Необходимость исследований вопросов, связанных с криогенной изоляцией, обусловлена широкими возможностями, которые открывает использование явления сверхпроводимости в криоэнергети-ке /1,2,3 /, ускорительной технике / 4,5,6 /, радиотехнике и электронике /7 * II /, а также в других областях науки и техники.
В СССР работы, связанные с исследованием криогенной изоляции, проводятся в Государственном энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского /12/, во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологической службы /13/, в Институте сильноточной электроники СО АН СССР /14/, в Институте высоких температур АН СССР /15/, в Московском энергетическом институте /16/, в Сибирском НИИ Энергетики /17/. Исследования высокочастотной сверхпроводимости при больших напряженностях полей ведутся в НИИ электрофизической аппаратуры /18/, в Ленинградском и Харьковском физико-технических институтах /19,20 /, в Объединенном институте ядерных исследований /21/" в Радиотехническом институте АН СССР /22/, в Московском инженерно-физическом институте /23/ и в НИИ ядерной физики при ТПИ.
В последние годы быстро развивается метод формирования сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов на основе резонансных на-накопителей высокочастотной энергии /8 4- II/. При этом использование сверхцроводящих резонаторов (СПР) с собственной доброто тп ностью 10 * Юхи при полях, близких к предельным, позволяет получить плотность запасенной энергии высокочастотного поля порядка единиц и десятков кДя/м^. Выводя накопленную энергию с помощью СВЧ переключателей на согласованную нагрузку за десятки наносекунд, можно получить высокочастотные импульсы мощностью 10® * 10%т. По сравнению со ставшими уже традиционными методами генерации, использующими сильноточные релятивисткие электронные пучки, этот способ позволяет получать мощные, высокостабильные, когерентные СМ импульсы в устройствах с малыми весогабаритными параметрами, не требующими радиационной защиты. При этом основные трудности связаны с увеличением значений запасенной энергии и созданием СВЧ переключателей, работающих с минимальными потерями в режиме накопления и вывода высокочастотной энергии.
Заметим, что резонатор-накопитель и СВЧ переключатель принципиально и конструктивно неотделимы друг от друга. Пока известно об использовании в рассмотренных устройствах лишь трех типов СВЧ переключателей — электромеханических, электроразрядных (плазменных) и электронно-лучевых. После предваритель ннх исследований /9,10/ стало ясно, что электронное оборудование предпочтительнее электромеханического, но электронно-лучевые переключатели требуют применения сильноточных релятивист-ких электронных пучков (РЭП) с приблизительно такими же параметрами, что и в традиционных генераторах мощных СВЧ импульсов на основе сильноточных РЭП. Поэтому плазменные переключатели, использующие импульсный разряд, являются наиболее перспективными для указанных целей.
В сверхпроводящих резонаторах и других сверхпроводящих СВЧ системах, работающих на высоком уровне мощности, в настоящее время используется вакуумная изоляция /5,6,8 * 11,19 /. Характерная СВЧ электрическая прочность при этом равна единицам МВ/м, хотя и известны отдельные случаи получения величин на уровне десятков МВ/м. Такой разброс обусловлен автоэмиссионными явлениями и термомагнитным пробоем, которые ограничивают плотность запасенной высокочастотной энергии, затрудняют передачу сформированных высокочастотных импульсов по водно-водному тракту к нагрузке и нарушают нормальную работу переключателей. Поэтому с точки зрения уменьшения влияния полевых эффектов на работу СВЧ-устройств, перспективным является заполнение рабочих объемов диэлектриками с малыми потерями и высокой электрической прочностью.
Большинство известных диэлектриков при рабочих температурах сверхпроводников обладает относительно большим значением малой теплоемкостью и теплопроводностью, что не позволяет использовать их при больших плотностях высокочастотной энергии в сверхпроводящих СВЧ-устройствах. Жидкий гелий, имеющий хорошие диэлектрические и теплофизические свойства, наиболее перспективен в этом отношении.
Так, например, жидкий гелий (Шб-) обладает свойством сверхтекучести при понижении температуры ниже Т = 2,17 К. Вблизи этой температуры имеет место небольшое увеличение плотности и очень резкий (более чем на порядок) рост удельной теплоемкости до величины 12,6 к, Пж/кг.К.
Кроме большой удельной теплоемкости, сверхтекучий гелий обладает хорошими теплопередающими свойствами. Теплопроводность сверхтекучего гелия может в тысячи раз превышать теплопроводность серебра и меди.
Являясь хорошим хладагентом, жидкий гелий обладает высокими диэлектрическими свойствами. В настоящее время имеется обширный экспериментальный материал, посвященный изучению электрической прочности жидкого гелия в постоянных полях /13,24−5-30/ и полях промышленной частоты /28,30 -г- 34 /.
