Исследование временных характеристик электрического пробоя коротких газовых промежутков в наносекундном диапазоне времени Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С, М. КИРОВА

Том 162 ~ 3967

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ КОРОТКИХ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ ВРЕМЕНИ

Ю. И. БЫЧКОВ, Г. С КОРШУНОВ

(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института

ядерной физики)

Исследованию временных характеристик электрического пробоя коротких газовых промежутков в наносекундном диапазоне времени посвящено мало работ, хотя исследование этих характеристик является важным для выяснения физики процесса и для практического применения в высоковольтной наносекундной импульсной технике. В связи с разработкой в последние годы в Томском политехническом институте большого количества высоковольтных наносекундных импульсных генераторов [1—3], нашедших широкбе применение в исследованиях по ядерной физике, квантовой электронике, физике диэлектриков и т. д., и в связи с необходимостью постоянного улучшения параметров генераторов в направлении увеличения крутизны фронта импульса и стабильности срабатывания при запуске появилась необходимость исследования временных характеристик коротких газовых промежутков в наносекундной области времени.

В настоящей работе приведены результаты статистического исследования запаздывания и времени коммутации при статическом и импульсном пробое коротких газовых промежутков в наносекундном диапазоне времени. При этом область исследованных длин промежутков определялась реальными величинами зазоров, используемых в высоковольтных наносекундных импульсных генераторах, и составила 0,05—2,2 мм.

Исследование статистического времени запаздывания разряда

Как известно, время срабатывания искрового промежутка состоит из двух составляющих:

¿з — °ст ~Г хф? (1 )

где аст — статистическое время запаздывания, обусловленное появлением эффективного электрона, тф — время формирования разряда. Так как аст связано с ожиданием эф4ективного электрона, то оно является величиной статистической и имеет разброс в больших пределах. Облучение катода ультрафиолетом (кварцевая лампа, искровой разряд) создает фототок с поверхности катода, за счет чего разброс аст может быть уменьшен. В работе [4] показано, что при облучении

\

\

искрового промежутка искрой рядом расположенного разрядника ост = 0,01 нсек, а хф-~не имеет разбросов и зависит только от приложенного поля Е. В работе [5] показано, что эффект облучения проявляется в полной мере в том случае, если облучение опережает приход импульса на 70 нсек.

Применение облучения не всегда желательно из конструктивных соображений.

Нами исследовалось статистическое время запаздывания разряда при полях £=300^- 1400 кв/см, т. е. когда эффективные электроны обеспечиваются за счет автоэмиссии с поверхности катода.

Методика эксперимента изложена в [6]. Полоса пропускания тракта регистрации составляет не менее 3.109 гц. Использовался осциллограф С1-14. Автоматическое устройство для фотографии позволяло осциллографировать большое число пробоев, до 600 на каждый случай. Такое количество осциллограмм дает достоверную статистику распределения времени'запаздывания.

На рис. 1 >а показано распределение А — в функции от времени,

По

где число импульсов с данным временем запаздывания, п0—общее число импульсов.

2.6

£

го

иб

АЬ

Л? 0,1 1 "1 , ( Г" s 1 \ а. к. 1 !

/

у

и 1 2 ¿, ¿/се* 3 /

/ 6

1

и

ср СП

нее*

20 40 60 80100 200 400 $ООШЮОО _I___I_1 _I_I-

ом

о. 6

Рис. 1

о,а о <5. мм

Щ

а — зависимость Д — (¿3),

По

кв

£ = 1400 — , о =0,01 см; б— зави см

Е = 1400 — см

Рис. 2.

а — зависимость t3 ср. ст. (р) кв

Е = 300 — , В = 0,05 см; б — зависи-см

симость 1п

П-г

- Сэ).

п()

Ь =0,01 см.

МОСТЬ t3 ср. ст. (5),

р «=1 ат .

кв

Е = 300 — , см

п,

Таким образом, Д — — относительное число пробоев, имеющих Ч

данное время запаздывания. Например, 0,2£ часть пробоев имеет время 'запаздывания в интервале 1,8—2 нсек.

