趙 亮,蘇建倉(cāng),李 銳

(先進(jìn)高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;西北核技術(shù)研究所：西安710024)

真空擊穿是指當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí),兩個(gè)電極間產(chǎn)生火花,并伴有較大的電弧電流通過(guò)的現(xiàn)象[1]。理想情況下,真空的絕緣性能僅受到電極表面場(chǎng)致發(fā)射的限制,理論上的耐壓強(qiáng)度可達(dá)10 MV·cm-1,但實(shí)際上當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到100 kV·cm-1時(shí)就會(huì)發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。真空絕緣是脈沖功率領(lǐng)域中常見(jiàn)的絕緣形式之一,因易獲取及成本低等特點(diǎn)而備受青睞。同時(shí),高功率真空電子器件,如相對(duì)論返波管、相對(duì)論速調(diào)管、相對(duì)論磁控管、磁絕緣線(xiàn)振蕩器及虛陰極振蕩器等的迅猛發(fā)展[2],也是推動(dòng)真空絕緣研究發(fā)展的重要原因之一。

描述真空擊穿的機(jī)理主要有場(chǎng)致發(fā)射擊穿理論、微放電擊穿理論及微粒碰撞擊穿理論3種。場(chǎng)致發(fā)射擊穿是指強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)射電子導(dǎo)致的擊穿,分為陰極微凸引起的擊穿和陽(yáng)極引起的擊穿[1]。微放電擊穿理論又稱(chēng)粒子交換理論(ABCD理論)[3],是指電極表面發(fā)射出一次電子、正離子和光子引起的擊穿。微粒碰撞擊穿理論指電極系統(tǒng)中因微粒碰撞產(chǎn)生金屬蒸氣而導(dǎo)致的擊穿。近年來(lái),研究人員在場(chǎng)致發(fā)射擊穿理論的基礎(chǔ)上又提出了爆炸發(fā)射理論[4]。上述理論對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)真空擊穿的機(jī)制起到促進(jìn)作用。

1995年, Latham[5]詳述了上述真空擊穿機(jī)制,同時(shí),還對(duì)影響真空絕緣的因素進(jìn)行了綜述,從電極角度來(lái)看,這些因素包括電極材料、表面光潔度、幾何形狀、烘烤處理及介質(zhì)表面是否覆膜等;從真空角度,包括真空度、真空間隙g及環(huán)境溫度等;同時(shí)電壓波形也會(huì)對(duì)真空擊穿閾值產(chǎn)生影響。上述因素的影響多是針對(duì)數(shù)毫米短間隙條件下的真空擊穿現(xiàn)象,對(duì)長(zhǎng)間隙下真空絕緣擊穿現(xiàn)象關(guān)注不夠充分。鑒于此,本文簡(jiǎn)要梳理長(zhǎng)間隙下的真空擊穿研究結(jié)果。

1952年,Cranberg等[6]總結(jié)了間隙為0.1 mm～10 m時(shí)真空擊穿電壓Ub,并將其繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,發(fā)現(xiàn),Ub隨真空間隙近似成線(xiàn)性關(guān)系,斜率近似為0.5;從能量角度提出了粒子碰撞理論來(lái)解釋長(zhǎng)間隙真空擊穿,且從理論上得出了Ub∝g0.5的關(guān)系,這是首次對(duì)長(zhǎng)間隙真空擊穿較系統(tǒng)的總結(jié)。

1957年,Slivkov等[7]引入了兩個(gè)約束條件,使Cranberg的理論更加符合物理實(shí)際。首先,假設(shè)微粒需具備足夠的能量才能在撞擊時(shí)被全部汽化;其次,認(rèn)為微粒撞擊須產(chǎn)生足夠的蒸氣才可能引發(fā)擊穿;通過(guò)這兩個(gè)假設(shè),發(fā)現(xiàn)微粒半徑既不能太大,也不能太小,且得到了Ub∝g0.625的關(guān)系。

