Кафедра электроники и энергетики

Кафедра электроники и энергетики

 

 

Лабораторные работы по курсу

 

Экспериментальные методы исследований

 

Р А Б ОТ А №3

 

 

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ПЕРВОГО ПРОБОЯ И НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ

 

ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ПРИБОРОВ С НЕНАКАЛИВАЕМЫМ КАТОДОМ

 

Составители: Подгорный В.И.

Тухас В.А.

 

 

Петрозаводск-2008

Содержание

 

		стр.
	Введение................................……………………………………...........….
	Цель работы..........................................…………………………………...4
Часть 1	Основные теоретические сведения………………………………………4
1.1	Основные физико-статистические характеристики разрядников……..4
1.2	Экзоэлектронная эмиссия...................................…………………………6
1.3	Автоэлектронная эмиссия.................................………………………….8
1.4	Автоэлектронная эмиссия при наличии диэлектрических пленок..8
1.5	Эмиссия электронов в результате процессов, связанных с адсорбцией………………………………………………………………...9
1.6	О способах уменьшения разброса статистического напряжения пробоя....................................................……………………………….....11
1.7	Методы оценки эмиссионной способности ненакаливаемых катодов разрядников.......................................…………………………….............12
Часть 2	Экспериментальное исследование параметров защитных разрядников
2.1	Описание установки...........................…………………………………..14
2.2	Порядок выполнения работы....................……………………………...14
2.3	Указания по технике безопасности…………………………………….16
	Содержание отчета............................……………………………………17
	Контрольные вопросы..........................…………………………………17
	Литература..................................………………………………………...18

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей работе исследуются некоторые характеристики защитных разрядников. Эти устройства относятся к самостоятельному классу газоразрядных приборов. Принцип их действия основан на быстром изменении проводимости при пробое и зажигании самостоятельного разряда в газоразрядном промежутке, образованном металлическими электродами, разделёнными межэлектродным зазором ~ 1 мм. Защитные разрядники предназначены для защиты электронных схем и систем от перенапряжений и переходных состояний. Приборы включаются параллельно защищаемой аппаратуре и шунтируют её при возникновении опасных перенапряжений.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Ознакомление с основами методов исследования защитных разрядников.

ЧАСТЬ 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Основные физико-статистические характеристики разрядников.

 

Важной характеристикой электрического разряда в газе является статическое напряжение пробоя, при достижении которого в газе зажигается самостоятельный разряд. Эта величина зависит от физических параметров среды, в которой происходит разряд. Статическое напряжение пробоя – одна из основных характеристик защитных разрядников, во многом определяющая область их применения. Данные по статическому напряжению пробоя и его разбросу необходимы на стадии разработки разрядников, при контроле готовой продукции, а также после проведения ресурсных испытаний в режимах эксплуатации разрядников.

Для измерения статического напряжения пробоя напряжение источника плавно повышается до момента пробоя, который фиксируется по резкому изменению показания измерителя напряжения. За напряжение пробоя принимают наибольшее показание измерителя напряжения, предшествующее пробою.

Обычно статические напряжения пробоя реализуются в диапазоне скоростей нарастания напряжений 10 – 10⁵ В/с. Дальнейшее увеличение скорости нарастания напряжения приводит к монотонному возрастанию напряжения пробоя, а полученные в этих условиях величины напряжений называют динамическими напряжениями пробоя.

На стабильность статического напряжения пробоя влияют условия на поверхности электродов, давление и род газа, материалы изолятора и ряд других факторов. Все они могут существенно влиять на ширину и вид функции плотности вероятности статического напряжения пробоя разрядного промежутка.

Идеальный защитный разрядник должен иметь функцию распределения плотности вероятности статического напряжения пробоя в виде дельта-функции. В действительности, статические напряжение пробоя имеют разброс. При фиксированном давлении, роде газа и скорости нарастания напряжения распределение напряжений пробоя является функцией следующих факторов:

a) свойств катодной поверхности;

b) интенсивностей потоков электронов, поступающих от внешних источников (космическое излучение, радиоактивные изотопы и т. д.);

c) a – и g – процессов (где a, g - коэффициенты Таунсенда в теории лавинного пробоя газа), определяющих время формирования самостоятельного разряда.

