Влияние состояния поверхности электроводов на характеристики вакуумного пробоя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Российская академия наук Сибирское отделение Институт сильноточной электроники

На правах рукописи УДК 537.533

Батраков Александр Владимирович

ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНОГО ПРОБОЯ

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1997 г.

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения Российской Академии наук, г. Томск

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор физ.-мат. наук, профессор Проскуровский Д.И.

доктор физ.-мат. наук, зав. кафедрой физики плазмы Томского гос. университета Козырев A.B.

кандидат физ.-мат. наук Абдуллин Э.Н. (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск)

Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится "_" ноября 1997 г. в_часов на

заседании специализированного совета Д.ООЗ.41.01 при Институте сильноточной электроники СО РАН (634055, г. Томск, пр. Академический, 4)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Автореферат разослан " 20 " октября 1997 г.

Учёный секретарь /УШ,

специализированного Совета

доктор физ.-мат. наук ' ¿¿У д.и. Проскуровск

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Многие физические процессы, как катодные, так и анодные, происходящие при вакуумном пробое, определяются состоянием поверхности электродов. Именно поэтому исследование свойств поверхности электродов и их влияния на вакуумный пробой, а также разработка методов модификации поверхности электродов с целью улучшения изоляционных свойств вакуумных промежутков, является одним из ведущих направлений в физике вакуумных разрядов.

В настоящей работе исследование влияния состояния поверхности электродов на вакуумный пробой сосредоточено на выяснении роли жидкой фазы в инициировании пробоя, а также на использовании уникальных физических процессов, происходящих в зоне расплава, с целью модификации эмиссионных и электроизоляционных свойств поверхности электродов.

Актуальность такого подхода заложена в самом явлении инициирования вакуумного пробоя. При больших плотностях автоэмиссионного тока происходит разогрев эмиссионного центра до температур, значительно превышающих точку плавления материала катода. При дальнейшем развитии взрывного процесса происходит циклическая регенерация зоны расплава. Жидкая фаза может образовываться и на аноде как результат воздействия электронного потока на металл. Во всех этих случаях поверхность жидкого металла находится в сильных электрических полях, что неминуемо должно приводить к проявлению электрогидродинамических явлений. В связи с этим всегда сохраняется интерес к исследованию физических процессов при вакуумном пробое промежутков с жидкоме-таллическими катодами.

С другой стороны, кратковременное появление жидкой фазы на поверхности металла, например, при импульсном воздействии интенсивного электронного потока, существенно изменяет характеристики приповерхностного слоя и самой поверхности после её кристаллизации, а именно, микрорельеф, структуру и химический состав. Если подобное импульсное оплавление произошло на электроде, то должны неминуемо измениться как характер предпробойных явлений, так и развитие самого пробоя. Очевидно, что при этом приповерхностный слой будет очищаться от примесей, поскольку оплавляются и испаряются прежде всего диэлектрические включения и легкоплавкие примеси. В результате должно происходить улучшение вакуумной изоляции. Это открывает возможности для разработки нового метода улучшения вакуумной изоляции.

Цели работы

1. Исследование влияния оплавления поверхности электродов при их облучении низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком микросекундного диапазона длительностей на характеристики пробоя вакуумных промежутков.

2. Исследование инициирования и динамики развития вакуумного пробоя в случае присутствия жидкой фазы на поверхности катода.

Научная новизна

1. Установлен эффект подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумных промежутков в результате оплавления поверхности электродов низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком микросекундного диапазона длительностей. Показано, что данный эффект наблюдается как в высоком безмасляном, так и в техническом масляном вакууме. Проведены детальные исследования данного эффекта для широкого круга материала, режимов обработки и условий испытания электрической прочности вакуумной изоляции, позволившие выявить наиболее эффективные режимы обработки и наиболее перспективные материалы для реализации этого метода.

2. Зарегистрировано появление жидкой фазы на микроэмиттере в финальной стадии автоэмиссии непосредственно перед взрывом эмиттера. Для этого состояния характерны специфические, ненаблюдавши-еся ранее эмиссионные изображения в автоэлектронном проекторе.

3. На жидкометаллическом катоде макроскопических размеров проведено экспериментальное моделирование электрогидродинамических (ЭГД) явлений, происходящих в микроэмиттере перед его взрывом при предельных плотностях тока автоэмиссии. Зарегистрированы все фазы роста и распада жидкометаллического выступа и произведён анализ результатов с точки зрения существующих теоретических представлений. Обнаружены новые закономерности данных физических процессов.

4. Обнаружены аномальные ЭГД явления на жидком вольфраме в ки-слородосодержащей атмосфере.

Научная и практическая ценность

Результаты работы вносят вклад в понимание процессов, происходящих при инициировании вакуумного пробоя. Установлены новые аспекты, связанные с пониманием роли жидкой фазы в вакуумном пробое. Получены важные экспериментальные результаты, позволяющие проверить и внести новые поправки в теоретическое описание ЭГД явлений на поверхности жидкометаллического катода.

