Диссертация (1150471), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Первое слагаемое представляет собойинтервал времени между моментом приложения напряжения к разрядному промежутку имоментом появления в нем первого инициирующего электрона, способного привести кпробою. Время формирования разряда tf - это время между появлением этогоинициирующего электрона и пробоем промежутка [2, 4, 21]:(1.9)Некоторые исследователи выделяют еще и третью компоненту – время распространенияразряда tp [39], которое представляет собой, например, время движения по разрядномупромежутку волны ионизации или стримера.В работе [39] проводились исследования зависимости времен развития импульсногоразряда от давления в длинных трубках (длиной 30 – 75 см).
Автор выделяет несколькостадий развития разряда, одна из которых - стадия распространения ионизующих фронтов.Времяопределяется образованием инициирующего или эффективного электрона вобъѐме газа. Такой электрон возникает среди т.н. начальных электронов, один из каналовобразования которых, при любых электрических полях, обусловлен внешней ионизующейрадиацией: космическим излучением, естественной радиоактивностью материалов и т.д.Скорость возникновения начальных электронов при этом составляет 1-10 частиц в 1 см3 в 1 спри атмосферном давлении [2]. Однако в большинстве случаев рассмотренный каналрождения электронов не является доминирующим. Инициирование электронов происходит,как правило, с поверхности катода, а ток с катода определяется состоянием поверхности ивнешними условиями: напряженностью поля в зазоре, сортом газа, давлением и т.д.Для газоразрядных промежутков, экранированных от излучения, выполняетсясоотношение (10), согласно которому среднее статистическое время запаздывания пробояпри постоянном напряжении определяется через скорость образования первичныхэлектронов в разрядном промежутке z и вероятность W того, что первичный электронвызовет пробой промежутка [35]:(1.10)Время формирования tf существенно зависит от механизма пробоя газа.
В случаелавинного механизма появление вторичных электронов, как правило, связывают с23бомбардировкой катода положительными ионами, таким образом, время формированиятакого разряда должно быть порядка времени дрейфа ионов к катоду.При стримерном механизме пробоя время формирования разряда не зависит отвторичных процессов на катоде. Оно определяется временем нарастания концентрацииэлектронов лавины до критического значения, при котором, происходит лавинностримерный переход.
В этом случае время формирования рассматривается как время, втечение которого начальная электронная лавина создает поле объѐмного заряда, сравнимое сприложенным. Из простых соображений время tf можно оценить, пользуясь выражением:()гдеve – средняя скорость дрейфа электронов, Nкр - число электронов в лавине при переходе еев стример, N0 - начальное число электронов у катода [2, 21].Из экспериментов по волновому пробою известно, что при подаче импульсанапряжения фронт волны образуется не сразу, а через некоторое время, т.н. время индукцииВИ [12, 13]. Это время можно включить во время формирования разряда при волновоммеханизме пробоя.Возможны различные соотношения между ts и tf [2, 35].Если tf » ts, то времязапаздывания пробоя практически совпадает с временем формирования. Это случай оченьбольших Z, когда эффективные электроны появляются практически моментально, или ужеимеются до подачи напряжения.
На практике такая ситуация достигается созданиемпредионизации, например, при освещении промежутка УФ лампой [3]. Другой крайнийслучай, когда tf « ts, реализуется при малых Z, при этом время пробоя определяетсястатистическим временем запаздывания, а пробой носит существенно стохастическийхарактер.К сегодняшнему дню вопрос о задержке пробоя, в частности, в системах соднородным полем при низком давлении газа, разработан достаточно подробно.
В работах[35, 41] время запаздывания определяется методом построения лауэграмм. Согласноэкспоненциальному распределению Лауэ [40]:( )( ){,̅-(1.11)где n(t) – число измерений td, для которых td > t, N – общее число измерений временизапаздывания пробоя. Зависимость(( ))от t при t >tf является линейной и в литературе по24пробою имеет название лауэграмма. Ее пересечение с прямой R(t)=1 дает, а по наклонуграфика определяется ̅ (рис.1.3).Наблюдаемаяразницамежду кривымиобъясняетсятем,чтоприбольшихдлительностях разрядных импульсов в промежутке значительно увеличивается числоактивных частиц, что приводит к уменьшению статистического времени запаздывания,которое становится сравнимым с временем tf (проявление «эффекта памяти», п.1.7).(а)(б)Рис.1.3 Распределения Лауэ, полученные в серии из 5000 измерений[41].
Условия: гелий,давление 4 Торр, напряжение источника 600 В, период повторения 10с,длительность импульса (а) 800 мкс (б) 50 мкс.Для пробоя в коротких промежутках при низком давлении (т.е. для таунсендовскогомеханизма) получены зависимости времени запаздывания пробоя от различных параметровэксперимента, таких как перенапряжение, разрядный ток, освещенность и состояниеэлектродов (материал электрода, чистота поверхности) [42, 35].Время задержки пробоя, так же как и статическое напряжение пробоя, существеннозависит от вещества электродов.
