Чистяков Ч2

Влияние давления остаточных газов. Влияние давления остаточных газов на электрическую прочность вакуума неодинаково для разных размеров промежутка. При промежутках до 1 мм и давлениях от 10-7 до 10-4 мм рт.ст. зависимость Uпр от давления газа не обнаружена. Однако при расстояниях 1–10 см была обнаружена четкая зависимость Uпр от давления, а именно при р < 5*10-6 мм рт.ст. Uпр - постоянно, далее при р ≈ 5·10-4 мм рт.ст. оно увеличилось приблизительно в два раза, после чего вновь понизилось.

Причина этого повышения Uпр еще не выяснена, но предполагается, что ионы, которые образуются при слабом предпробойном токе, воздействуют на микроострия и это приводит к их сглаживанию или полному разрушению. Таким образом, понижаются начальные автотоки, и увеличивается Uпр.

3. Гипотезы механизма пробоя

Пробой вакуума представляет собой сложное явление, и достаточно полная его теория еще не построена. В связи с этим большое значение имеют гипотезы, а также теории, которые относятся к частным случаям. Основные гипотезы таковы.

Электронно-лучевая гипотеза. Пробой вакуума, согласно этой гипотезе, может произойти как в результате нагрева анода, так и катода.

Рассмотрим первый механизм. Электроны, эмитируемые из микроскопических выступов и острий на катоде, ускоряются в поле промежутка, формируются в лучи и бомбардируют анод, вызывая местный подъем температуры и выделение паров металла анода и сорбированных газов; при этом происходит так же ионизация атомов этих газов и паров. Ионы движутся к катоду, что приводит к образованию положительного пространственного заряда в промежутке и усилению местного поля у катода. Это в свою очередь увеличивает эмиссию и т.д. Одновременно возникает ионно-электронная эмиссия из катода. Процесс продолжается до тех пор, пока не возникнет достаточное количество металлических паров в промежутке и самостоятельный разряд при низком давлении. Этот механизм предложен Н.Семеновым в 1929 г.

Пробой вакуума за счет нагрева катода был впервые получен в работе Дайка и его сотрудников в 1951 г. (Конспект лекций. Ч. 1, гл. I). При этом кончик автоэмиттера разогревается проходящим по нему током с j ~ 108 А/см2 и взрывается. Вакуумная дуга возникает в парах металла эмиттера-катода. Этот пробой происходит при поле у катода Е = 8·107 В/см.

Поскольку образование микроскопически острий на поверхности массивных

52

катодов обнаружено на опыте, то возникновение пробоя вакуума между массивными плоскими (или другой формы) электродами из-за нагрева и взрыва этих острий вполне возможно.

Гипотеза обмена электронов и положительных ионов. Электрон, возникший в промежутке, ускоряется и сталкивается с анодом, где он создает А положительных ионов и С фотонов. Положительные ионы ускоряются по направлению к катоду, где они и фотоны создадут В и D вторичных электронов; последние движутся снова к аноду, вызывая образование новых положительных ионов и фотонов и т.д. Если коэффициенты близки к единице, то процесс будет быстро нарастать. Условие пробоя следующее:

меньше единицы, и развитие пробоя за счет этого процесса имеет малую вероятность. Обмен отрицательного и положительного ионов происходит соответственно на

катоде и аноде. Условие развития пробоя аналогично соотношению (41). Коэффициенты здесь много больше, и при U = 250 кВ показано, что, по-видимому, этот механизм имеет место.

Кроме механизма обмена частиц происходит и добавочное газоотделение из электродов, что увеличивает вероятность возникновения пробоя. Этот процесс, как показал Н.Ионов, может быть дополнительно стимулирован и усилен термоионной эмиссией отрицательных ионов с катода и положительных с анода.

Гипотеза кусочков. В ней рассматривается движение заряженных кусочков малой величины в поле между электродами. При ударе кусочка об электрод выделяется энергия и возникает местное увеличение температуры, достаточное для образования облака пара. Пробой вакуума происходит в среде этого пара (гипотеза Кренберга). Кроме того, при приближении заряженной частицы к металлическому электроду может возникнуть электрический пробой между ними, обеспечивающий возникновение полного пробоя промежутка.

Процесс испарения кусочка при ударе об электрод может; быть иллюстрирован

Кинетическая энергия, получаемая этим шариком после его отрыва от электрода и прохождения разности потенциалов U,

53

EK = qU = ε0 π62 Er2U .

Согласно этой гипотезе пробой возникает, если выделяемая на единицу площади энергия достигнет критической величины. Так как площадь соударения

степени у d находится в пределах 0,5–0,7. Прямые опыты по введению кусочков в вакуумные промежутки показали, что подобный механизм пробоя возможен. Слабо соединенные с электродами частицы размером 0,1–100 мк могут остаться после полировки или сформироваться в процессе тепловой обработки и очистки электродов в вакууме.