Обнаружен эффект подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумной изоляции после облучения поверхности электродов электронным пучком. Найдены режимы оптимальной обработки и наиболее перспективные материалы для реализации нового метода повышения электрической прочности вакуумных промежутков.

Результаты исследований использованы при выполнении х/д 5/90 ИСЭ СО РАН с НИИ интроскопии при ТПУ (г. Томск) и контракта AL-1102 ИСЭ СО РАН с Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM, USA).

Тезисы, выносимые на защиту

1. Разработан метод подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумной изоляции путём предварительного облучения поверхности электродов низкоэнергетичным сильноточным электронным пучком.

2. Импульсное электронно-лучевое оплавление поверхности электродов приводит к понижению уровня предпробойных токов на 1-3 порядка величины, увеличению пробивных напряжённостей электрического поля вакуумных промежутков в 1.5-2 раза и уменьшению плотности эмиссионных центров на поверхности катодов в 5-10 раз по сравнению с электрохимически полированными электродными парами.

3. С использованием автоэмиссионного проектора и наносекундной импульсной техники зафиксирована термоавтоэлектронная эмиссия из

жидкой фазы, появляющейся на поверхности металлического автоэмиттера непосредственно перед его взрывообразным разрушением и инициированием взрывной электронной эмиссии.

4. С использованием стробоскопической фотосъемки и специальной схемы электропитания вакуумного диода с жидкометаллическим катодом экспериментально зарегистрированы последовательные фазы

роста жидкометаллического выступа на поверхности катода, заканчивающегося инициированием пробоя, а также последующего распада этого выступа при исчезновении электрического поля. Показано, что результаты наблюдений хорошо описываются существующими представлениями о поведении жидкого металла в электрическом поле.

5. Обнаружена зависимость финального объёма конуса, формирующегося на поверхности жидкого металла в электрическом поле, от перенапряжения. Учёт этой зависимости в известной модели, описывающей запаздывание эмиссии с поверхности жидкометаллического эмиттера, позволяет максимально точно описать экспериментальные зависимости времени запаздывания эмиссии от перенапряжения.

6. При взрыве вольфрамовых контактов обнаружено, что в кислородо-содержащей атмосфере, в том числе на воздухе, на поверхности жидкого вольфрама развивается электрогидродинамическая неустойчивость при аномально низких значениях напряжённости электрического поля 105 В/м). Данное явление может быть объяснено появлением границы раздела с аномально низким поверхностным натяжением 10"5 Дж/м2).

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах: "Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики", "Письма в журнал технической физики", "IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation"; б тезисов докладов в трудах 2-х Всесоюзных и 3-х Международных конференций; препринт ТНЦ СО РАН; описание на Патент РФ; описание на Полезную модель. Материалы диссертации докладывались на VI Всесоюзном Симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1986), XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990), XVI (Москва-Ст.Петербург, 1994) и XVII (Беркли, США, 1996) Международных Симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме, ХШХольмовской Конференции по электрическим контактам (Чикаго, США, 1996).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, двух частей, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из 141 наименования; Основное содержание диссертации изложено на 126 страницах. Диссертация содержит 72 рисунка.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложен круг вопросов, рассматриваемых в диссертации, обосновывается их актуальность и формулируются тезисы, выносимые на защиту.

В первой части предлагается и исследуется новый метод подавления предпробойной проводимости и повышения электрической прочности вакуумной изоляции путём импульсного электронно-лучевого оплавления поверхности электродов.

Для реализации этого метода использовался источник электронов на основе плазмонаполненного диода с взрывоэмиссионным катодом, разработанный в Лаборатории вакуумной электроники СО РАН. Параметры источника позволяли достигать режима плавления для любых, в том числе тугоплавких, металлов.

Проведённые в Лаборатории вакуумной электроники металлофизиче-ские исследования модификации поверхностных слоев материалов низко-энергетичным сильноточным электронным пучком (НСЭП) показали, что такая обработка приводит к созданию однородного по составу приповерхностного слоя, очищенного от примесей, с хорошо сглаженным микрорельефом поверхности. Согласно существующим представлениям, такая поверхность должна обеспечивать высокий уровень электрической прочности.

Для проверки этого предположения был выполнен цикл экспериментов, состоящий из трёх серий.

В первой серии экспериментов исследовались предпробойные явления

и вакуумный пробой коротких субмпллпмстропых вакуумных промежутков на постоянном и импульсном напряжениях. Эксперименты проводились на широком круге материалов. Электроды облучались на установке, использующей технический масляный вакуум, затем переносились на воздухе в безмасляную высоковакуумную установку для эмиссионных исследований. Импульсное напряжение формировалось генератором на

основе импульсного трансформатора. Длительность импульса по основанию- 1.5 мс. В случае пробоя вакуумного промежутка ток ограничивался на уровне 1-2 А. Перед испытанием электрической прочности и после достижения максимального пробивного напряжения снимались и обрабатывались в координатах уравнения Фаулера-Нордгейма вольт-амперные характеристики предпробойных токов. Из обработки находились значения коэффициента усиления поля ¡3 и эффективной площади эмиссионного центра 5Э.