 

Для неуправляемых газоразрядных приборов с ненакаливаемым катодом имеет место так называемый эффект первого пробоя, т. е. при подаче напряжения после достаточно длительной паузы (от единиц до десятков минут) наблюдается пробой с аномально высоким значением напряжения пробоя. Этот эффект объясняется особенностями поступления начальных (инициирующих) электронов в приборах с ненакаливаемым катодом. В ряде случаев наблюдаются предзажигания, т. е. имеют место напряжения пробоя, которые существенно меньше исходного значения.

Распределение статических напряжений пробоя по напряжению F(U_c) является ещё одним важным параметром защитных разрядников. Эта функция, главным образом, зависит от свойств катодной поверхности, определяющих механизмы поступления начальных электронов в межэлектродный промежуток. К этим механизмам относятся: экзоэлектронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия при наличии на катоде диэлектрических пленок и загрязнений, поступление электронов в результате процессов, связанных с адсорбцией, автоэлектронная эмиссия с микроострий катодной поверхности.

Рассмотрим особенности поступления начальных электронов в результате названных процессов применительно к проблеме стабилизации статического напряжения пробоя.

 

Экзоэлектронная эмиссия.

Экзоэлектронная эмиссия состоит в испускании электронов поверхностями тел после воздействия на эти поверхности механической обработкой, газовым разрядом, облучением ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, окисления, адсорбции и т. д. В ряде случаев эмиссия экзоэлектронов затухает весьма медленно – в течение многих часов и даже суток – и поэтому по аналогии с послесвечением при люминесценции это явление называется " послеэмиссией ". Термин "экзоэлектронная эмиссия" появился в работах первооткрывателя этого вида эмиссии Крамера, который считал, что эмиссия с металлических поверхностей, подвергшихся некому воздействию, происходит за счёт энергии, выделяющейся при экзотермических процессах, возникающих при выравнивании этих нарушений (т. е. реакций, идущих с выделением тепла).

Величина тока экзоэмиссии обычно очень мала: потоки экзоэлектронов в обычных условиях не превышают 10² – 10³ электронов (что соответствует плотности интегрального тока j = 10^-17 ÷ 10^-16 А/см²), и для её измерения применяют специальные приборы (счётчики отдельных электронов). Со временем эмиссия быстро падает.

Число испускаемых экзоэлектронов зависит от способа обработки поверхности (скобление, полировка, пластическая деформация и т. п.), глубины нарушенного слоя, скорости съёма материала. Экзоэлектронную эмиссию можно наблюдать и при фазовых превращениях вещества – плавлении и кристаллизации. Эмиссию экзоэлектронов можно стимулировать (т. е. вызвать) подогревая образец или облучая его светом. В первом случае говорят о термостимулированной, а во втором – о фотостимулированной экзоэлектронной эмиссии.

Исследования показали, что испускание экзоэлектронов можно связать с релаксационными процессами на реальной поверхности твёрдого тела, покрытой различными адсорбированными или оксидными плёнками. Обычно источниками электронов при экзоэлектронной эмиссии являются поверхностные уровни энергии электронов, уровни примесей, ловушки электронов, центры окраски. Распад таких возбуждённых центров приводит к эмиссии электронов.

Механически напряжённое состояние катода, вызывающее экзоэмиссию, может возникнуть при пластической деформации поверхностного слоя катода, в месте привязки искрового канала либо в результате плавления металла в катодном пятне и его последующего застывания. Ввиду малости потока экзоэлектронов их роль в распределении статических напряжений пробоя по величине напряжения может сказаться лишь при длительностях пробного импульса напряжения не менее единиц миллисекунд и при малых длительностях пауз между двумя последовательными измерениями (из-за быстрого спада экзоэмиссии). Цикл измерений, определяемый временем спада послеразрядного экзоэлектронного тока с катода до фонового значения, составляет для экзоэмиссии от 10 до 10⁴ секунд.