На рис. 1 >6 показано то же самое распределение в осях

, Лг

In —

л0

и ¿3) где гц — число импульсов, имеющих время запаздывания данное и больше, п0 — общее число импульсов. Показанное на рис. 1,6" ¿зср. ст. есть среднестатистическое время запаздывания, которое может характеризовать степень разброса времен запаздывания. Чем больший разброс имеется во временах запаздывания, тем положе будет за-

от ¿з и тем больше ts ср. ст. При уменьшении раз-

висимость

, tlx

In —

п0

броса ¿з ср. ст. уменьшается. На рис. 1 ,а,б показаны распределения времен запаздывания для промежутка, длиной 8 0,01 см и Е== 1400 кв\сму электроды из меди, тщательно полированные.

На рис. 2, а, б даются зависимости ¿Зср. ст. соответственно от давления и длины зазора при постоянной напряженности поля Е—300 кв/см. Электроды из алюминия тщательно полированные. Из зависимости рис. 2, а видно, что ¿з ср. ст. резко уменьшается с уменьшением давления и при /7—20 мм рт. ст. составляет 0,7 нсек. Согласно (1) ост<0,7 нсек. ост в нишем случае определяется током автоэмиссии, который зависит только от напряженности поля С повышением давления при Е — const ост должно оставаться меньше 0,7 нсек и, следовательно, наблюдаемые нами разбросы времен запаздывания с повышением давления — это разбросы времени тф. Рис. 2уб показывает зависимость t3 ср. ст от длины разрядного промежутка при £ —300 кв\сму давление атмосферное. В этом случае мы имеем уменьшение /Зср. ст. от 1400 нсек до 28 нсек при увеличении о от 0,02 см до 0,08 см. В малых промежутках уменьшений разброса времен запаздывания можно достигнуть за счет сверхвысоких перенапряжений. На рис. 1 видно, что только при 14-кратном перенапряжении удалось t3 ср. ст„ снизить до 1 нсек,.

Следует отметить, что облучение промежутка от искры рядом расположенного разрядника резко сокращает t3cp. ст., так для зазоров 0,01 0,02 см при облучении /Зср. ст. уменьшается более чем в 100 раз. Следовательно, облучение промежутка уменьшает не только составляющую сст, но и Тф.

Исследование времени коммутации

В период коммутации искрового промежутка первоначальное напряжение на электродах UQ снижается до значения U С LJ0.

Известно [1], что при увеличении напряженности поля Е в промежутке, которое может быть достигнуто путем повышения давления Р или создания перенапряжения р, время коммутации уменьшается. Экспериментальных же материалов по исследованию коммутации в наносекундной области времен при статическом и перенапряженном пробое коротких промежутков очень мало. В связи с этим нами было проведено исследование, времени коммутации при статическом пробое промежутков длиной 3 — 0,05-^2,2 мм в различных газах при давлениях Р = 1 — 7 атм и перенапряженных промежутков длиной ОД и 2 мм в воздухе при атмосферном давлении. При этом эксперименты проводились как с подсветкой промежутков лампой ПРК-5Т так и без нее.

Методика эксперимента изложена в работе [7]. Диаметры электродов d выбирались из ус^вия исключения влияния межэлектродной емкости на время коммутации, описанного в [8], и изготовлялись

Но

1 "7 1 . 1 .... 1

(6

* <ъ /¿Ф

о 12

£ 10

-ю

в

6

Ь

г

0

м НС€>Аг

>

\ % 1Л о Аг

^ 0 V

10 20

"г

-Ч п^возЭух 1 ........

**о ао 120 то ъоо £} 6.

Рис. 3. а — зависимость /м (р): 1 — о = 2,2 мм, 2 — В = 0,98 мм, 3 — 5 — 0,7 мм, 4 — 5 = 0,4 мм, 5 — 5=0,2 мм, 6 — 5=0,05 мм, 7—5=0,085 мм, 8—5=0,13 мм; б—зависимость ¿м (£) для разных газов: для воздуха, N0, Н2, и0 = 15 кв; для кв ,

Аг при £ = 9,3 —, и0 = 7,2 кв, для остальных точек 110 = 11,5 кв. см

\

для 8 = 0,05 -г 0,2 мм, с? = 1,2 лл*; для 8 = 0,4 — 1 см, d = б жж; для 8 =2,2 лш, к = 20 мм.

Характеристикой времени коммутации является время tM [1J

t = = 9, .

(Л/di)- ' 1 ;

где i0 — амплитуда тока, (di/dt)u — максимальная крутизна нарастания тока во времени, а — константа, зависящая от сорта газа. При измерении величин tM были обнаружены флуктуации. Поэтому каждое значение tM бралось как среднеарифметическое из 20 и более измерений.