Исследование предпробойной проводимости показало, что предварительная обработка электродов электронным пучком уменьшает уровень предпробойных токов на 1-3 порядка величины. После завершения кондиционирования пробоями темновые токи промежутков с облучёнными электродами также оказывались значительно ниже, чем с необлучённы-ми. На рисунке 1 приведены типичные характеристики Фаулера-Нордгейма для вакуумных промежутков с вольфрамовыми электродами (для остальных материалов соотношение уровней предпробойных токов для облучённых и электрохимически полированных электродных пар подобно) после длительного кондиционирования пробоями.

-ю

-12-

-14-

-16-

-10-

-20

Ж

<1= 100 мкм

о6лучённые\

N е

1 52 -10.7

г 68 -11.7

3 46 -10.2

4 - 9.7

5 29 - 9.1

6 1В - 8.3

Рис. 1: Характеристики Фаулера-Нордгейма для электрохимически полированных (1,2,3) и облучённых НСЭП (4,5,6) вольфрамовых электродов и результат их обработки.

0.5

0.7

0.9 104/{/

1.1

1.3

Результаты испытания электрической прочности находятся в хорошем согласии с исследованием предпробойных токов. Из рис. 2 видно, что в целом в результате облучения электродов напряжение первого пробоя увеличивается в 1.5-2 раза как при статическом, так и при импульсном пробое. В процессе кондиционирования пробоями электрическая прочность промежутков с предварительно облучёнными электродами росла быстрее, чем с необлучёнными. Для большинства материалов уровень электрической прочности и после завершения кондиционирования оставался более высоким.

Ет, МВ/см НеР«-

(а)

Г МВ/см

N1

1 10

N. пробои

100

10

N. пробои

4 б

100

Г,„ МВ.'с*

хг- т.

«о

55?-«

10 100 N. пробо*

Рис. 2: Пробивная напряжённость электриче-

ского поля

в зависи-

10

N. пробои

100

100

мости от количества пробоев N. а): 1 - необлучён-ные электроды (о), постоянное напряжение; 2 - не-

10

N. пробои

оЬлучёнпые

электроды (о), импульсное напряжение; ,4 - облучённые электроды (•). постоянное напряжение: 4 - облучённые электроды (♦). импульсное напряжение, б): 1, ■I. Я -электрохимически полированные и 2, 1. в. 7 облучённые электроды и) тугоплавких металлоп; 2, I, (> г) Дж/см2, 7 15 Дж/см2.

В ходе проведения экспериментов было замечено, что при достаточно длительном кондиционировании пробоями электрическая прочность промежутков резко падает до уровня необлучённых электродов (рис. 3). Такое падение электрической прочности объясняется эрозией анода и переносом материала анода на катод. Как только глубина зоны эрозии превзойдёт толщину очищенного пучком слоя, на катод начинают переноситься слои материала, богатые загрязнениями. Глубина эрозионной ямки на аноде на момент падения электрической прочности всегда была не менее 10-20 мкм для различных электродов. Таким образом, обработка поверхности электродов электронным пучком обеспечивает глубину очистки, гарантирующей высокий уровень электрической прочности, не менее 10 мкм, что недостижимо другими методами предварительной обработки поверхности.

В ходе выполнения экспериментов с короткими вакуумными промежутками было установлено, что наилучшего результата при использовании

N, пробои

Рис. 3: Прерывание процесса улучшения вакуумной изоляции а) и теневая фотография вакуумпого промежутка, получеппая сразу после этого б). Сплошными лилиями показало исходное положепие вакуумпого промежутка.

нашего метода можно достичь на никеле и никель-содержащих сплавах, в том числе и традиционно используемой в качестве материала электродов нержавеющей стали. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились с использованием стали 12Х18Н10Т и её американского аналога стали 304.

Следующая серия экспериментов проводилась на миллиметровых вакуумных промежутках. Электрическая прочность исследовалась с использованием генератора прямоугольных импульсов напряжения амплитудой 250 кВ и регулируемой от 30 до 150 не длительностью. В этих экспериментах напряжённость электрического поля варьировалась не изменением амплитуды импульсов, как ранее, а изменением межэлектродного расстояния. При этом геометрия электродов не позволяла считать промежуток квазиплоским, что потребовало численного расчёта электрических полей на электродах. Расчёт производился с использованием программы "SAM".

Как и ранее, перед кондиционированием и после его завершения снимались и обрабатывались характеристики Фаулера-Нордгейма. На рисунке 4 представлены результаты обработки характеристик для необлучённых и облучённых электродных пар до и после кондиционирования. Эти результаты подобны наблюдавшимся в первой серии экспериментов.

Поведение кривых кондиционирования миллиметровых промежутков носит тот же характер, что и для коротких вакуумных промежутков, однако уровень пробивных напряжённостей оказался ниже (рис. 5), что хорошо объясняется проявлением "эффекта площади".

При проведении экспериментов было замечено влияние длительной экспозиции облучённых электродов на воздухе на характер процесса кондиционирования. Хотя напряжённости поля первого пробоя оставались

и

II

1 ■1111111

г.

