| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Высоковольтный электронный прибор, содержащий высоковольтные элек- троды, размещенные в диэлектрической оболочке с покрытием на внутренней поверх- ности, проводимость которого выше проводимости самой оболочки, отличающийся тем, что в областях с высокой напряженностью поля покрытие выполнено из компози- ционного материала, в основе которого используется поликристаллический материал с объемной проводимостью частиц от 10"9 до 10"13 Ом"1 см"1, каждая из которых содержит на своей поверхности нанослой скрепляющего неорганического материала. 2. Высоковольтный электронный прибор по п.1 , отличающийся тем, что высо- ковольтные электроды размещены в вакуумной оболочке и укреплены на изоляторах, причем покрытие выполнено как на поверхности изоляторов, так и на внутренней по- верхности вакуумной оболочки. 3. Высоковольтный электронный прибор по п.1 , отличающийся тем, что по- верхность диэлектрической оболочки находящаяся в вакууме, покрыта слоем материа- ла, состоящего из окислов хрома, бора или циркония в виде поликристаллической по- ристой массы с размерами частиц 30 нм - 30 мкм, скрепленных между собой неорга- ническим материалом, например оксидом кремния (Si02) с толщиной слоя не более 100 нм. 4. Высоковольтный электронный прибор по п.1 , отличающийся тем, что покры- тие выполняется толщиной не меньшей 0,2 от длины свободного пробега электронов в материале покрытия при максимальном значении рабочего напряжения прибора. 5. Высоковольтный электронный прибор по п.1, отличающийся тем, что коэф- фициент вторичной электронной эмиссии основного материала покрытия имеет значе- ние не более 1,5. 6. Высоковольтный электронный прибор по п. ] , отличающийся тем, что высо- ковольтные электроды выполняются с модифицированной поверхностью, имеющей сверхмелкокристаллическую или аморфную структуру глубиной до 30 мкм, посредст- вом обработки их сильноточным импульсным электронным или ионным пучком. 7. Высоковольтный электронный прибор по п.1 , отличающийся тем, что прибор помещается в герметичный сосуд, заполненный средой с большей, чем воздух при ат- мосферном давлении электропрочностью, например, трансформаторным маслом, под- вергнутым очистке и откачке в вакууме, или элегазом (SF6), причем указанные среды заполняют сосуд под давлением выше атмосферного. |
(i) Область техники
Изобретение относится к области высоковольтной электровакуумной техники, в частности к рентгеновским и нейтронным трубкам, газоразрядным и СВЧ приборам, элементам ускорителей и другим устройствам, применяемым в промышленности, нау- ке, оборонной технике, медицине. Изобретение касается конструкции и способа изго- товления электровакуумных устройств и электронных приборов с высокой электриче- ской прочностью и может быть использовано в их производстве.
(и) Предшествующий уровень техники
Наиболее высоковольтные электронные электровакуумные и газоразрядные (ЭВ и ГР) приборы - рентгеновские (РТ) и нейтронные трубки, гиротроны, тиратроны и разрядники широко используются в различной аппаратуре, длительное время приме- няющейся в промышленности, медицине, науке, оборонной технике. Производство этих приборов относится к области высоких технологий и сконцентрировано в круп- ных фирмах передовых промышленно развитых стран: США (GE, Litton, Varian), Гер- мании (Siemens, Lohmann), Голландии (Philips), Японии (Toshiba), России. Процессы развития технологий обеспечивающих научно-технический прогресс, конкуренция с твердотельными приборами, потребовали существенной модернизации или создания принципиально новых ЭВ и ГР приборов. Характерными требованиями к ним является снижение габаритных параметров и веса, высокая надежность и долговечность при на- пряжениях до сотен тысяч вольт, малые размеры фокусного пятна, высокий кпд, эколо- гическая чистота. Для решения этой задачи важно рассмотрение всего комплекса задач возникающих при конструировании и производстве аппаратуры, вплоть до разработки специализированных аппаратов на основе новых типов ЭВ и ГР приборов. Рентгенов- ские трубки являются типичными представителями указанных высоковольтных ЭВ и ГР приборов.