Статический пробой промежутков исследовался при разряде линии на линию (волновое сопротивление Zb = 75 ом). На рис. 3,а приведены зависимости tu от давления Р и длины зазора 8. При уменьшении 8 время tM уменьшается, как и при увеличении Р, так как напряженность поля в обоих случаях растет. При £> 150 кв/см время tM практически уже не зависит от Р и 8. По формуле (2) для данных рис. 3, а была проведена оценка коэффициента а. При этом было получено удовлетворительное согласие с теорией Ромпе—Вайцеля [9]. Максимум на зависимостях для 8 = 0,05, 0,085, 0,13 мм также согласуется с этой теорией.

Изложенные выше результаты исследования времени коммутации были получены при отсутствии подсветки промежутков. При подсвечивании промежутков длиной 8= ОД —0,5 мм лампой flPK-5 заметных различий во времени tM не обнаружено.

Необходимо отметить, что при 8 = 0,05; 0,2; 0,5 мм материал электродов (Си, Al, W, сталь) и число ударов 1000) не влияли на ¿м и характер осциллограмм (/#(£). Это говорит о том, что при-электродные эффекты не имеют существенного влияния на процесс коммутации при статическом пробое коротких промежутков.

На рис. 3, б" приведены зависимости tM от Е для различных газов при разряде линии. Здесь для воздуха, N2, Н2 U0 = 15 tea} для Аг при £=9,3 кв/см, U0 = 7,2 кв, а для остальных точек £/0 = 11,5 кв. Для воздуха, азота, водорода имеется тенденция к сближению времен tM при возрастании Е. Интересно отметить, что в Аг при атмос-f ферном давлении (что соответствует для нашего случая Е = 9,3 кв/см, 8 = 7,8 мм) время tM намного меньше, чем в других газах. Этот факт ранее нигде не отмечался.

Таблица 1

о—0,1 мм Р 1 2 3 4 5 6 7

£/ст=1 кв 'м тек 0,85 0,8 0,75 0,7 0,6 0,45 0,3

мм 1,25 1,4 1,7 1,95 2,15 2,4 2,6

£/ст=8,15 кв 'м нсек 3,2 2,4 1,8 1,35 1,1 0,81 0,7

Импульсный пробой промежутков осуществлялся путем подачи на исследуемый зазор импульсов с крутым фронтом различной амплитуды. Время фронта импульса бралось таким, чтобы пробой промежутка происходил на плоской части импульса. Исследовались два

зазора. При 3 = 0,1 мм промежуток подсвечивался лампой ПРК-5, при 8=2 мм подсветка отсутствовала. Данные по времени tM и перенапряжению $ = где Unp — напряжение, при котором происхо-

^ст

дит пробой, Ucr — статическое пробивное напряжение промежутка, приведены в таблице 1.

Из табл. 1 видно, что одна и та же величина tu для промежутка 8 = 2 мм получается при гораздо меньшем перенапряжении, чем для 8 = 0,1 мм. Интересно отметить, что для зазора 8 = 2- мм при Р = 1,25 время, ¿м уже в несколько раз меньше времени ¿м, которое получается при статическом пробое промежутка 8 = 2,0 мму р = 1 am.

Авторы благодарят Г. А. Месяца за постановку задачи.

ЛИТЕРАТУРА

1.,Г. А. Воробьев, Г. А. Месяц. Техника формирования высоковольтных нано-■секундных импульсов. Госатомиздат, 1963.

2. Г. А. Воробьев, Г. А. Месяц, Г. С. Коршунов. ПТЭ, № 2, 98, 1963.

3. Г. А. Месяц, Г. А. В о р о б ь е в, Ю. И. Бычков. Радиотехника и электроника, № 4, ю, 1965.

4. R. С. Fletcher. Phys. Rev., 76, 1501, 1949.

5. Г. А. Месяц, Ю. П. Усов, Г. С. К о р ш у н о в. Радиотехника и электроника, № 5, 882, 1964.

6. Ю. И. Б ы ч к о в, Г. А. М е с я ц. ЖТФ, в печати.

7. Г. А. М е с я ц, Г. С. К о р ш у н о в. ЖТФ, в печати.

8. В. В. Кремнёв, Г. А. Месяц. ПТЭ, № ], 176, 1966.

' 9. R. R о m р е, W. W е i z е 1. Zeit. Physik, 122, 912, 1944.

\