Рис. 4: Знамения в (а. б. в, г) и ^ (5,) (д, е). полученные из обработки характеристик Ф-Н для промежутков с электродами: а,

в, л) пеоблучсииы.ми; 1), г, с) облучён-ттымп; а, и) ттгкоттдттцттоттттроваттттымтт, б,

г, д. е) - кондиционированными пробоями;

Е .МП/см

е

Рис. 5: Крипыо кондиционирования паку-умных промежутков с электрохимически полированными (]) и иредваршелъно облучёнными Т1СЭ11 (2, .1) Э.ПОК1 родам».

о.о Ч-.—I—,—I—.-1—.—,—,

1 10 30 50 80 110

А\ пробои

на том же уровне, само кондиционирование длилось дольше (кривая 2 на рис. 5), что, по-видимому, связано с образованием более толстого слоя окисла в случае длительно выдержанных на воздухе электродов.

Во всех экспериментах в процессе кондиционирования промежутков с облучёнными электродами при определённом сближении электродов электрическая прочность резко падала, что связано с интенсивной эрозией анода и переносом на катод неочищенного материала.

Уменьшить степень эрозии можно либо путём уменьшения длительности импульса, либо увеличением длины промежутка за счёт уменьшения радиуса кривизны катода. Действительно, при длительности импульсов кондиционирования 40 не удалось добиться дополнительного (на 2030%) роста пробивных полей. Аналогичный результат был достигнут и для промежутков большей длины.

Большой интерес для практики представляет испытание электрической

прочности в условиях технического масляного вакуума. Особенностью испытания электрической прочности в масляном вакууме является отсутствие процесса кондиционирования из-за загрязнения поверхности продуктами разложения масла. Поэтому максимальная электрическая прочность реализуется для напряжения первого пробоя. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. Видно, что и в условиях технического

Таблица 1: Результаты проведения экспериментов в условиях технического масляного вакуума. Приведепы средние значения величин: пробивпой палряжёппости электрического поля первого пробоя амплитудного зпачепия тока разряда при пробое ¡max, межэлектродного расстояния d и эффективной площади электродов Se/ ¡. Условия обработки: 1 - электрохимическая полировка; 2 - облучение НСЭП; 3 - обработка тлеющим разрядом в аргоне; 4 - напыление in situ на поверхность электрода материала электрода.

Материал электродов Условия обработки Ещ> МВ/см Imax кА d мм St}} см2

12Х18Н10Т 1 .75 0.56 3.9 0.78

12Х18Н10Т 2 1.40 0.3 1.96 0.46

12Х18Н10Т 3 1.10 0.45 2.58 0.6

12Х18Н10Т 2, затем 3 1.40 0.31 1.96 0.46

12Х18Н10Т 1 .80 0.7 3.27 2.84

12Х18Н10Т 2 .85 0.33 3.06 2.66

12Х18Н10Т 2+4 1.10 0.29 2.33 2.2

SS 304 1 1.00 0.56 2.42 0.71

SS 304 2 1.60 0.37 1.57 0.57

масляного вакуума использование предварительного облучения электродов электронным пучком позволяет существенно увеличить пробивные напряжённости электрического поля.

Важным результатом данной серии экспериментов явилось измерение плотности эмиссионных центров по анодным автографам после единичного пробоя при фиксированной напряжённости электрического поля. Оказалось, что предварительное облучение катода электронным пучком уменьшает плотность эмиссионных центров в 5-10 раз. Благодаря этому при пробое вакуумного промежутка с облучённым катодом ток вакуумного разряда оказывается меньше, чем при необлучённом катоде.

Результаты исследования влияния предварительного облучения поверхности электродов НСЭП на электрическую прочность обобщены в виде зависимости достигнутой пробивной напряжённости электрического поля от эффективной площади катода. На рис. 6 приведена эта зависимость

_ и» -

Е

(3 Сорраг

JS & о

I 100 $

2 д

IS 1 " д

1 □

д ««■ ▲ «ее»

Наши результаты для <8> нержавеющей стали в чистых вакуумных условиях

1 - без пробоя

2 - поле первого пробоя

3 -1 элеетрическая прочность

4 ] после кондиционирования

О-

Наши результаты для нержавеющей стали в техническом вакууме

электрохии. полировка тлеющий ■ разряд

. электронный * " пучок

•Л1 1.1 1 „ ,00

Ат ПИК! Л« 50* о1 гае 1отит ГиМ яг»п|Н> (стг)

Рнс. 6: Влияние эффективной площади электродов на пробпвную напряжённостей электрического поля (Окава, 1988). На график помещены наши результаты для нержавеющей стали.

и подобная зависимость, полученная в Toshiba Corp. (Окава, 1988), в экспериментах по длительному кондиционированию промежутков пробоями в условиях сверхвысокого вакуума. Видно, что полученная в настоящей работе зависимость пробивной напряжённости поля от эффективной площади катода для нержавеющей стали имеет тот же характер, но лежит существенно выше. Это свидетельствует о перспективности разработанного метода повышения электрической прочности.

