Исследование времени запаздывания разряда в ионных кристаллах на границе смены механизма разряда Текст научной статьи по специальности «Физика»

томского

Том 139

Р13ВЕСТИЯ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1965

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ РАЗРЯДА В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ НА ГРАНИЦЕ СМЕНЫ МЕХАНИЗМА

РАЗРЯДА

Л. Г. НЕКРАСОВА (Представлена научным семинаром НИИ ВН)

В Томском политехническом институте длительное время изучается механизм развития разряда в твердых диэлектриках. На основании проведенных исследований разработаны две схемы развития разряда в «толстом» и «тонком» слое [1]. Число электронов в лавине

о а пэ=2 — >

К

где ¿ — толщина диэлектрика,

^и — длина пробега между ионизационным столкновением. При достаточно большом й количество объемного заряда у анода от одной лавины достаточно для зарождения стримера, приводящего к пробою. Пробой осуществляется одной лавиной электронов, такой механизм получил название лавинностримерного.

В «тонком» слое количество объемного заряда у анода после прихода одной лавины может не достигнуть критической величины, необходимой для развития стримера.

В этом случае пробой происходит лишь после прихода в малую область на аноде нескольких электронных лавин, создающих положительный объемный заряд у анода, приводящий к образованию стримера. Такой механизм разряда получил название многолавинностримерного. Для его развития требуется определенное время — время накопления объемного заряда, которое определяет время запаздывания пробоя, и в тонком слое диэлектрика оно может быть значительным.

На основании исследования времени развития разряда в щелоч-но-галоидных соединениях [1] построена зависимость времени разряда в кристаллах от толщины (рис. 1). Скачкообразное изменение времени разряда при толщине йкр~10_3 см является результатом смены механизма разряда. Большая величина времени разряда при толщине Ю-3 — Ю-4 см свидетельствует о многолавинном механизме разряда, что подтверждается также снижением пробивного напряжения с увеличением интенсивности облучения катода [2]. Исследованиями времени запаздывания разряда /Зап. в тонких слоях ионных кристаллов [3] 10~3 см получено ¿Зап. порядка нескольких микросекунд и полу-

9. Заказ 3076. 129

чено уменьшение времени запаздывания разряда с увеличением пере-напряжепия 3 (рис. 2), где

з- и р-->

ист

ист — статическое напряжение пробоя, соответствующее вероятности пробоя <Ь=909'о.

При однолавинном механизме развития разряда при й = йкр не было непосредственно измерено время развития разряда, оно предполагалось равным 10 сек (рис. I). Нами была сделана попытка измерения времени развития разряда при однолавинном и мкоголавинном меха-

сек

!0'{

/О

10

10'*

Л вг \ / •• 1<2Г> 10 )

Маа/ 5

II у 7 б

1 1 1 и! 7 2

Ш 1 ^ К... 7 о -

10'

10

'2

10' см

Рис. 1. Зависимости времени разряда в кристаллах 1\аС1, КС1 и КВг от толщины.

Рис. 2. Зависимость времени запаздывания разряда ¿зап от

перенапряжения р: 1 — КВг, й = 7 мк; 2 — КВг, й = 10 мк;

3 — КтаС1, ¿ — 6,15 мк;

4 — N301, ¿=11,5 мк.

низмах развития разряда при толщине, близкой к критической, с целью подтверждения разрыва во времени на несколько порядков, обусловленного сменой механизма разряда.

Методика исследований

Образцы каменной соли толщиной й— й кр =30 мк с жидкостными электродами, изготовленные по методике [4], исследовались на прямоугольных импульсах напряжения с длительностью фронта порядка 5-10~7 сек, полученных с помощью одноступенчатого генератора импульсов.

Время пробоя измерялось от начала импульса до момента пробоя по осциллограммам, полученным на высоковольтном электронном осциллографе при перенапряжении на образце, равном 5%.

Величина перенапряжения определялась как

¿Л-100

1 ш

°/о,

где их — амплитуда импульса, еще не вызывающего пробой образца; и2~ амплитуда импульса, при котором произошел пробой.

Амплитуда напряжения определялась зарядным напряжением ГИН(а). На каждый образец подавалось не более 2—3 импульсов с последовательно возрастающей амплитудой.

Исследованиями [5] показано, что подача предварительных импульсов напряжения амплитудой ниже пробивной при жидкостных электро-дах не влияет на электрическую прочность твердых диэлектриков. Из пробитой партии образцов в количестве /г = 54 учитывались образцы, в которых пробой осуществлялся на плоской части. Для измерения времени разряда при многолавинном механизме использовался высоковольтный электронный осциллограф с длительностью временной развертки 25 мксек.