В результате этих исследований было установлено, что с понижением температуры электрическая прочность гелия растет значительно быстрее, чем в других газах.
Электрическая прочность газов при нормальных условиях равна /35/:
Воздух — 3,1 МВ/м
Гелий — 0,4 МВ/м
Азот — 3,4 МВ/м
Водород —. 1,6 МВ/м
При атмосферном давлении электрическая прочность основных криогенных жидкостей равна /28/.
Гелий 4,2 К 22 МВ/м
Азот 77 К 42 МВ/м
Водород 20 К 36 МВ/м
Таким образом, с переходом в жидкую фазу уменьшается различие электрической прочности, 1. Й: • Уменьшение межэлектродного расстояния также приводит к возрастанию электрической прочности вплоть до 100 МВ/м /32/,
Исследования температурной зависимости пробивного напряжения жидкого гелия, приведенные в работах / 26,28,32 * 34 /, показали, что Егф практически не изменяется с понижением температуры от 4,2К до 1,4 К. Лишь вблизи Тд. наблюдается небольшое возрастание (на 10 4- 18 $
В резконеоднородных полях возможно существование устойчивого коронного разряда в жидком гелии /24/, который иногда используется для обнаружения загрязнений /36/ и стабилизации пробивных напряжений, например, при изменении радиуса кривизны острийного электрода /25/.
Исследования по изучению СВЧ-электрической прочности и Не,, судя по периодической печати, практически отсутствуют. Известно, что СВЧ-электрическая прочность диэлектриков, обладающих малыми потерями, приблизительно совпадает с их электрической прочностью в постоянных и медленно меняющихся полях /37/, Однако для установления пригодности в качестве диэлектрика в высокочастотных устройствах, работающих на высоком уровне мощности, требуются экспериментальные данные по СВЧ электрической прочности жидкого гелия.
Вопросы, касающиеся наличия заряженных частиц в жидком гелии и, в частности, автоэмиссионных электронов, очень важны для использования его в переменных электрических полях даже промышленной частоты. Так измерения, проведенные на частоте 60 Гц /38/, показали довольно резкий рост жидкого гелия до 10″ ^ приЕ= 4 * 5 МВ/м. Предполагается, что потери могут быть обусловлены проводимостью, которая определяется присутствием заряженных частиц и примесей. Наблюдаемый в / 39/ высокий уровень диэлектрических потерь в течение десятков секунд. после пробоя тоже может быть связан с увеличением концентрации заряженных частиц и указывает на длительный характер процессов восстановления электрической прочности в жидком гелии. Следовательно, величина ^¿-гЛСГ^ не характерна для чистого гелия. Это предположение находит подтверждение в работах /39,40/, в которых у жидкого сверхчистого гелия (99,9996 < на частоте 60 Гц вплоть до 20 МВ/м.
В СВЧ диапазоне также измерялся 18 и диэлектрическая проницаемость жидкого гелия с помощью сверхпроводящих резонаторов. В /41/ использовался резонатор, изготовленный из олова, работавший на типе колебаний Цщ на частоте 9,1 ГГц. Величина составила 1,049 при Т = 4,2К. Добротность резонатора, зас полненного жидким гелием, была на уровне 1,5*10, поэтому авторами /41/ сделан вывод, что < 5•ИГ6. Однако последующие измерения с более высокодобротными сверхпроводящими резонансными системами показали, что Тпб жидкого гелия менее 10″ ^
42/. Относительно теоретического значения <5″ единого мнения пока нет /5,42/. Поэтому требуется экспериментальное подтверждение существования значений 6″ <�¦ 10″ ^ * 10~9 и ниже, чтобы положительно решить вопрос о возможности использования жидкого гео лия в сверхпроводящих СБЧ системах с добротностью 10 и выше.
Использование 1Н&в разрядных промежутках СБЧ переключателей требует изучения условий возникновения и поведения заряженных частиц в жидком гелии. Уже в самых первых исследованиях подвижности заряженных частиц в жидком гелии было обнаружено аномальное поведение электронов /43/. Подвижность инжектированного в жидкий гелий электрона оказалась очень малой, соответствующей подвижности массивного образования, состоящего из десятков атомов гелия. Объяснение этого эффекта, впервые данное Купером /44/, состоит в том, что сильное обменное отталкивание между электроном и атомами гелия приводит к образованию пузырьков аналогичных по-зитрониевым /45/. В слабом электрическом поле электрон движется вместе с окружающей его полостью, из которой вытеснено около ста атомов гелия. Эффективная масса такого образования приблизительно равна половине массы вытесненных атомов /46/.