Вторая часть посвящена исследованию влияния жидкой фазы на пред-пробойные явления и вакуумных пробой в случае жидких металлических катодов, либо при появлении жидкой фазы на катоде при инициировании пробоя.

Обычно полагается, что жидкость начинает играть свою роль в вакуумном пробое после инициирования взрывной эмиссии. С другой стороны, трудно отрицать возможность появления расплава в финальной стадии автоэмиссии непосредственно перед взрывом микроэмиттера. Но при этом считается, что развитие взрывного процесса в автоэмиссионном центре происходит настолько быстро, что оплавление микроэмиттера до взрыва можно не принимать во внимание из-за малой его длительности. Это действительно справедливо при изучении инициирования взрывной элек-

тронной эмиссии с временным масштабом в десятки наносекунд и более. Переход же в диапазон единиц и долей наносекунд может потребовать рассмотрения и исследования в том числе и ЭГД явлений в финальной стадии автоэмиссии. Однако даже сам факт появления жидкой фазы на микроэмиттере перед его взрывом в настоящий момент не установлен. В этой связи в работе была предпринята попытка зарегистрировать автоэмиссию из расплава, образующегося непосредственно перед взрывом микроэмиттера.

Эксперименты проводились с использованием автоэмиссионного проектора (рис. 7) и генератора прямоугольных импульсов амплитудой до 50 кВ и длительностью, регулируемой от 2 до 10 не. Катодом служила вольфрамовая игла с радиусом кривизны вершины 3-5 мкм. Поверхность вершины катода очищалась длительным кондиционированием пробоями с использованием 50-кВ 10-нс импульсов напряжения.

1см

2 5 ие/дел 50 «Б/дбп

Рис. 7: Схематическое изображение электронных проекторов и тпппчлая осциллограмма импульса напряжения, подаваемого на катод. 1 - острийпый катод, 2 - лю-минесцептпый экрап, 3 - точка наблюдения, 4 - сетка из четырех проволочек.

Затем на катод подавались импульсы напряжения длительностью 2 не с постепенным увеличением амплитуды от импульса к импульсу. При некотором напряжении появлялись изображения, типичные для автоэмиссии с вершины игольчатого эмиттера после её взрыва (рис. 8а). Эти изображения хорошо известны. В работе они условно названы изображениями первого типа. Изображения имели низкую яркость и хорошо воспроизводились от импульса к импульсу.

При повышении амплитуды импульсов на 1-2 кВ характер изображений существенно изменялся (изображения второго типа) - резко повысилась яркость изображений, на изображениях появилась концентрическая структура (рис. 86). Однако телесный угол изображений продолжал оста-

(а) (6) (в)

Рис. 8: Типичное эмиссионное изображение первого типа (а), полученное путём экспозиции 50-ти импульсов тока АЭЭ, типичные эмиссионные изображения второго типа (б) и типичное эмиссионное изображение третьего типа (в).

ваться малым, что характерно для автоэмиссии. От импульса к импульсу изображения второго типа не воспроизводились. Причём, после каждого появления изображения второго типа изображения первого типа радикально изменялись, что свидетельствует об изменении микрогеометрии вершины острия.

При дальнейшем повышении амплитуды импульсов эмиссионные изображения расширялись, заполняя весь экран (изображения третьего типа). На изображениях исчезали характерные для изображений второго типа особенности (рис. 8в). Было сделано предположение, что эти изображения соответствуют взрывной электронной эмиссии.

Это подтвердили дополнительные эксперименты в трёхэлектродном проекторе (рис. 7), в котором между игольчатым эмиттером и экраном были расположены четыре проволочки, находящиеся под потенциалом экрана. На рисунке 9 представлены фотографии изображений второго и третьего типа в проекторе второй конструкции. Видно, что на изображениях второго типа тень от проволочек тёмная, а на изображениях третьего типа область, соответствующая тени - светлая.

Эта ситуация моделировалась с использованием программы "Бирег-БАМ". В результате моделирования была получена зависимость расстояния между проволочкой и областью схождения электронных траекторий от радиуса эмиссионной границы. Оказалось, что при радиусе вершины катода 5 мкм электронные траектории сходятся на расстоянии 10 см, что значительно превышает расстояние от проволочек до экрана. Это обеспечивает тёмную тень. Область тени превращается в светлую область, если

траектории собираются в пространстве между проволочками и экраном. Это происходит в том случае, если радиус зоны эмиссии становится больше радиуса проволочки (100 мкм). Этот результат однозначно указывает на то, что изображения второго типа соответствуют автоэмиссии, а изображения третьего типа - взрывной эмиссии. Поскольку длительность импульса напряжения составляет 2 не, из наблюдений следует нижняя оценка средней скорости разлёта плазмы в первые 1-2 не взрывной электронной эмиссии, равная 5 х 106 см/с, что хорошо согласуется с результатами других исследователей.