Значения ¿3ап для партии в п=54 образца статистически обрабатывались (рис. 3). В результате исследования для многолавинностри-мерного механизма пробоя для №С1 при мк и ¡3—5% получено

¿■зап ~ 3,4 мксек.

При исследовании ^зап из всей, парти и образцов в количестве /г = 54, пх — 14 образцов пробивались на фронте импульса с малым временем запаздывания разряда ¿зап 5-10~7 сек.

Рис. 3. Статистическая обработка времени запаздывания.

Малое время запаздывания свидетельствует об однолавинном механизме разряда, так как за время, меньшее Ю-6 сек, многолавинный механизм не успеет развиться, и пробой осуществляется при большей напряженности поля за счет образования одной мощной лавины.

Для определения времени пробоя при однолавинном механизме мы изменили параметры импульса — укоротили фронт до 5-Ю-9 сек.

Схема установки, выполненная по типу, разработанному в Томском политехническом институте [6], показана на рис. 4.

В качестве формирующего элемента импульсов был использован коаксиальный кабель типа РК-3. Коммутирующий разрядник помещен в камеру с азотом под давлением 8 ат. Данный генератор позволял получать одиночные импульсы с длительностью фронта порядка 5*10~9сек и амплитудой, соответствующей половине зарядного напряжения.

Время пробоя определялось как разность между моментом пробоя • образца по осциллограмме пробоя и моментом прихода импульса на короткозамкнутую нагрузку, фиксирующееся на осциллографе. Так как образец и делитель, подключаемый к ПЯ осциллографа, отстоят друг от друга, необходим учет этого фактора. Исследования показали, что

9

131

из партии исследованных образцов в количестве я —59 часть пл = 31 пробивалась на фронте, остальные п2 — за экраном осциллографа. В этих образцах осуществлялся, по всей вероятности, многолавинно-

Рис. 4. Схема установки для исследования { зап.

По нашим исследованиям, время развития разряда при однолавин-ном механизме разряда составляло не больше длины фронта импульса, т. е. меньшее 5-10 сек. Для проверки была пробита партия образцов

с большей разверткой регистрируемого импульса, равной 0,3 мксек. Получено такое же разделение во времени развития разряда.

Одна часть образцов пробивалась на фронте пи другая п2 — за экраном осциллографа, времени запаздывания пробоя в пределах длительности развертки 0,3 мксек не наблюдалось. Тогда перешли к исследованиям с разверткой осциллографа 0,1 мксек с целью оценить время развития разряда при однолавин-Рис. 5. Зависимость вероятности ном механизме, которое оказалось мень-пробоя <р% с большим временем Ше 5" 109 сек и измерениям I зап при запаздывания от перенапряже- многолавинном механизме разряда с ния разверткой 25 мксек, которое оценено

как 3,4.10 сек. Далее проведены исследования для нескольких партий образцов при перенапряжениях р = 5; 10; 20; 50% и оценивалась вероятность осуществления пробоя с большим временем запаздывания (многолавин-ностримерный механизм).

С увеличением р количество образцов, пробивающихся на фронте, возрастает, и при ¡3=50% все образцы из исследуемой партии пробиваются на фронте импульса с временем запаздывания меньше длительности фронта импульса 5-10~9 сек. Рис. 5 иллюстрирует характер

и

изменения ?=/(Р), где ©=—100%, перенапряжение в%.

п2

Наши исследования экспериментально подтверждают различие во временах развития разряда при й^й^, при одном и том же перенапряжении на образце.

ф О/

г /С

В случае осуществления однолавинного механизма t зап меньше 5-10 ~~9 сек, в то время как при многолавинном механизме время развития разряда оценено как 3,4 мксек. Скачкообразное изменение времени развития разряда на несколько порядков подтверждает смену механизма разряда в твердых диэлектриках.

ЛИТЕРАТУРА

1 .А. А. В о р о б ь е в, Г. А. Воробьев. Радиотехника и электроника. 7, 9, 1523 1962

2. Г. А. Воробьев, В. А. К о с т р ы г и н. ФТТ, 4, 3, 811, 1962.

3. В. А. Кострыгин, Л. Т. Мурашко. Известия вузов MB ССО СССР (Физика) 1, 169, 1961.

4. Г. А. Воробьев, В. А. Кострыгин, Л. Т. Мурашко. Приборы и техника эксперимента. 5, 198, 1961.

5. А. В. Баранов, М. Н. Л и се цк а я, И. С. Пик а лов а. ФТТ (в печати).

6. Г. А. Воробьев, Г. А. Месяц. Техника формирования высоковольтных ,ианосекундных импульсов. Госатомиздат, 1963.