Реально экзоэмиссия может проявляться лишь при низких напряжённостях электрического поля у катода Е < 10⁴ В/см; при более высоких напряжённостях поля основную роль начинают играть другие механизмы поступления электронов в межэлектродный зазор.

 

Автоэлектронная эмиссия.

При напряжённостях электрического поля у поверхности катода Е ³ 10⁶В/см может происходить квантовомеханическое туннелирование электронов из катода в межэлектродный зазор. Этот вид эмиссии не требует предварительного нагрева катода или какого-либо иного воздействия на него и поэтому получил название холодной или автоэлектронной эмиссии. Термин "автоэлектронная эмиссия" означает, что выход электронов за пределы катода происходит самопроизвольно, т. е. не связан с затратой дополнительной энергии.

Автоэлектронная эмиссия безынерционна и прекращается сразу же после снятия напряжения. Плотность тока автоэлектронов может достигать (при длительностях импульса не более единиц мкс) до 10⁹А/см².

При идеальной плоскопараллельности электродов условия для вырывания электронов из катода электрическим полем вряд ли достижимы в реальных конструкциях приборов (при зазоре d = 1мм для этого необходимо приложить к электродам разность потенциалов U = 100.000 В). Однако на практике на поверхности катода всегда имеются микровыступы различной природы, обусловленные, например, эрозией катода при разряде. У поверхности этих микровыступов (или микроострий) локальная напряжённость электрического поля может в несколько десятков раз превышать напряженность поля над плоской поверхностью. Поэтому уже при средней напряжённости поля в зазоре Е > 3·10⁵ В/см в инициировании начальных электронов превалирующее влияние начинает оказывать автоэлектронная эмиссия с микровыступов поверхности катода; причём потоки электронов могут превышать 10⁶ элек/см²·с.

 

Описание установки.

 

Блок-схема установки изображена на рис. 2.

 

 

1 2 3

 

 

 

Рис. 2. Блок-схема установки.

 

Экспериментальная установка состоит из вычислительного комплекса ДВК (1), блока ИС-1300 (2) и подключаемому к нему испытуемого разрядника (3). В состав блока ИС-1300 входят: генератор линейно-нарастающего напряжения, аналого-цифровой преобразователь, пиковый детектор. Все измерения выполняются автоматически по программе, записанной на дискете. Результаты измерений отображаются на дисплее и могут быть выведены на печать.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Исследование эффекта первого пробоя.

1.1. Подсоединить испытуемый разрядник к блоку ИС-1300.

1.2. Включить блок ИС-1300.

1.3. Включить ДВК.

1.4. Включить таймер.

1.5. Установить дискету в верхний дисковод и набрать на клавиатуре латинские буквы: В МХ1.

1.6. На запрос даты, времени и стартового файла нажать ввод <ВК>.

1.7. Ввести команду FIRST <ВК>.

1.8. После выхода в программу:

а) клавишами курсора установить пункт "СКОРОСТЬ",

б) боковыми стрелками установить 1Е9 (т. е. скорость изменения напряжения dU/dt=10⁹ В/с).

1.9. Клавишами курсора установить пункт "ИЗМЕРЕНИЕ".

1.10. Нажать клавишу <ИСП>.

1.11. После остановки ЭВМ переписать с экрана дисплея данные о 20 пробоях.

1.12. Рассчитать среднее значение пробойного напряжения, среднеквадратичное отклонение пробоев от среднего значения и отношение величины первого пробоя к среднему значению.

 

Примечание.

При вычислении среднего значения напряжения пробоя необходимо

исключить из выборки первый пробой, т. е.

,

 

1.13. После выдержки паузы в 1 мин. повторить пункты 1.10.-1.12.

1.14. Выдержать паузу в 2 мин. и вновь повторить пункты 1.10-1.12.

1.15. Повторить измерения по п.п. 1.10-1.11 при паузах в 3, 4 и 5 мин.

1.16. Снять дискету с ДВК.

1.17. Выключить ДВК.

1.18. Выключить блок ИС-1300.