Таким образом, изображения второго типа соответствуют автоэмиссии из конденсированного состояния вещества. С другой стороны, после каждого появления изображения второго типа меняется микрорельеф поверхности. На основании этих фактов в работе сделан вывод о том, что изображения второго типа соответствуют автоэмиссии из жидкой фазы, появляющейся на микроэмиттере перед его взрывом. Деформация жидкой фазы в поле неминуемо должна изменять микрорельеф вершины эмиттера после кристаллизации расплава.

Поскольку изображения второго типа появляются при автоэмиссии из жидкой фазы, они должны появляться в случае использования конуса Тейлора, сформированного на поверхности жидкометаллического катода (ЖМК), в качестве классического автоэмиттера. Такие изображения на галлий-индиевом жидком катоде в работе действительно наблюдались и они имели подобный характер.

При увеличении длительности импульса свыше 5 не изображения второго типа не удаётся зарегистрировать из-за инициирующейся взрывной

эмиссии. В работе это объясняется развитием ЭГД неустойчивости на поверхности жидкого металла (ЖМ) в поле. Выполненные оценки показывают, что через 0.5 не от момента появления жидкой фазы формируется конический выступ, обостряющий вершину эмиттера, что должно ускорить его взрыв. С другой стороны, если взрыв не успел произойти, то, согласно оценкам, после окончания импульса напряжения выступ ЖМ успевает опадать. Это должно приводить к полировке катода. В экспериментах действительно наблюдалась полировка катода импульсами автоэмиссии без инициирования взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).

Таким образом, удалось зафиксировать сам факт появления жидкой фазы перед взрывом микроэмиттера. Не менее интересно исследовать также и динамику поведения ЖМ на вершине автоэмиттера перед его взрывом. Однако это не представляется возможным из-за малых размеров и коротких длительностей рассматриваемых в данной работе процессов. Но их можно попытаться смоделировать, используя ЖМК достаточно большого размера, при этом полагая, что выполняется принцип подобия. Эта задача представляет также и самостоятельный интерес, т.к. до настоящего времени не были проделаны систематические экспериментальные исследования динамики ЖМ в поле, хотя разработано детальное теоретическое описание этих процессов.

Была проведена серия экспериментов с использованием теневой стробоскопической фотосъёмки и электрической схемы, специально разработанной для вакуумных диодов с ЖМК. Процессы на катоде хорошо воспроизводились от импульса к импульсу. Изменением запаздывания включения лампы-вспышки относительно начала импульса высокого напряжения регистрировались все последовательные фазы роста и распада выступа (рис. 10).

Рис. 10: Теневые фотографии процесса. роста а) и распада б) жидко-металлического выступа, формирующегося на катоде диаметром 4 мм при перенапряжении 1.2

На основании фотоснимков строились зависимости высоты выступа от времени. Экспериментальные данные сравнивались с результатами аналитических и численных расчётов, выполненных Баскиным. Было обнаружено практически полное совпадение эксперимента с модельным представлением для всех экспериментальных ситуаций (рис. 11). Такие наблюдения и сравнение эксперимента с теорией ранее не проводились.

и мс

/, мс

(а)

Рис. 11: Зависимости напряжения, приложенного к вакуумному промежутку, и высоты формируемого па поверхности выступа от времени для катода, ориентированного против направления (а) и по направлению (б) силы тяжести. Точки - эксперимент, линии - теория.

При проведении экспериментов было замечено, что финальный объём V формируемого конуса Тейлора зависит от перенапряжения (и/Щ) следующим образом:

(1)

где Уо - объём конуса Тейлора, формируемого при напряжении, равном пороговому (Щ). Нами было сделано предположение, что подобная зависимость должна иметь место не только на макрокатоде, но и в случае острийных эмиттеров, покрытых ЖМ. Из литературы известны выражения Томсона и Дудникова для времени запаздывания эмиссии игольчатых эмиттеров от перенапряжения. Известно также, что экспериментальные зависимости недостаточно точно описываются этими выражениями. Учёт зависимости (1) в выражении Томсона позволил получить новое выражение для времени запаздывания

- 7/,^па [и*) V '

(2)

где г/ - коэффициент вязкости ЖМ, Л - толщина плёнки, а - полуугол конической части острия, -> - коэффициент поверхностного натяжения ЖМ. Оказалось, что оно даёт наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных (рис. 12).

100

50 -

Рис. 12: Типичная зависимость времени запаздывания взрывной электронной эмиссии па острпй-ттом жттдкомоталтпгтегком катоде от перепапряжеппя (точки) и сё аппроксимации (линии). 1 - выражение (2); 2 - Дудников и Шаталин, 1987; 3- Томсопи Прсветт, 1984.)

1.2

1.6

2.4

В заключениях к каждой части делаются выводы, отражающие основные полученные результаты. В настоящем автореферате выводы приводятся в виде общего раздела.

1. В результате облучения поверхности электродов низкоэнергетичным

сильноточным электронным пучком микросекундного диапазона дли-

и

тельностеи в режиме интенсивного оплавления начального испарения достигается высокая степень очистки поверхности и формирование однородного, хорошо сглаженного микрорельефа. Это приводит к понижению уровня предпробойных токов на 1-3 порядка и увеличению пробивных напряжённостей электрического поля в 1.5-2 раза как при постоянных, так и при импульсных напряжениях. Причём, данный эффект наблюдается как для первого пробоя, так и при последующем кондиционировании промежутка пробоями.

