42.

7. Кассиров Г. А. Об импульсной электрической прочности 'вакуук-ннх промежутков. 5 кн.: Пробой диэлектриков и подупрогодни-К02. /:-Л. Энергия, 1964, с. 91-93.

8. Згсвиров Г.;-!., йэкальчух 5. А Исследование времени запаздывания разряда при глехтричвском пробое вакуукгнх проюду1?-ко:5.. ■- дТ<2, 1964. 5.3, с. 484-485.

3. йлсаиров Г.А., Азея'4 Г.А. 0 механизме пробоя коротких ва-

- -с/у.чных промежутков. - 1964, т-34. з.8, с- Ш6-1Ш.

10. Наосиров Г. it Влияние материала электродов на время запаздывания разряда при электрическом пробое вакуумного промежутка.1966, г.36, B.I0, с. 1883-1885.

11. Каляцкий Я.И., Кассиров Г.А., Смирнов Г.В., Фролов H.H. Бремени ив характеристики Пробоя сантиметровых вакуумных промежутков. - Ш, 1975, т.45. с. 1547-1549.

12. Каляцкий И.И., Кассиров Г. И. Исследование влияния материала электродов на импульснуо электрическуо прочность высо-ювакуушого промежутка..- 1964, т.34, в.2, с.349-351.

13. йаляцкий И.И., 1Ьссиров Г.М. Импульсный пробой высокрго вакуума при малых временах воздействия напряжения. - Изв. вузов. Физика, 1963, * 4, с. 78-81.

14. Буц B.I1., Вмельянов A.A., Кассиров Г. М?, Кузьминов Н.С., Филатов A.I. Повышение электрической прочности вакуумных промежутков тренировкой высоковольтными наносекундными импульсами. - Электронная техника, сер. .электровакуумные

и газоразрядные приборы, 1978ч в.7, с. II5-II7.

15 . Буц В.Л., Емельянов A.A., 2ЬссировГ.-&, фзьшнов Н.С», Мальгин-В.П." 0 влиянии шунтирующей емкости на электричес-кув прочность вакуумного промежутка. - Электронная техника, сер.5. Радиодетали и компоненты, 1981, в.2, с. 22-24.

16.

Yenelyanov A.A. ,Ka.lyatsk.iy I. I., Kassirov G.M . .Snirnov ,G. V. Probiens of the Forecasting of the'Electrical Strength of Pulse Voltage Vacuuo Gaps.- Pros.7th ISDEIV, Novosibirsk, 1976,p.120-123.

17. Кассиров Г.Ж, Секи сов Ф. Г., Ясельский Б. К-. Яковлева Т.П. Разрядные характеристики сантиметровых вакуумных промежутков. - Тезисы докладов П Всес.конф. по импульсным источникам энергии для термоядерных исследований и промышленной -технологии, г. Верхняя Пыжыа, 1985, с. ПО.

18. Кассиров Г. М., Ясельский Б.К. Временные характеристики ва-куушого разряда, инициированного излучением лазера. - Тез.

- ЗВ -

Осциллограмма тока пробоя на прямоугольном импульсе напряжения (а) и фрагмент её начала,, полученный при. высоком разрешении по току (б;

Длина промежутка 2см. Цена деления сетки по напряжении ^5кВ. По току:

а- 4 Ю~2А; б- 3.3 Ю~7А.

Рис. I.

Изменение временной структуры Пространственная структура тока при нарастающем напряже- излучения вакуумного проие-

нии ма вакуумном промежутке

кутка 6см в предпробойноЯ .стадии

"ПГ

) I J Z.1

Расстояние между электрода.«: 5 см.

а- пзедпсобойннй тек; б- ток при пообое без перенапэяженйя; в- С пер г напряжением 5-7а.

I- у катода; 2- у анода. • Рис. 3.

1 ипоБыв осциллограммы тока микроразряда в сантиметровом вакуумном прэме&утко на импульсном напряжении квазипрякоутольнои формы

Пзостранственно-вре манная картина светового излучения на" различных стадиях импульсного разряда в сантиметровых вакуумных промежутках

¡4 г *

, --

ь

5 I

Ш; М I

- г?