 

 

2. Оценка эмиссионных свойств ненакаливаемого катода разрядника.

2.1. Включить блок ИС-1300.

2.2. Включить принтер, поставив тумблер "Power" (находящийся на боковой

облицовке) в положение "ON".

2.3. Включить ДВК.

2.4. Включить таймер.

2.5. Установить дискету в верхний дисковод и набрать на клавиатуре латинские буквы: В МХ1.

2.6. На запрос даты, времени и стартового файла нажать ввод <ВК>.

2.7. Ввести команду: @ V <ВК>.

2.8. Для работы с программой использовать клавиши:

ИСП - исполнение выбранного пункта меню,

ПРЕД КАДР - выход в основное меню.

2.9. Снять зависимость U = f(dU/dt) при следующих параметрах:

время = 0,

количество = 30.

2.10. После остановки ЭВМ на экране дисплея высветится график зависимости

U = f(lg(dU/dt)).

2.11. Нажать кнопку "on line" на принтере, заложить под валик принтера 2 стандартных машинописных листа бумаги с копиркой и заправить их, отжав рычаг прижима листов на принтере и снова нажав его.

 

Примечание.

Запрещается заправлять листы путем вращения валика принтера рукой.

 

2.12. Отпечатать на принтере зависимость U = lg (dU/dt). Масштаб для

U: 100 В в 1 см.

2.13. Снять дискету с ДВК.

2.14. Выключить ДВК.

2.15. Выключить блок ИС-1300.

2.16. Выключить принтер, поставив тумблер "Power" в положение "off".

2.17. Отсоединить испытуемый разрядник от блока ИС-1300 и подсоединить к

нему другой разрядник.

2.18. Повторить измерения по п.п. 1.2-1.17. и 2.1-2.14 с другим разрядником.

 

 

Содержание отчета.

 

Отчет должен содержать краткое введение, описание экспериментальной установки и методики измерений, экспериментальные данные в виде графиков и таблицы, формулы для расчетов, обсуждение результатов, выводы.

В отчете должны быть представлены выполненные на масштабной бумаге или кальке следующие графики:

а) зависимость отношения величины первого пробоя U₁ к среднему значению пробоя U_ср от паузы τ между измерениями: U₁ / U_ср = f(τ),

б) зависимость тока эмиссии i_э, вычисленного по формуле (4), от скорости нарастания напряжения dU/dt, построеннуюв логарифмическом масштабе: lg i_э = f(lg(dU/dt)),

в) зависимость напряжения пробоя U_пр = f(lg(dU/dt)), отпечатанную на принтере.

В таблице должны быть приведены данные о величинах первых 4 пробоях, средних значениях напряжения пробоя U_ср, средне-квадратичных отклонениях DU от среднего значения и отношение величины первого пробоя к среднему значению. Примерная форма таблицы следующая:

 

№ п/п	Пауза	U1, В	U2, В	U3, В	U4, В	Uср, В	∆U, В	U1 /Uср
1.	0 мин.
2.	1 мин.
3.	2 мин.
4.	3 мин.
5.	4 мин.
6.	5 мин.

 

5. Контрольные вопросы.

 

1) Что такое статическое напряжение пробоя и чем определяется стабильность этого параметра?

2) Опишите основные каналы поступления начальных электронов в приборах с ненакаливаемым катодом и их характеристики.

3) Как объясняются эффект первого пробоя и предзажигание?

4) Что такое закон Лауэ?

 

Литература

 

1. Дж. Мак, Дж. Крэгс. Электрический пробой в газах. М.: ИЛ. 1960.

2. Ю.В.Киселев, В.И.Сысун, В.А.Тухас и др. Определение времени запаздывания пробоя газовых разрядников при различных формах импульсного напряжения - Электронная техника. Сер. 4. Вып. 5. Стр. 52-53. 1984.

3. В.А.Тухас, Ю.Д.Хромой. Импульсный разряд в газе и временные характеристики защитных разрядников. Петрозаводск. 1989.

кафедра электроники и энергетики

 

 

Лабораторные работы по курсу