2. Эффект повышения электрической прочности и подавления пред-пробойной проводимости вакуумных промежутков после облучения электродов НСЭП подтверждается для всех исследованных материалов. Однако величина эффекта для различных материалов различна.

0

Из всех материалов, традиционно используемых в вакуумных приборах в качестве материалов электродов, наиболее перспективными для реализации нового метода улучшения вакуумной изоляции являются никель высокой чистоты и никелевые сплавы и соединения.

3. Обнаружено, что глубина очищенного НСЭП слоя, обеспечивающего высокий уровень пробивных напряжённостей поля, достигает 1020 мкм, что исключает падение уровня электрической прочности в результате случайных пробоев и позволяет использовать процесс кондиционирования пробоями для дальнейшего улучшения изоляционных свойств вакуумных промежутков.

4. Эффект повышения пробивной напряжённости электрического поля в результате облучения электродов НСЭП наблюдается для широкого диапазона значений эффективной площади электродов (0.01-1 см2). При больших значениях эффективной площади эффект становится менее выраженным из-за проявления так называемого "эффекта площади".

5. В результате облучения электродов НСЭП плотность эмиссионных центров на поверхности катода понижается в 5-10 раз. Это приводит к тому, что амплитуда импульса тока пробоя в случае обработанных НСЭП электродов ниже, чем необработанных.

6. Эффект повышения пробивной напряжённости поля наблюдается как в условиях высокого безмасляного, так и технического масляного вакуума. Во втором случае данный эффект имеет место лишь для первого пробоя из-за загрязнения поверхности катода продуктами разложения паров масла.

7. С использованием коротких длительностей импульсов (<3 — 5 не) и проектора Мюллера впервые удалось зафиксировать эмиссионные изображения, соответствующие автоэмиссии из жидкой фазы, возникающей непосредственно перед взрывом автоэмиттера. Аналогичные эмиссионные изображения были получены из жидкометаллическо-го острийного автокатода, представляющего собой предварительно сформированный конус Тейлора. Были отмечены характерные особенности эмиссионных изображений, проявляющиеся в виде концентрических разнояркостных структур, имеющих некоторые общие черты с "эффектом кольца" при интенсивной автоэмиссии классических автоэмиттеров. Для автоэмиссии из жидкой фазы характерна высо-

кая интенсивность свечения люминофора, близкая к состоянию начала взрывной эмиссии.

8. При длительности импульсов напряжения более 3-5 не изображения автоэмиссии из жидкой фазы не удаётся зафиксировать из-за развития ЭГД неустойчивости, приводящего к обострению автоэмиттера, увеличению напряжённости электрического поля и дальнейшему росту плотности тока, неминуемо приводящему к взрыву эмиттера. Согласно оценкам, характерный временной масштаб роста жид-кометаллического выступа в зоне расплава на вершине автоэмиттера при пробивных напряжённостях электрического поля составляет ~ 0.1 не. Это даёт основание считать, что при длительности импульсов напряжения ^ 0.1 не критерием пробоя вакуумного промежутка с металлическим катодом можно считать появление расплава в эмиссионном центре.

9. Зафиксирован эффект полировки поверхности вершины острия при протекании импульсов тока автоэлектронной эмиссии без инициирования взрывной электронной эмиссии.

10. С использованием теневой стробоскопической фотосъёмки и оригинальной схемы электропитания вакуумного диода с жидкометалли-ческим катодом впервые зафиксированы все фазы роста выступа, а также его распада после инициирования пробоя вакуумного промежутка. Проведён анализ полученных результатов с использованием аналитического описания роста апериодической неустойчивости в электрическом поле. Получено полное соответствие теоретического описания исследуемых процессов результатам экспериментов.

11. В экспериментах с жидкометаллическими катодами капиллярного

типа макроскопических размеров обнаружено, что финальный объём V формирующегося в электрическом поле выступа зависит от перенапряжения и/Щ по обратно-квадратичной зависимости. Было сделано предположение, что данная зависимость справедлива и для случая жидкометаллических катодов острийного типа. Учёт данной зависимости в известном выражении для времени запаздывания т инициирования эмиссии жидкометаллических источников заряженных частиц позволил получить новое выражение для т. Численная обработка экспериментальных данных с использованием нового выражения дала более точную аппроксимацию, чем известные ранее зависимости г от перенапряжения.

В приложении описываются аномальные ЭГД явления, обнаруженные автором на жидком вольфраме.

При электрическом взрыве вольфрамовых контактов на воздухе на поверхности застывших вольфрамовых капель наблюдалось множество конических выступов (рис. 13). Анализ формы выступов указывает на их сходство с конусами Тейлора.

Рис. 13: РЭМ фотография поверхности застывшей в электрическом поле вольфрамовой капли.