Наиболее полно исследования посвященные вакуумному пробою, технологии изготовления с целью повышения электропрочности вакуумных приборов описаны в книге: И.Н.Сливков, Электроизоляция и разряд в вакууме, Атомиздат, Москва, 1972. Однако большинство способов обработки электродов находится на уровне 70-х годов прошлого века и не учитываются такие важные факторы как влияние диэлектрической оболочки на инициирование пробоя.
В большинстве трубок, предназначенных для диагностики, терапии и дефекто- скопии широко распространена в настоящее время конструкция оболочки с расширен ной средней частью. Достоинства ее так описаны в работе [В.И. Раков, Электронные рентгеновские трубки, ГЭИ, Москва- Ленинград, 1952.] на стр. 56: "Баллоны с расши- ренной средней частью и узкими горловинами наиболее выгодны с точки зрения обес- печения высокой электрической прочности. Расширенная средняя часть баллона ос- лабляет электрические поля внутри трубки. Благодаря увеличению поверхности, стек- ло меньше нагревается от теплового излучения с катода и анода и от бомбардировки его вторичными электронами. Уменьшаются внутренние заряды на стекле. Уменьша- ются градиенты потенциала непосредственно в самом стекле баллона Однако и данная конструкция обладает недостатком, свойственным большинству рассмотренных конструкций, а именно, повышенными габаритами. Особенно заметно сказывается этот недостаток в аппаратах с масляной изоляцией, где увеличение габаритов трубок ведет к увеличению не только габаритов аппаратуры, но и к значительному росту ее веса. Оптимальной, наиболее выгодной, является цилиндрическая форма оболочки. Однако ее применение сдерживается резким понижением электропрочности трубок, со значи- тельным увеличением вероятности возникновения пробоев оболочки.
Одним из первых патентов, в котором учитывалось влияние на надежность приборов оболочки, являлся патент США [N° 1954709, кл.313-58, опублик.1934.], в кото- ром предлагалось устранять пробои оболочки введением защитных металлических ци- линдров с двух сторон оболочки в области высоковольтного промежутка (рис. 1.3.а). Цилиндры связаны между собой электрически и, кроме того, окружены снаружи еще одной оболочкой. Полость между наружным цилиндром и внешней оболочкой откачи- вается. Это делалось для того, чтобы увеличить электропрочность оболочки снаружи, т.к. при работе металлические цилиндры приобретают значительный электрический заряд, приводящий к разрядам с наружной стороны трубки.
Очевидным недостатком данного способа защиты является сложность конст- рукции, значительное увеличение габаритов и веса прибора. Конструкция применима только при малых ускоряющих напряжениях (до 50 кВ).
В патенте США [N° 2516663, кл.313-58, опублик. 1950] предлагается для защиты от поверхностного заряда, появляющегося при работе на стеклянной оболочке секцио- нированной трубки, применять проводящие покрытия (метод иризации) на основе ин- дия с поверхностным сопротивлением 25-500 Ом на квадрат (объемной проводимо- стью от 10 "2 до 10 ~3 Ом^см "1 ). С целью получения на секциях равномерного распределе- ния потенциала и для создания условий, способствующих утечке заряда со стекла, по- крытие соединяется электрически с анодом и секциями. В патенте указывается, что такое покрытие наносится на ближние к аноду секции оболочки, но возможно нанесе- ние и на всю поверхность секций. Способ нанесения запатентованного покрытия на всю оболочку вызывает возражение, т.к. расчет показывает, что при напряжениях даже в десятки киловольт на таком покрытии будут выделяться огромные мощности из-за протекания тока источника питания. При покрытии части оболочки, примыкающей к аноду в односекционных трубках, уменьшается эффективная изоляционная длина обо- лочки в вакууме, что приводит к увеличению паразитных токов утечки, ухудшению вакуума и выходу трубки из строя. Поэтому данный способ защиты, по крайней мере, в несекционированных трубках неприменим.
Все известные решения не снимают существенным образом проблему сниже- ния габаритов и обеспечения электрической прочности при больших значениях напря- жений. Кроме того они не рассматривают состояние поверхности высоковольтных электродов, которая существенно влияет на токи утечки и электрическую прочность прибора, а также не решают задачи снижения влияния этой поверхности.