При увеличении работы выхода электронов среднее времязапаздывания возрастает.1.7 Эффект памяти.Как было отмечено выше, предионизация внешним источником может существенносокращать время запаздывания пробоя. Но часто возникают ситуации, когда электроны,ионы и возбужденные частицы остаются в объеме после предыдущего разряда, при этом ихвлияние на td не всегда однозначно. Рассмотрим пробой последовательностью импульсовнапряжения, посылаемых с определенной частотой. Очевидно, что при некотором значениичастоты может наблюдаться взаимовлияние импульсов, т.е.
появиться зависимостьдинамического напряжения пробоя от периода повторения импульсов за счет влияния25оставшихся частиц. К примеру, в требованиях ГОСТ на измерение динамическогонапряжения разрядников, указано, что при импульсном инициировании разряда частотаимпульсов должна быть не выше 1 Гц.Таким образом, предыдущий разрядный импульс может влиять на величинуUb. Приконечной скорости роста напряжения это, очевидно, означает, зависимость временизапаздывания пробоя от интервала до предыдущего разряда.
Это явление, получившееназвание «эффект памяти» (memory effect), активно исследуется для случая таунсендовскогопробоя [35, 42, 43, 44]. Для этого был разработан метод построения «кривых памяти». Сутьэтого подхода состоит в интерпретации кривой зависимости среднего времени запаздыванияпробоя от интервала времени, прошедшего после окончания предыдущего разрядногоимпульса.
Примеры таких кривых для пробоя в водороде и в азоте приведены на рис.1.4.(а)(б)Рис.1.4 Зависимости среднего времени запаздывания от промежутка между разряднымиимпульсамиτ: а) азот, водород; б) аргон, неон. Давление 5 Торр, перенапряжение на трубке 50%,разрядный ток 0.5 мА, длительность импульса 1с [35].На представленных графиках можно выделит три характерные области: 1) область плато длямалых промежутков между импульсами, 2) область монотонного возрастания, 3) областьнасыщения. Для азота и ряда других молекулярных газов, которые исследовались в работах[35, 41 - 44], первая область видна особенно отчетливо.
Она характеризуется почтипостоянными низкими значениями среднего времени запаздывания, при этом ̅.Авторы объясняют это тем, что в этом промежутке времени происходит эффективнаяэмиссия вторичных электронов с катода вследствие взаимодействия его поверхности сположительными ионами, и тогда длительность наблюдаемого плато (ионной части кривойпамяти) соответствует эффективному времени жизни положительного иона в послесвечении.26Например, для разряда в азоте рекомбинационное время жизни иона оценивается, исходя изэтого, как 200 мс.Из рис.1.4 б видно, что для аргона и неона область плато практически отсутствует, и вэтом случае из кривой памяти следует, что рекомбинационное время жизни их ионов менее 3мс. Авторы не комментируют наблюдаемую столь большую разницу времен жизни ионовазота и инертных газов.Для всех сортов газов наблюдается область равномерного возрастания, следующая заплато.
При таких интервалах после разряда большая часть положительных ионов уходит. Вслучае азота, по мнению авторов, в трубке остаются атомы, которые, рекомбинируя наповерхности катода, порождают молекулу в метастабильном состоянии N2(A3Σu+).Взаимодействие возбужденных молекул с поверхностью катода поддерживает значительнуюэмиссию вторичных электронов. С понижением концентрации таких атомов среднее времязапаздывания возрастает, достигая насыщения. Область насыщения означает независимостьпробоя от периода до предыдущего разряда. В этом случае время запаздывания стохастическая величина, пробой носит чисто вероятностный характер.Исходя из полученных «кривых памяти», авторы оценивают время жизни атомов азота.Согласно такой оценке, это время составляет от 700 до > 3∙104 с для диапазона давлений от 5то 0.5 Торр [35].Рис.1.5 Кривые памяти, снятые для катодов из меди и золота. Азот 5 Торр, перенапряжение 50%[35].По мнению авторов, предложенные механизмы эффекта памяти (вторичная эмиссияэлектронов с катода) подтверждаются экспериментами с применением катодов из различныхметаллов.
Так, у кривых памяти в азоте для катодов из меди и золота длительности областей27плато совпадают, (рис.1.5), что можно объяснить близкими значениями работы выхода длямеди и золота. В то же время в области роста кривая для медного катода проходит выше.Это можно связать с тем, что адсорбция атомарного азота на медной поверхности выше,поэтому образующийся слой атомов препятствует взаимодействию метастабильных молекулс металлом.
Этот процесс существенно снижает интенсивность вторичной эмиссии, чтоприводит к повышению среднего времени запаздывания.Иной механизм «эффекта памяти» предлагается в работе [45] (пробой в однородномполе в SF6 при р = 1 Торр). В эксперименте уменьшение периода повторения импульсов натри порядка (с 103 до 1 с) приводит к такому же уменьшению статистического запаздывания(с 3∙10‒2 до 2∙10‒5 с). Предполагается, что предыдущий разряд очищает поверхность катода отокисной пленки, благодаря чему увеличивается интенсивность автоэлектронной эмиссии ‒основного источника первичных электронов.Эффект памяти наблюдался в работе [46], в которой производилось изучение токахолодной эмиссии с никелевого катода при давлении газа (азота) в трубке от 500 до 700 Торри напряженностях электрического поля от 9∙104 до 3∙105 В/см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