Для выяснения природы образования этих выступов была выполнена серия экспериментов. В ходе проведения экспериментов было установлено, что рост конусов происходит после взрыва контакта на поверхности жидких капель, находящихся в электрическом поле воздушного промежутка. По характерным размеры капель, межэлектродным расстояниям и напряжению на промежутке были рассчитаны электрические поля Е на поверхности капель. Они оказалось порядка 1000 В/см. Известно, что для формирования конуса Тейлора необходимо выполнение следующего условия:

е0Е\ 27 2 ^ г

Из этого условия была сделана верхняя оценка для поверхностного натяжения жидкого вольфрама на воздухе, равная Ю-5 Дж/м2, что по порядку величины близко к поверхностному натяжению жидкого гелия в атмосфере собственных паров. Такие же эксперименты были проделаны с вольфрамом в различных газах, их смесях и в вакууме. Также был исследован взрыв контактов из всех доступных металлов, причём как на воздухе, так и в различных газэди в вакууме. Аномалия наблюдалась только на вольфраме и только в присутствии кислорода в окружающей атмосфере, что говорит о ключевой роли этого газа в данном явлении.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. А.В. Батраков, С.И. Шкуратов. "Анализ автоэмиссионных характеристик вакуумного диода", в кн: Тезисы докладов VI Всесоюзного Симпозиума по сильноточной электронике, ч. 1, Томск, 1986, стр. 106108.

2. А.В. Батраков, Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский, В.П. Ротштейн, "Влияние облучения импульсным электронным пучком на эмиссионные свойства электродов в сильных электрических полях", в кн: Тезисы докладов XXI Всесоюзной Конференции по эмиссионной электронике, т. 1, Ленинград, 1990, стр. 302.

3. А.В. Батраков, С.А. Попов, Д.И. Проскуровский, "Наблюдение динамики развития электрогидродинамической неустойчивости на поверхности жидкометаллического катода", Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, вып. 19, стр. 66-70.

4. А.В. Батраков, С.А. Попов, Д.И. Проскуровский, "Исследование инерционности жидкометаллического катода". Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, вып. 19, стр. 71-74.

5. A.V. Batrakov, L.M. Baskin, S.A. Popov, and D.I. Proskurovsky. "Elec-trohydrodynamic Phenomena on Explosive-emission Liqud-metal Cathode", Proc. XVI ISDEIV, 1994, Moscow - St.-Petersburg, Russia, (SPIE, v. 2259), pp. 2-5.

6. A.V. Batrakov, A.B. Markov, G.E. Ozur, D.I. Proskurovsky, and V.P. Rotstein, "The effect of pulsed electron beam treatment on the electric strength of the vacuum insulation", Proc. XVI ISDEIV, 1994, Moscow -St.-Petersburg, Russia, (SPIE, v. 2259), pp. 360-363.

7. A.V. Batrakov, L.M. Baskin, S.A. Popov, and D.I. Proskurovsky, "Electro-hydrodynamic Phenomena on Explosive-emission Liqud-metal Cathode", IEEE Trans, on Dielectrics and Electr. Insul., 1995, vol. 2, No. 2, pp. 231236.

8. A.V. Batrakov, A.B. Markov, G.E. Ozur, D.I. Proskurovsky, and V.P. Rotstein, "The Effect of Pulsed Electron-beam Treatment of Electrodes on Vacuum Breakdown", IEEE Trans, on Dielectrics and Electr. Insul., 1995, vol. 2, No. 2, pp. 237-242.

9. А.В. Батраков, С.А. Попов, Д.И. Проскуровский, "Электрогидродинамические явления на поверхности жидкого вольфрама после электрического взрыва вольфрамовых контактов", Препринт № 1 ТНЦ СО РАН, 1995, 16 стр.

10. А.В. Батраков, Д.И. Проскуровский, "Устройство электропитания источника электронов с жидкометаллическим взрывоэмиссионным катодом", Полезная Модель № 1393, Бюл. "Полезные модели и промышленные образцы", 1995, № 12.

11. A.V. Batrakov, D.S. Nazarov, G.E. Ozur, S.A. Popov, D.I. Proskurovsky, and V.P. Rotshtein, "Increasing the electric strength of vacuum insulation by treating the electrodes with a low-energy, high-current electron beam", Proc. XVI ISDEIV, 1996, Berkeley, (IEEE), pp. 487-491.

12. A.B. Батраков, C.A. Попов, Д.И. Проскуровский, "Аномальные электрогидродинамические явления на поверхности жидкого вольфрама", Письма в ЖЭТФ, 1996, т. 63, вып. 8, стр. 583-587.

13. А.В. Батраков, "Способ формирования эмиттирующей поверхности игольчатых автоэмиттеров", Патент РФ № 2056659, 1996, БИ № 8.

14. A.V. Batrakov, S.A. Popov, and D.I. Proskurovsky, "Electrohydrodynamic Phenomena in Exploding Tungsten Electrical Contacts", Proc. of the 42th IEEE Holm Conf. on Electr. Contacts Joint with the 18th Int. Conf. on Electr. Contacts, Sept. 16-20, 1996, Marriott, Chicago, Illinois, pp. 129136.