(ш) Раскрытие изобретения
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании конструкции электронного прибора с меньшими габаритами и весом при высокой надежности, в частности с повышенной электрической прочностью. Физиче- ской основой, обеспечивающей возможность данного решения, служит учет взаимо- действия процессов на поверхности высоковольтной электродной системы, на поверх- ности и в объеме диэлектрической оболочки, а также процессов снаружи оболочки.
Одним из важнейших элементов, влияющих на электропрочность высоко- вольтных приборов с относительно большими расстояниями между электродами (бо- лее 5 мм) является диэлектрическая оболочка и внутриламповые изоляторы. Диэлек- трическая оболочка при работе высоковольтных электровакуумных приборов подвер- гается действию комплекса факторов: сильных электрических полей, облучению жест- кими рентгеновскими квантами, ионами и электронами, обладающими высокими энер- гиями. Источниками электронов являются центры автоэлектронной эмиссии на по- верхности электродов, ионы возникают особенно интенсивно при пробоях вакуумной изоляции, поверхности и объема диэлектрика. В подобных условиях в оболочке возни- кает поляризация, подобная поляризации радио- и электроэлектретов, на поверхности и в объеме диэлектрической оболочки накапливаются электрические заряды.
При работе в режиме, когда в межэлектродном промежутке возникают разряды, оболочка в областях смежных с анодом и катодом приобретает потенциалы, близкие к потенциалам соответствующих электродов [Бочков В.Д., Погорельский М.М., "Иссле- дование распределения заряда по диэлектрической оболочке высоковольтного вакуум- ного прибора", ПТЭ, N°2, 1998, с.77-82.]. Причем, если в различных режимах работы вакуумного промежутка заряд в катодной области существенно не изменяется (образу- ется гомозаряд), то в анодной гомозаряд образуется только при появлении разрядов или пробоев в вакуумном межэлектродном промежутке. Величина этого заряда дости- гает 5x10 "6 Кулон/см 2 , и потенциал оболочки в анодной области становится близким к потенциалу анода. Положительный заряд в этой области является преобладающим. При его появлении условия работы оболочки в области анода резко ухудшаются: по- вышается интенсивность и увеличивается энергия бомбардирующих электронов, что способствует накоплению в локальных местах подвергающихся бомбардировке, на глубине пробега (~до 60 микрометров при 150 кэВ) значительных величин объемного заряда электронов. При достижении значений накопленного объемного заряда порядка 10 "6 Кл, напряженность его поля превышает электрическую прочность стекла, в резуль- тате чего происходят пробои приповерхностных слоев с выходом канала пробоя на внутреннюю поверхность оболочки, выбросом плазмы в высоковольтный промежуток. Это резко снижает электрическую прочность вакуумного промежутка.
Кроме снижения электропрочности описанные процессы могут привести и к катастрофическому разрушению диэлектрика - сквозному пробою, приводящему к по- тере герметичности и выходу прибора из строя. Сквозной пробой возникает при одно- временном действии двух основных факторов: появления на оболочке достаточной плотности положительного поверхностного заряда и наличия локальной бомбардиров- ки этого диэлектрика электронами с энергией свыше 50-М 10 кВ. В этих условиях про- бой происходит в две стадии. Первая заключается в накоплении объемного отрица- тельного заряда на глубине пробега от внутренней поверхности диэлектрика и возник- новении приповерхностных пробоев в поле этого заряда. На второй стадии происходит развитие пробоя на всю толщину диэлектрика из-за значительного усиления поля элек- тродов и поверхностного заряда проводящим каналом пробоя.