1962年,Farrall等[8]基于Cranberg的粒子假設(shè),引入了脈沖作用時(shí)間,并通過(guò)理論求解粒子運(yùn)動(dòng)方程,發(fā)現(xiàn)閃電脈沖存在Ub∝g5/6的關(guān)系。1985年,Farrall[9]對(duì)之前相關(guān)的真空擊穿機(jī)理進(jìn)行了較為全面的綜述,總結(jié)了包括場(chǎng)致發(fā)射、陽(yáng)極因素、金屬雜質(zhì)、間隙效應(yīng)及污染物等因素對(duì)真空絕緣的影響。

1997年,Spolaore等[10]再次總結(jié)了間隙為0.1 mm～10 m時(shí)的真空擊穿電壓隨間隙變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在Ub=Cgα關(guān)系中,α并非常數(shù),而是隨著真空間隙增大逐漸從1減小至0.5。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Cranberg等[6]的結(jié)果相悖。

2011年,Pilan等[11]從Weibull概率角度給出了一個(gè)Ub隨g變化的理論公式,表示為

(1)

其中：Cp為常數(shù);m為Weibull分布的形狀參數(shù);χ為幾何形狀。根據(jù)式(1),若m取值為7.3～30,對(duì)應(yīng)g的指數(shù)為0.52～0.6。

2011年,西安交通大學(xué)的Zhang等[12-13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了間隙為1～5 cm時(shí)真空斷路器的絕緣特性,同樣得到了Ub∝gα的關(guān)系,α的取值為0.70～0.79;同時(shí),從理論上給出Ub隨g變化的關(guān)系,α的理論值為0.76。

從2012年開(kāi)始,西北核技術(shù)研究所的研究人員[14-16]結(jié)合脈沖功率裝置的研制需求,對(duì)微秒脈沖下同軸真空電極和平板電極的真空絕緣特性進(jìn)行了較全面的研究,真空間隙為1～10 cm,得到了一些經(jīng)驗(yàn)公式和基本認(rèn)識(shí)。本文主要對(duì)同軸電極下的長(zhǎng)間隙真空絕緣特性、平板電極下的長(zhǎng)間隙真空絕緣特性、長(zhǎng)間隙真空絕緣機(jī)理及真空絕緣提高措施等方面內(nèi)容進(jìn)行綜述。

1 同軸電極真空絕緣閾值經(jīng)驗(yàn)公式

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于1臺(tái)TPG400微秒脈沖發(fā)生器[17],對(duì)同軸真空電極下的長(zhǎng)間隙絕緣特性展開(kāi)了研究。圖1為用于真空絕緣研究的TPG400實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 用于真空絕緣研究的TPG400實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

TPG400是1臺(tái)Tesla型脈沖發(fā)生器,可輸出微秒雙極性波形,第一峰極性為負(fù),半高寬為30 μs,最大幅值為800 kV。實(shí)驗(yàn)時(shí)控制擊穿發(fā)生在第一峰,真空擊穿和不擊穿時(shí)的波形對(duì)比如圖2所示。

圖2 真空擊穿和不擊穿時(shí)的波形對(duì)比[16]

TPG400是1臺(tái)多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái),輸出脈沖的脈沖寬度及極性等參數(shù)可調(diào),且實(shí)驗(yàn)電極可調(diào),如,在連通平板電極實(shí)驗(yàn)腔體的兩個(gè)電極后,TPG400可用于測(cè)試同軸電極的絕緣特性;反之,在保證同軸電極絕緣余量足夠的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)平板電極的間距,TPG400可用于測(cè)試平板電極的真空絕緣特性。測(cè)試過(guò)程中,真空度維持在(1～5)×10-3Pa。

1.2 測(cè)試結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式

首先令兩個(gè)平板電極直接相連,完成了3組同軸電極下的真空絕緣實(shí)驗(yàn),TPG400及文獻(xiàn)中的同軸電極參數(shù)和擊穿電壓測(cè)試結(jié)果如表 1所列。其中：Ro為同軸電極外半徑;Ri為同軸電極內(nèi)半徑;L為同軸電極長(zhǎng)度;A為內(nèi)電極有效面積;kgA為常數(shù)。

