Электроизоляция и разряд в вакууме - Сливков И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
4 7. ПРОБОЙ В CPIJIbHO НЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ.
КАТОДЫ БОЛЬШОЙ КРИВИЗНЫ
Катоды в виде острий, тонких нитей, дисков с острыми краями и т. п. применяются, как правило, с анодами значительно меньшей кривизны, например плоскими, сферическими или цилиндрическими, окружающими катод. Если расстояние до анода значительно больше радиуса кривизны катода, то электрическое поле сконцентрировано вблизи катода, а напряженность на его поверхности определяется в основном отношением приложенного напряжения к радиусу кривизны и мало зависит от межэлектродного расстояния. Это позволяет при сравнительно небольших напряжениях и значительных межэлектродных расстояниях получать высокие напряженности на катоде, вплоть до появления интенсивной автоэлектронной эмиссии. Так как электрическое поле сконцентрировано у катода и силовые линии расходятся веером, то эмиттированные катодом электроны вблизи его приобретают значительную энергию и движутся к аноду сильно расширяющимся потоком. Плотность этого потока при попадании на анод оказывается незначительной, особенно при больших межэлектродных расстояниях.
При этих условиях бомбардировка анода электронами не вызывает заметного нагрева даже при очень интенсивной автоэлектронной эмиссии с катода и значительной энергии электронов, определяемой приложенным к электродам напряжением. Поэтому процессы на аноде, которые могли бы привести к нарушению электропрочности, очень слабы и не играют существенной роли; электропрочность же вакуумного промежутка целиком определяется явлениями, развивающимися на катоде и вблизи него.
Таким образом, явления, приводящие к пробою при катодах большой кривизны, проще, чем при других конфигурациях
137
электродов, например плоских, когда могут играть существенную роль процессы как на катоде, так и на аноде. Поэтому пробой в этом случае изучен более полно, чем при других конфигурациях катода. Выяснению физики развития пробоя способствовало и то, что при малых размерах катода лучше известны микрорельеф, напряженность, работа выхода и другие характеристики в месте возникновения пробоя на катоде. Кроме того, при малых размерах катода, например при катоде в виде острия, легче получить чистую поверхность катода Все это существенно облегчало изучение и анализ процессов, приводящих к пробою, и уже имеются вполне четкие представления об этих процессах.
Ахерн [211], исследуя свойства вакуумной изоляции при напряжении 10—20 кв для катода в виде тонкой нити, расположенной по оси цилиндрического анода, обнаружил, что при достижении напряжения у катода около 100 кв/мм ток между электродами мгновенно возрастал от IO-10 до 10~3 а. Это явление Ахерн назвал пробоем вакуума После пробоя прежняя вольт-амперная характеристика не восстанавливалась, и последствия можно было ликвидировать только интенсивным прокаливанием катода. Напряжение возникновения пробоя зависело от величины сопротивления, включенного в разрядную цепь, а при сопротивлении больше 100 Mom пробой вообще не возникал. Последнее показывало влияние тока, текущего в предпробойной стадии, на возникновение пробоя.
При рассматривании поверхности катода после пробоя под микроскопом были обнаружены кратерообразные впадины с острыми выступающими краями. Все эти данные привели Ахерна к заключению, что бросок тока — пробой — происходит вследствие разрушения поверхности катода и образования на ней новых выступов. Причина разрушения — местный разогрев бомбардировкой ионами и джоулевым нагреванием электронами или действием электростатических сил. Последние достигали величины 4,5 HjMM2 (45 атм), если принять десятикратное усиление поля на неровностях поверхности катода. Ток после пробоя — это усиленный вторичными процессами ток автоэлектронной эмиссии со вновь образовавшихся выступов.
Более подробно пробой при катоде с большой кривизной изучен Дайком с сотрудниками [212—214]. Они первыми применили для подобных исследований электронный сферический эмиссионный микроскоп-проектор (покрытую внутри люминофором и алюминиевой пленкой стеклянную шарообразную колбу, служившую анодом, в центре которой помещался катод — вольфрамовое острие). На катод можно было подавать прямоугольные импульсы напряжения до 100 кв длительностью 0,5—1 мксек. В колбе поддерживали вакуум лучше 10~8лш рт. ст. при полном отсутствии паров органических соединений. Кроме осциллограмм тока и напряжения получали дополнительные све-
138
У ен и я о процессах на катоде путем скоростного фотографирования сильно увеличенного эмиссионного изображения катода на экране — сферическом аноде.
Было обнаружено, что возникновению пробоя предшествуют четко выраженные явления. При постепенном увеличении ам-плйтуды импульсов напряжения осциллограмма тока автоэлект-
Рис. 43 Осциллограммы самопроизвольного роста тока и импульса высокого напряжения (кривая с плоской вершиной) Метки времени
0,5 мксек
ронной эмиссии начинала искажаться: первоначально прямоугольные импульсы тока становились возрастающими, т. е про-I исходил самопроизвольный рост тока в течение импульса напря-I жения (рис. 43) [215] Одновременно на экране проектора по-j> являлось яркое кольцо, опоясывающее прежнее эмиссионное * изображение катода Эти явления хорошо воспроизводились и I появлялись при определенной для данного катода силе тока. ' Однако их возникновение указывало на то, что дальнейшее повышение напряжения на 1—2% (или силы тока на 30— 40%) обязательно приведет к пробою: приблизительно 100-кратному броску силы тока за время меньше 0,1 мксек. Пробой сопровождался необратимым изменением катодного острия: последующее микрофотографирование подтвердило, что при пробое происходило сильное оплавление вершины острия, радиус которой увеличивался от долей микрона до нескольких микронов.