Другим фактором, существенно влияющим на электропрочность приборов яв- ляется интенсивность автоэлектронной эмиссии из электродов. Подавление эмиссии позволяет одновременно не допускать накопления больших плотностей заряда в объе- ме диэлектрика, уменьшить вероятность возникновения приповерхностных и сквозных пробоев диэлектрика, уменьшит и появление ионов внутри прибора. Снизить интен- сивность электронной эмиссии из электродов можно уменьшая неоднородность по- верхности - удаляя микровыступы и инородные пленки и включения. В производстве в основном добиваются чистоты обработки поверхности электродов приборов тривиаль- ными методами за счет механической (полировкой) и гальванической обработки. Од- нако даже самая тщательная полировка поверхности при оставлении её кристалличе- ской структуры, не обеспечивает высокую электропрочность. В частности на сроке службы под действием электрических полей и паров металлов из кристаллической структуры электродов наблюдается рост монокристаллов, в направлении поля и, соот- ветственно, усиление токов автоэмиссии. В связи с этим повысить надежность можно только учитывая микроструктуру поверхности и соответственным образом добиваясь её модификации в нано- размерах, затрудняя появление кристаллов на ней.
Третьим фактором, влияющим на надежность работы, являются свойства внеш- ней среды, в которой эксплуатируется трубка, в частности электропрочность масла. Поставленная техническая задача решается комплексом мер.
Во-первых, задача решается за счет того, что в электронном приборе, содержа- щем высоковольтные электроды - положительный (анод) и отрицательный (катод или сетку), размещенные в диэ ектрической оболочке с покрытием на внутренней поверх- ности, проводимость которого выше проводимости самой оболочки, в областях с вы- сокой напряженностью поля покрытие выполнено из композиционного материала, в основе которого используется поликристаллический материал с объемной проводимо- стью частиц от 10 "9 до 10 "13 Ом "1 см " ', каждая из которых содержит на своей поверхно- сти нанослой скрепляющего неорганического материала, например оксида кремния (Si0 2 ).
Другим отличием является то что, что высоковольтные электроды размещены в вакуумной оболочке и укреплены на изоляторах, причем указанное в первом пункте покрытие выполнено как на поверхности изоляторов, так и на внутренней поверхности вакуумной оболочки.
Третьим отличием является то, что поверхность диэлектрической оболочки, находящаяся в вакууме, покрыта слоем материала, состоящего из окислов хрома, бора или циркония в виде поликристаллической пористой массы с размерами частиц 30 нм - 30 мкм, скрепленных между собой неорганическим материалом, например оксидом кремния (Si0 2 ) с толщиной слоя не более 100 нм.
Четвертым отличием является то, что в высоковольтном электронном приборе покрытие выполняется толщиной не меньшей 0,2 от длины свободного пробега элек- тронов в материале покрытия при максимальном значении рабочего напряжения при- бора.
Пятым отличием является то, что коэффициент вторичной электронной эмис- сии основного материала покрытия имеет значение не более 1 ,5.
Шестым отличием является то, что высоковольтные электроды выполняются с модифицированной на глубину до 30 мкм поверхностью, имеющей сверхмелкокри 2011/000038
6 сталлическую или аморфную структуру, например, посредством обработки их сильно- точным импульсным электронным или ионным пучком.
Седьмым отличием является то, что прибор помещается в герметичный сосуд, заполненный средой с большей, чем воздух при атмосферном давлении электропроч- ностью, например, трансформаторным маслом, подвергнутым очистке и откачке в ва- кууме, или элегазом (SF 6 ). Причем указанные среды заполняют сосуд под давлением выше атмосферного.
Применение в электронных приборах высокоомных полупроводящих (практи- чески диэлектрических) покрытий оболочки и изоляторов, а также модификация при- поверхностного слоя высоковольтных электродов, дает возможность создания элек- тронного прибора с меньшими габаритами и весом за счет резкого снижения токов утечки. Тем самым, резко снижается вероятность развития пробоев диэлектрической оболочки и других изоляторов, повышается электропрочность прибора в целом. По- крытия снижают только объемную проводимость изолятора. В то же время, значение поверхностной проводимости изоляторов, в отличие от прототипа, не приводит к за- метному увеличению токов утечки между электродами. Практически оно остается рав- ным проводимости непокрытой оболочки или изолятора. (iv) Предпочтительные примеры осуществления изобретения
Существующие диэлектрические оболочки при рабочей температуре (-60 ч-+60 °С) имеют весьма низкую удельную электропроводность (менее 10 "14 Ом "1 см "1 ). Наибо- лее эффективным способом, позволяющим повысить электрическую прочность и на- дежность работы электронного прибора, является использование диэлектрических по- крытий с удельной объёмной электропроводностью выше проводимости самой обо- лочки, наносимых на внутреннюю поверхность оболочки в областях с высокой напря- женностью поля. При этом покрытие выполняется из композиционного материала, в основе которого используется поликристаллический материал с объемной проводимо- стью частиц от 10 "9 до 10 "13 Ом "1 см "1 (] нСм/см до 0,1 пСм/см), каждая из которых со- держит на своей поверхности слой скрепляющего неорганического материала, напри- мер оксида кремния (S1O2).