Гу $ ? / 1

V ! V ' - Р7""-- -1

Х^тг

[5-10а

2- спокойныГ; рэким начальной проводимости; Ц- предпробойкы-з ситуации:

Рис. 4.

а- стадия кккроразряда; б- ре."::н взрывной эмиссии электронов; -э- дуговая стадия.

Рис. 5.

Последовательные фоагменты свечения в вакуумном поомехутке а фаза быстрого роста тока, получзк-ныэ методом оборванного разряда

Длина промежутка беи. Катод внизу. Рис. б.

Временная последовательность Относительная интенсивность

: возникновения излучения в свечения катодных факелов

различных зонах вакуумного на различных удалениях от .

промежутка поверхности катода

ГаюиА

г

(0 9м»

I- у катода; 2- в се редкие промежутка; 3- у анода. Цена деления, сетки по вре-. меня - Дмзсо.

Рис. 7.

1-С1-658, 2Ю<; 2-£¿1-515. Энн; 3- -452. 9нм.

Рис. 8.

Типовые осЧиллогранич тока при пробое вакуумного промежутка в различных режимах его инициирования импульсным сбросом адсорбированных газов.

а- инициирование на катоде; б- на аноде промежутка. -Рис. 9..

Таблица I. Физическая модель импульсного пробоя технического вакуума

Стадии разряда Физические процессы а

разрядном промежутке

Пробивное напряжение сантиметровых вакуумных промежутков для различной формы электродов

Цпр,Н&

то

т

т

Электрическая прочность вакуумных промежутков в зависимости от времени воздействия напряжения

6С0

о

1 i

т 200

4

В (2 Ü, ем

О 0

\ • \

к

\ V 9 7р° 80^

N 50 о6 о" 0 4 10

иг

10'* (0'г t,C

Электроды медные. Пар диамет- I- Проскуровский Д.И.; 2- Олевд-рок 12см. Радиус кончика екая Н.Ф.: 3-Талонов В.А.:

острия Змм. Коваль H.H.; 5-Smirfi У/.Д.6-

Олендская Н.Ф.: 7- Ергаков В.А. Рис. 10. 6- Покровская-Соболева A.C.; 9-

Солодовникав А.П.: Ю-ДИапк.

ii-b? zu о о tyjк с S.

» 'наии данные. Рис. II.

Пробивное напряжение вакуумных промежутков для различных давлений остаточного газа Uпр. U

250

Пробивное напр яка кие коаксиального вакуумного промежутка на импульсах различной длительности

200

/50

<00

—о—„ j4'p

О* о. "Ч

Д V

<o's Ю * 0* U

Расстояние между полусферическим катодом диаметром 12см и плоскостьп 2см. .Давление остаточного газа:?

2- 3.6 10'£ 3- 1.3 КГ*; 2,6 I0'3 Па.

Рис. 13.

I- косоугольный импульс напряжения длит ель но с? bD 0 ,5w:с; 2- квазнпрлмэугольный имл'/льс длительно стьп 50 мхе.

Рис. 12.

I- 10-

\ • \

к

\ V 9 7р° 80^

N 50 о6 ¡о" 0 4 10

v-Okä £

3

/

- . Таблица 2.

Расчетные пробитые градиенты электрического поля на катоде (хВ/см) в промежутках с различной геометрией электродов

Геометрия электродов и длина промежутка, си 2 4 6 8 10

- г +

—ь 958 ; 906 912 1040 ИЗО

- Г + -о [— 239 232 255 267 287

у г +

пг 230 180 158 143 132

Ч-СЬ 305 250 200 181

-V +

500 362

4;т 200 191 199

Плазменные образования в контакте юталл-диэлектрик на различных уровнях напряжения .

Вакуумный изолятор на 500кВ С глубокой экранировкой И Деформацией йЛектричес* кого гtoJkя

....., ^а^аййгЁима

Диаметр посадочного фланца - 480мм. . Рас. 15.

Йзрпус электронной пушки кикросекундного ускооитеЛй с вакуумным секционированным изолМГорой ка ЗМВ. ■