По-видимому, в малых промежутках кусочек не может обладать достаточной энергией или зарядом, чтобы вызвать пробой, но в больших промежутках механизм кусочков приобретает даже большее значение, чем механизм электронного луча. Все же кусочки - не единственная причина возникновения пробоя.

До сих пор ни одна гипотеза не может объяснить все имеющиеся экспериментальные результаты. Однако существование большинства гипотетических механизмов подтверждено. Таким образом, гипотезы не исключают, а дополняют друг друга, что и должно быть учтено при построении полной теории пробоя вакуума [20].

Вопросы пробоя вакуума и улучшения вакуумной изоляции, очень важны для ускорителей заряженных частиц, в частности электростатических ускорителей [21, 22] , электростатических сепараторов[23],электронных и ионных инжекторов и т.д.

54

ГЛАВА IV ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД В ГАЗЕ И ВАКУУМЕ

1. Основные определения

Электрический разряд в газе, который возникает при высокочастотном электрическом поле, называется высокочастотным разрядом (E – разряд). Обычно при частоте, превышаю щей 104–105Гц, объемный заряд положительных ионов у электродов в тлеющем разряде не успевает перестраиваться при изменении полярности электродов, и явления на поверхности последних с увеличением частоты электрического поля пере стают играть прежнюю роль. Более того, возможно вынести электроды за пределы оболочки прибора, в котором происходит разряд, что не вызывает его погасания.

Вторая разновидность высокочастотного разряда - кольцевой безэлектродный разряд (H – разряд) – вызывается вихревым электрическим полем, которое в свою очередь создается высокочастотным магнитным полем. Напряженность вихревого электрического поля определяется уравнением Максвелла:

Высокочастотное магнитное поле создается токами соответствующей частоты, протекающими, например, по обмотке соленоида.

Описанный выше высокочастотный разряд, который формируется из тлеющего при увеличении частоты питающего напряжения, иногда называется высоко-частотным тлеющим разрядом. Найдены и исследованы также другие виды высокочастотных разрядов - высокочастотные корона, дуга, факельный разряд и т.д.

Явления при возникновении и горении высокочастотного разряда сложны. Для их анализа полезно предварительно pacсмотреть движение заряженных частиц в высокочастотном электрическом поле при различных давлениях газа.

2. Движение заряженных частиц в высокочастотном электрическом поле

Здесь в зависимости от давления газа и частоты электрического поля рассматриваются три случая:

1) Давление газа мало, частота велика и соударениями за время одного периода можно пренебречь. Если ввести размеры сосуда – длину в направлении электрического

55

поля d и размер в перпендикулярном направлении – ширину или радиус R , то в этом случае λe > d и λe > R.

Если начальная скорость заряженной частицы (для определенности будем иметь в виду электрон) направлена по полю, то задача может быть сведена к одномерной.

Для перемещения x, принимая, что при t = 0 x = 0 получаем:

представляет колебание около среднего положения. Во всех же остальных случаях, кроме колебательного движения, электроны будут смещаться либо по полю, либо в противоположном направлении зависимости от знака результирующей начальной скорости

uрез = u0 + eEmω0 cosθ .

На рис. 23 показано такое сложное колебательно-поступательное движение электронов в направлении поля, которое «развертывается» за счет добавления начального движения электронов в направлении, перпендикулярном полю с постоянной скоростью.

Все вышеупомянутое относится и к ионам, но их скорости из-за много больших масс будут много меньшими;

56

Выражения для скорости движения электронов в направлении поля позволяют во всех трех случаях получить формулы для плотности высокочастотного тока. В данном случае, предполагая, что высокочастотный ток протекает в плазме с концентрацией электронов и ионов ne = n+ = n , для плотности тока получаем:

единицы, а также принимать отрицательные значения. Этот результат является важным для распространения электромагнитных волн в среде ионизованного газа.

Уточним понятие коэффициента трения g . Эта величина определяется из предположения, что электрон при соударении с гораздо более тяжелой частицей – молекулой газа при каждом соударении, теряет весь свой импульс в заданном направлении.

Отсюда скорость уменьшения импульса в направлении оси x составляет mxɺν ,

59

где ν – частота столкновений электронов с молекулами. Так как и исходное уравнение (49) представляет собой баланс импульсов, сообщаемых электрону полем и

Из формулы (59) видно, что высокочастотная проводимость имеет максимум при ν = ω, что дает возможность определить соответствующее давление газа. Этот важный результат может быть найден лишь качественно, так как в этом случае, а также в случае ν < ω аналогия между соударениями и трением, строго говоря, перестает быть справедливой.

Важный характерный случай следует отметить и для εотн . При отсутствии столкновений электронов с молекулами газа формула (60) упрощается

газа. Их наличие было установлено впервые для плазмы Ленгмюром и Тонксом [ 25]. Таким образом, упрощенный вариант теории движения электрона в

высокочастотном поле, основанный на рассмотрении движения среднего электрона и введении макроскопического коэффициента трения, дает возможность получить ряд существенных результатов - определить характер движения электронов, je , σ , ε , а также мгновенную и среднюю мощность, расходуемую полем в единице объема [26].

60