При интенсивности электронной бомбардировки до десятков микроампер на см 2 минимальное значение объемной проводимости частиц от 10 "13 Ом " ' см "1 , а макси- мальное - 10 " 9 ΟΜ ' ' -CM "1 . Увеличение проводимости свыше 10 "9 ΟΜ ' ' -CM "1 приводит к повышению токов утечки, разогреву оболочки, потерям мощности и развитию пробоев по поверхности. Варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняется чертежами 1,
2 и З.
На фиг. 1 показан общий вид электронного прибора, содержащего катод 1, вы- соковольтные электроды: управляющую сетку 2 и анод 3, керамическую или стеклян- ную оболочку 4 с развитой внешней поверхностью, мишень 5. На внутренней поверх- ности диэлектрической оболочки 4 нанесено покрытие 6 из композиционного материа- ла, в основе которого используется поликристаллический материал с объемной прово- димостью частиц от 10 "11 Ом "1 см '1 , каждая из которых содержит на своей поверхности нанослой скрепляющего неорганического материала. Такое покрытие обычно имеет пористость порядка от 30 до 50%. Прибор помещается в герметичный сосуд, заполнен- ный средой (газом или жидким диэлектриком) с большей, чем воздух при атмосферном давлении электропрочностью. Этой средой могут быть, например, трансформаторное масло, подвергнутое специальной обработке (очистке и откачке в вакууме) или элегаз (SF6), которые затем закачаны в сосуд под повышенным давлением.
На фиг. 2 показан общий вид электронного прибора, содержащего катод 1 , вы- соковольтные электроды: управляющую сетку 2, анод 3, ускоряющий электрод 9, ке- рамическую или стеклянную оболочку 4, мишень (коллектор) 5. На внутренней по- верхности оболочки 4 и на изоляторах 10 (которые могут быть выполнены в виде мо- нолитных цилиндрических стоек, со щелями между ними), нанесено диэлектрическое покрытие из композиционного материала, в основе которого используется поликри- сталлический материал с объемной проводимостью частиц от 10 "п Ом "1 см "1 , каждая из которых содержит на своей поверхности нанослой скрепляющего неорганического ма- териала.
На фиг. 3 приведена фотография экспериментального электронного прибора на напряжение до 200 кВ. Габаритные размеры : 0 тах.=40 мм, Н=90 мм.
Покрытия наносятся на оболочку в местах подверженных действию высокой напряженности электрического поля и электронной бомбардировке. На фиг.1 показаны проекции 7 бомбардирующих оболочку 4 автоэлектронных пучков. Эмиссионные цен- тры этих пучков расположены на боковой поверхности отрицательного высоковольт- ного электрода, которым в данном случае является сетка 2. Автоэлектроны с торцевой части сетки, а также электроны 8 с катода в основном фокусируются на мишень 5. В качестве материала покрытия можно использовать материалы с коэффициентом вто- ричной электронной эмиссии от 1 до 1,5, например, окислы хрома, бора или циркония в виде поликристаллической массы. Толщина покрытия для обеспечения эффективной работы, при использовании в качестве материала оболочки идеального диэлектрика должна соответствовать длине пробега электронов, бомбардирующих оболочку в мес тах, подверженных сквозным пробоям. Однако, имеются факторы, на практике позво- ляющие уменьшить толщину слоя покрытия. Это возможно по следующей причине. В приповерхностных слоях оболочки содержится большое количество дефектов, распро- страняющихся на глубину до 5-20 мкм в зависимости от вида материала диэлектрика и технологии его производства. Проводимость таких слоев повышена по сравнению с основным объемом, что определяет повышенную утечку заряда и объясняет отсутствие явления сквозного пробоя при энергиях электронов менее 30-50 кэВ. При энергиях свыше этих значений, наличие дефектов приповерхностных слоев оболочки позволяет выполнять более тонкие слои покрытий, от 0,2 величины расчетной длины свободного пробега электронов. Так как заряд локализуется на малых участках, то его достаточно рассеять по оболочке в узкой полосе вблизи высоковольтных электродов. Важно, что при этом не происходит заметного увеличения токов утечки между электродами.