表1 TPG400及文獻(xiàn)中的同軸電極參數(shù)和擊穿電壓測(cè)試結(jié)果[18]

表1還列出了文獻(xiàn)[19-21]與同軸電極相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同軸線(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

(2)

根據(jù)式(1),可計(jì)算相應(yīng)的擊穿電場(chǎng)。下面將結(jié)合這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),總結(jié)出與同軸電極絕緣相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。首先假設(shè)真空擊穿電場(chǎng)Eb隨間隙g和面積A的變化關(guān)系可表示為

(3)

考慮到Slivkov等[7]總結(jié)的總電壓效應(yīng),擊穿電壓可表示為

Ub(g)=Cgγ

(4)

其中：C為常數(shù);γ約為0.625。認(rèn)為電場(chǎng)均勻,則

(5)

由式(3)和式(4)可知,α≈1/3。令α=1/3,以Ebg1/3為函數(shù),以A為自變量,對(duì)TPG400實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合如圖3所示。由圖3可得β≈1/6。所以,用于描述同軸電極下長(zhǎng)間隙真空絕緣閾值的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為

(6)

根據(jù)式(5),對(duì)TPG400及文獻(xiàn)[16]的長(zhǎng)間隙同軸電極真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,如圖4所示。由圖4可見(jiàn),β≈1/6的結(jié)論仍然成立,驗(yàn)證了式(6)的正確性。由圖4還可見(jiàn),式(6)的適用范圍為：g<63.5 cm;A<70 000 cm2。

圖3 對(duì)TPG400實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合[16]

圖4 對(duì)TPG400及文獻(xiàn)[16]的長(zhǎng)間隙同軸電極真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合

2 平板電極真空絕緣閾值經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于TPG400實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如第1節(jié)所述,令同軸實(shí)驗(yàn)腔體留夠絕緣余量,并令平板實(shí)驗(yàn)腔體的兩個(gè)電極分開(kāi),便可開(kāi)展平板電極真空絕緣實(shí)驗(yàn)。完成了2.5～5.5 cm間隙下的平板電極真空絕緣實(shí)驗(yàn),電極外形為布魯斯?fàn)?Bruce shape),可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)增強(qiáng)因子1.03～1.05的準(zhǔn)均勻電場(chǎng)。電極直徑為11 cm,材料為不銹鋼(304C)及硅鋼(DG6)等材料,圖5為長(zhǎng)間隙平板電極真空實(shí)驗(yàn)中用到的電極。圖6為T(mén)PG400實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擊穿電壓隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合。

圖5 長(zhǎng)間隙平板電極真空實(shí)驗(yàn)中用到的電極

圖6 TPG400實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擊穿電壓隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合

由圖6可見(jiàn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,Ub隨g的變化關(guān)系基本滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系,但γ為0.76～0.84,大于Slikov得出的結(jié)論0.625。為此,將文獻(xiàn)中與長(zhǎng)間隙平板電極真空絕緣相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同繪制于同一坐標(biāo)系,圖7為文獻(xiàn)[15]擊穿電壓隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合。

圖7 文獻(xiàn)[15]擊穿電壓隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合

由圖7可見(jiàn),γ取值約為0.667。進(jìn)一步,假設(shè)所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在均勻電場(chǎng)下獲得,便可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下擬合Eb隨間隙g的變化趨勢(shì),圖8為文獻(xiàn)[14]擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合[14]。由圖8可見(jiàn),Eb隨g的變化關(guān)系可表示為

(7)

其中：間隙g的范圍為4 mm～4 m。值得說(shuō)明的是,這一結(jié)果與描述同軸電極真空絕緣的經(jīng)驗(yàn)公式式(6)的內(nèi)涵一致。

圖8 文獻(xiàn)[14]中擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨間隙變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合

