电真空器件中的高压击穿现象分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)锦州华光电子管有限公司 作者:王凤兰

  为适应当今社会科学技术飞速发展的需求,用户对各种电子设备和系统的关键元件之一———电真空器件的可靠性要求也日益提高。其中,电真空器件在使用过程中高压加不上去(即高压跳闸)是影响真空器件可靠性的重要因素。此外,电真空器件的高压跳闸,对设备的正常运行会造成严重的危害。故对于怎样保证电子产品在高压下可靠地运行,已经成为迫切需要解决的问题。为此本文着重介绍电真空器件的跳闸与击穿的机理、在使用过程中造成高压击穿的原因。

1、电真空器件的高压击穿

  1.1、电真空器件高压击穿的类型

  当加在电真空器件上的电压超过某个值之后会发生跳火或高压击穿的现象,即高压加不上、跳闸、跳火。所谓跳火就是在电极之间迸发出一定色彩的电火花,类似放电,在跳火的同时还能听到放电的声音,这种声音是由于跳火瞬间放气形成的。跳火放出的气体通常会很快被电极及管内其他吸气材料吸收。如果在电极间形成的电流密度很大的等离子体放电,这就是所谓的击穿。

  电真空器件的高压击穿一般可分为三种类型:①电真空器件内的电极之间产生的击穿,这种击穿称为真空击穿;②沿着电极之间的绝缘体击穿;③通过电极之间的绝缘体内部的击穿。

  1.2、真空击穿机理

  真空击穿与其他各种绝缘介质的击穿一样,必须满足两个条件:其一是在电极间隙或电极表面必须有适当的起始电子或离子的来源。其二是必须有一些倍增机理,使带电粒子在所加电场的作用下能增加数目,以导致电流的增长。

  目前关于真空击穿机理有以下三种情况:

  (1)真空击穿起因于阴极表面的场致发射,阴极表面的突出部位引起阴极表面局部电场增强,当达到某一值时引起这些突起部位表面的场致发射。当突起部位发射电流,密度达到某个值后,阴极的这个局部区域由于电流流通引起的电阻加热作用,造成阴极材料的蒸发。当蒸发的粒子在电极间隙内所造成的蒸气压达到133.3×10-3 Pa时,即能引起弧光放电。如果阴极突起部位场致发射的高密度的电子流轰击阳极表面的局部区域,而引起阳极局部区域过热,使得阳极材料蒸发和电离,在电极间形成电弧。

  (2)在电场的作用下,电极表面粘附的自由微粒(如灰尘、各种金属颗粒等),这些微粒离开电极时带有与电极符号相同的电荷,在电场的加速下以足够高的能量轰击对面极性相反的电极,引起被轰击极的局部区域温度升高,使电极材料产生显著的蒸发,或者带电微粒在轰击电极时微粒本身温度剧增,引起微粒材料本身蒸发,产生击穿所必须的蒸气密度。另一个因素是因为电极表面的原子在电场的作用下被极化,使电极表层处于受拉伸的状态,当出现任何外来因素,例如自由粒子或电子、离子的轰击等等,会使电极表面层个别的金属微粒块从电极表面脱离出去,成为引起击穿的微粒。

  (3)认为真空击穿的机理在于阳极和阴极之间产生的载流体繁殖的连锁反应。任何偶然产生的粒子,例如阴极表面上被电场作用而产生的负离子或阴极表面场致发射的电子相应地轰击极性相反的电极,引起次级发射(离子或电子),当次级极间发射所产生的离子和电子数目大于最初入射的带电粒子数目时,就能很快在极间形成雪崩式的巨大数量的载流体,导致击穿。

2、造成高压上不去(即击穿)的原因

  对用户返回的高压加不上、跳闸的各种产品共解剖五十只。从解剖的现象分析看,造成高压加不上的主要原因如下:极间间隙距离和电极形状变形;电极表面有毛刺;绝缘件污染;管内真空度不好。

  从图1可以看出,中间的一只FU-433S型电子管阳极击穿的原因是由于阴极变形使极间间隙变小,造成电子流轰击阳极表面的局部区域,致使阳极局部温度升高导致阳极击穿。而从阳极外表面看到有一个很小的小圆孔,而阳极内表面有类似漏斗形状如同火山喷口似的凹坑,对应的栅极有一圆形的熔洞,对应熔洞的阴极有一明显的突起部位。两边的两只FU-433S型电子管是由于冷却效果不良造成阳极烧熔,这种管子从阳极外表面看有很大面积的烧熔痕迹,阳极内表面有铜熔化的现象,没有明显的电子击伤点,而绝大多数的栅极丝没有对应的电子击穿痕迹。

FU-433S型电子管阳极烧熔实例照片

图1 FU-433S型电子管阳极烧熔实例照片

3、防止高压加不上采取的措施

  根据多年来用户的使用情况,为防止高压加不上、阳极击穿应做如下几项工作:

  (1)装机后应检查冷却系统,如水流量是否在规定范围内,如FU-433S型电子管是否在90kg/min以上,在电子管工作过程中随时测量进、出水口温差,FU-433S型电子管冷却水的进、出口温度差要小于10℃。

  (2)新的振荡管及长期搁置的振荡管在使用前必须作老炼处理。老炼方法如下(以FU-433S型电子管为例):作老炼试验时应把高压保险丝换小,把高压整流器接成半波整流的形式,阳极电压从3kV~7kV缓慢升高,每提高一个电压等级应停留20~30min,阳极电压在7kV时阳极板流为1.2A左右。

  随后把高压整流器联成全波整流线路,阳极电压逐渐上升到最高。这时应随时注意振荡管的阳极电流、阳极电压,保证电子管的板耗不超过60kW。通过老炼可将真空度不好的电子管的真空度得到恢复。如果在老炼过程中发现管内跳火、电流表读数迅速上升,甚至发生总电源过流、保险丝熔断,这时应把阳极电压降到最低值再逐步提高阳极电压,一定要注意板耗,防止超过最大板耗而损坏电子管。如果连续多次出现上述现象说明电子管有问题,请与制造厂联系。

4、结束语

  影响电真空器件高压击穿的因素是多方面的,许多因素之间又是相互关联、相互影响的,特别是目前对击穿机理认识的远不够深入,关于更深的理论还需进一步探讨。

  电真空器件中的高压击穿现象分析为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/045139.html

  与 真空电子技术 电真空器件 相关的文章请阅读:

  真空电子技术http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/