Для получения такого покрытия приготавливается суспензия добавлением ок- сидов металлов к спиртовому раствору кремнийорганических эфиров. В результате, используя в качестве основного материала, например кристаллы Сг 2 0з в виде порошка с размером частиц от 30 нм, после нанесения на оболочку и сушки на воздухе при тем- пературе 100°С, получают покрытие в виде прочного конгломерата из бислойных час- тиц, основой которых являются частицы Сг 2 0 3 , покрытые и скрепленные между собой слоем S1O2 толщиной от единиц до десятков нанометров.
Диэлектрическая оболочка может быть составлена из нескольких элементов, каждый из которых имеет цилиндрическую форму.
Использование диэлектрических покрытий позволяет резко повысить электро- прочность приборов, снизить их габариты и вес, до значений практически недостижи- мых с помощью известных конструкторских и технологических приемов.
Высоковольтные электроды предлагаемого прибора выполняются на основе технологии модификации структуры поверхности электродов из кристаллической в аморфную на глубину от 30 нм до 30 мкм, посредством сверхбыстрой (длительность 5- 30 мкс) термообработки её сильноточным импульсным низкоэнергетичным электрон- ным пучком. Несколько процессов при этом дают положительный эффект изменяя свойства поверхности электродов. Импульсное плавление приводит к сглаживанию поверхности электродов и очистке ее от примесей и растворенных газов, позволяет существенно снизить шероховатость поверхности до высших степеней (зеркальная) и, таким образом, повысить качество обрабатываемых изделий. При обработке серией импульсов глубина очистки достигает десятков микрон, высота микрорельефа - де- сятки нанометров. Высокая скорость охлаждения обрабатываемого слоя (до 10 7 -10 10 градусов Кельвина в секунду) позволяет осуществлять сверхбыстрые закалку и упрочнение по верхности материала, повысить его коррозионную стойкость, очистить от примесей. В результате высокоскоростной закалки из расплава в приповерхностном слое формиру- ются структурно-фазовые состояния, способные обеспечить повышение эксплуатаци- онных свойств материалов и изделий.
Модификацией поверхности высоковольтных электродов, можно получить сверхмелкокристаллическую или аморфную структуру на глубину до 20 мкм. Можно также формировать поверхностные сплавы легированием поверхности либо ионной бомбардировкой, либо нанесением пленки соответствующего материала, облегчающе- го получение аморфного слоя. В последнем случае, например, на основу из меди нано- сится пленка аморфообразующего кремния, которая затем обрабатывается серией им- пульсов.
Такая модификация в сочетании с последующей тренировкой промежутка сла- боточными импульсными разрядами позволяет существенно повысить электрическую прочность вакуумной изоляции. Например, импульсная пробивная напряженность поля возрастает в 2-3 раза, а предпробойные токи уменьшаются на 2-3 порядка величины. Достигнута импульсная электрическая прочность вакуумных промежутков для элек- тродов из меди с кремниевым покрытием около 1 МВ/см при площади электродов 10 см 2 .
Предлагаемое техническое решение может быть использовано для решения практических задач, касающихся надежности не только высоковольтных электроваку- умных приборов, таких как вакуумные и газонаполненные дугогасительные камеры, электронные приборы (модуляторные лампы, рентгеновские и нейтронные трубки и СВЧ приборы), газоразрядные приборы (тиратроны и разрядники), но и более крупных объектов, использующих изоляторы в вакуумной среде, включая ускорители, ядерные реакторы, оборудование космических станций.