3 微秒范圍真空絕緣閾值經(jīng)驗(yàn)公式

TPG400的脈沖寬度不可調(diào),因此只獲得脈沖寬度τ為30 μs時(shí)的真空擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。為進(jìn)一步研究長(zhǎng)間隙真空擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化,本文總結(jié)了西北核技術(shù)研究所及相關(guān)文獻(xiàn)中提到的不同脈沖寬度下與真空絕緣相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其中,電子管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[5];石墨電極和鉛電極數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]。設(shè)Eb隨τ同樣滿(mǎn)足負(fù)指數(shù)冪關(guān)系,即Eb(τ)=Cτg-δ,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,圖9為真空擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化關(guān)系。由圖9可得

(8)

注意,式(7)的成立范圍為1 ns≤τ≤1 ms。當(dāng)τ>1 ms時(shí),Eb隨τ的變化不明顯。再考慮到真空擊穿閾值隨電極間隙和面積變化的經(jīng)驗(yàn)公式及A,g,τ3個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立,則可得到關(guān)于Eb的經(jīng)驗(yàn)公式,可表示為

(9)

其中,K為常數(shù)。

圖9 真空擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化關(guān)系

4 長(zhǎng)間隙真空擊穿物理機(jī)制

如第2節(jié)所述,真空擊穿現(xiàn)象的機(jī)理包括陰極微凸誘發(fā)場(chǎng)致發(fā)射理論、陽(yáng)極蒸氣誘發(fā)場(chǎng)致發(fā)射理論、微放電擊穿理論、微粒碰撞擊穿理論和爆炸發(fā)射理論。對(duì)于長(zhǎng)間隙真空擊穿現(xiàn)象,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的機(jī)制為微粒碰撞擊穿理論。該理論最早由Cranberg[6]提出后經(jīng)Slivkov修正[7],他們認(rèn)為,電極系統(tǒng)中往往存在一些微粒,它們可疏松地黏附于電極表面或從外部飛入兩個(gè)電極之間;在靜電場(chǎng)作用下,這些微粒感應(yīng)帶電,并被靜電場(chǎng)拉過(guò)間隙,以足夠高的能量轟擊相反極性的電極;微粒與電極碰撞后,動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使微粒本身或者電極局部區(qū)域熔化和蒸發(fā),釋放出蒸氣,引起電離。微粒碰撞擊穿理論的要點(diǎn)包括：微粒從一個(gè)電極飛向?qū)γ骐姌O、微粒碰撞導(dǎo)致局部電極材料蒸發(fā)或微粒自身蒸發(fā)、金屬蒸氣被電離形成等離子體及擊穿電壓與間隙滿(mǎn)足總電壓效應(yīng),即Ub=Cg0.625。結(jié)合這些要點(diǎn),分析長(zhǎng)間隙真空擊穿結(jié)果與現(xiàn)象：

(1)對(duì)于本文總結(jié)的長(zhǎng)間隙真空絕緣閾值經(jīng)驗(yàn)公式,無(wú)論是式(6)還是式(7),都反映出Ub=Cg2/3,這與微粒理論的第4點(diǎn)中γ=0.625的結(jié)論基本相符。

(2)當(dāng)采用一對(duì)布魯斯電極且陰極為T(mén)C4,陽(yáng)極為不銹鋼時(shí),在TC電極表面發(fā)現(xiàn)了不銹鋼的濺射點(diǎn),圖10為T(mén)C4電極表面出現(xiàn)的不銹鋼濺射斑點(diǎn)[15]。

(3)當(dāng)完成一對(duì)不銹鋼平板電極真空實(shí)驗(yàn)時(shí),其中,兩個(gè)不銹鋼電極表面均勻涂有聚酰亞胺(PI)涂層包覆,以期望提高真空絕緣閾值。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果恰恰相反,PI涂層并未提高Ub,反而使Ub降低了27%,圖11為不銹鋼電極表面有PI包覆和無(wú)PI包覆的擊穿電壓對(duì)比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè),PI涂層起到了空間微粒源的作用,有助于真空擊穿發(fā)生,因此,擊穿閾值降低。

圖10 TC4電極表面出現(xiàn)的不銹鋼濺射斑點(diǎn)[15]

圖11 不銹鋼電極表面有PI包覆和無(wú)PI包覆時(shí)的擊穿電壓對(duì)比

5 真空絕緣閾值提高方法

平板電極的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,對(duì)較均勻的布魯斯電極,平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為150～200 kV·cm-1。實(shí)際應(yīng)用中,希望這個(gè)真空絕緣水平能再提高。文獻(xiàn)中報(bào)道的可提高真空擊穿閾值的方法包括拋光、老煉、高溫除氣及表面加半導(dǎo)體涂層等[1]?？紤]到可行性和方便程度,綜合選取拋光方法和老煉方法開(kāi)展研究。

5.1 粗糙度對(duì)真空絕緣閾值的影響

以TC4電極為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,首先研究了粗糙度對(duì)真空絕緣閾值的影響,實(shí)驗(yàn)中選取了3個(gè)粗糙度Ra水平：粗車(chē)水平,Ra=1.1 mm;一般水平,Ra=0.08 mm;精拋水平,Ra=0.06 mm。圖12為T(mén)C4電極真空擊穿電壓隨粗糙度的變化關(guān)系。由圖12可見(jiàn),電極表面粗糙度越低(或光潔度越高),真空絕緣閾值越高。

圖12 TC4電極真空擊穿電壓隨粗糙度的變化關(guān)系

考慮到獲得較低粗糙度(0.06 mm)付出的代價(jià)較大,且難于在大面積、形狀復(fù)雜的電極上應(yīng)用,綜合考慮實(shí)際中采用0.08 mm的粗糙度水平較為適合。0.08 mm的粗糙度獲得方式有手拋和研磨2種,前者適合表面小但不規(guī)則的電極,后者適合表面大但較為規(guī)則的電極。實(shí)際應(yīng)用中須結(jié)合具體情況選擇拋光方式。

5.2 老煉對(duì)真空絕緣閾值的影響

適當(dāng)?shù)睦蠠挄?huì)去除電極表面的“毛刺”和沾染雜質(zhì),進(jìn)而能提高真空絕緣水平,但問(wèn)題是如何控制老煉的度。為此,本文對(duì)不同的電極,采用逐級(jí)升壓法,控制升壓的步長(zhǎng),在每個(gè)電壓等級(jí)下老煉若干炮。發(fā)現(xiàn),隨著電壓升高,會(huì)出現(xiàn)“微放電”、“首次擊穿”及“50%擊穿”3種放電等級(jí)。圖13為不同放電情況下的電壓水平。

圖13 不同放電情況下的電壓水平

當(dāng)電壓UA超過(guò)首次擊穿電壓UF,則真空絕緣將難以維持;反之如控制UA小于首次擊穿電壓,則可得到一個(gè)高于微放電壓UM且可靠工作的電壓等級(jí)。定義此電壓為老煉電壓,表示為

UM

(10)

老煉可提高實(shí)際真空絕緣水平。

6 小結(jié)

本文綜述了西北核技術(shù)研究所在微秒長(zhǎng)間隙真空絕緣領(lǐng)域的研究進(jìn)展,主要結(jié)論為

(1)對(duì)于長(zhǎng)間隙真空絕緣,擊穿閾值Eb與真空間隙g、電極面積A和脈沖寬度τ之間的關(guān)系為：K=Ebg1/3A1/6τ1/6,其中, 4 mm

(2)微粒碰撞擊穿理論比其他理論更適合解釋長(zhǎng)間隙下的真空絕緣現(xiàn)象;

(3)實(shí)際應(yīng)用中提高真空絕緣水平的簡(jiǎn)便易行的方法有表面拋光和老煉;效費(fèi)比較高的拋光水平為粗糙度取0.08 mm;老煉電壓應(yīng)大于微放電電壓,但小于首次擊穿電壓。