Согласно модели Аткинса /47,48/, положительные ионы представляют собой некий комплекс, состоящий из иона Не+ или молекулярного иона Не2+, который создает вокруг себя область с избыточной плотностью. Это связано с тем, что электрическое поле заряда поляризует окружающую среду, так что давление растет по мере приближения к заряду пропорционально Ео Поэтому даже небольшой электронной поляризации оказывается достаточно, чтобы на о расстоянии, А создать давление, равное давлению затвердевания гелия. В результате положительный ион в жидком гелии представляет собой своеобразную «льдинку», состоящую из твердого гелия и окруженную жидкостью с повышенной плотностью. При этом эффективная масса положительного иона равна ^ 74 Мне .
Для изучения подвижности электронов и однозарядных ионов в работах /24,25/ использованы вольтамперные характеристики коронного разряда. Наиденные таким способом величины подвижнос-тей составили = 0,0475 с^/В^с, ^ = 0,0198 и удовлетворительно согласуются с результатами, полученными другими независимыми методами /46,49 * 51/.
Однако в литературе отсутствуют сведения о собственной проводимости жидкого гелия в электрических полях, близких к пробивным. Лишь результаты /24/ позволяют предположить, что проводимость в предщюбивных полях может быть менее Недостаточно полно освещены вопросы, связанные с подвижностью электронов в сильных электрических полях, где возможна их де-локализадия /46/.
Жидкий гелий характеризуется также своеобразным эффектом полярности, отличающим его от большинства жидких и газообразных диэлектриков /26,27/. Детальное исследование эффекта полярности и влияния материала электродов на статическую электрическую прочность Ше /13,29/ показало, что работа выхода материала катода оказывает влияние на Е пр • Оценивая напряженности полей на поверхности электродов, авторы связывают эффект полярности с различными условиями возникновения автоэлектронной эмиссии с катода исследованных электродных систем. Однако при этом не учитывается влияние среды на работу выхода электронов в жидкость и отсутствуют какие-либо сведения по измерению или оценке предпробивных токов.
Из работ по исследованию импульсной электрической прочности /12,52 * 54/ известно, что они проводились в условиях иммитирующих перенапряжения в криогенных ЛЭП и термоядерных установках при воздействии импульсов напряжения косоугольной и специальной формы. Импульсы с необходимым для СБЧ переключателей наносекундами фронтом использовались лишь при проведении физических экспериментов в микронных разрядных промежутках /55 V 58/, где было обнаружено, что в сильных электрических полях 1.Не. проявляет одновременно свойства жидкого и газообразного диэлектрика. Очевидно, поэтому наиболее интересные, но мало исследованные явления происходят при импульсном пробое в точке фазового перехода жидкость-газ. В экспериментах /25/ при давлениях 2 4−6 атм и температурах 4,2 * 20К было установлено, что в области максимума теплоемкости гелия при переходе жидкости в газ импульсные пробивные напряжения в системе электродов отрицательное острие-плоскость (-0-П) становится выше, чем в промежутке +0-П. Причем, чем короче длительность импульса, тем резче и четче проявляется этот эффект. Наиболее подробно процессы, происходящие в точке фазового перехода при наложении сильных электрических полей, разобраны в Д5/. На постоянном и переменном напряжении это явление не наблюдается.
Как и в обычных жидких диэлектриках /59/ в жидком гелии при воздействии импульсов напряжения прямоугольной формы возрастание Епр начинает проявляться при временах 10 мкс и при 0,1 мкс коэффициент импульса достигает 2,5 /53,55/. Оптические наблюдения пространственно-временных картин разрядного процесса /12,52/ показали, что при разряде в ЦНб отсутствует характерное для газа диффузное свечение, вместо которого наблюдаются ветви, распространяющиеся от ярко светящихся каналов со скоростями (5 4- 9)*10^м/с.
На основании полученных экспериментальных данных авторы
12,25,52/ связывают наблюдаемое увеличение импульсной прочности жидкого гелия по сравнению со статической с уменьшением числа свободных электронов в разрядном промежутке за счет их захвата и образования медленных носителей отрицательного заряда. Это качественно объясняет лишь вольтсекундные характеристики, полученные в однородном поле, картина же пробоя в резконеодно-родных полях и вопросы об источнике «свободных электронов» остаются неясными. При этом также не учитываются процессы делока-лизации электронов в сильных электрических полях /46/.
Результаты исследования импульсной электрической прочности 1Н£ в разрядных промежутках длиной 10 * 100 мкм /55 * 57/ показали, что Епр может достигать 200 * 800 МВ/м при длительности прямоугольного импульса 100 не и 100 * 300 МВ/м при 5 мкс. Свои экспериментальные результаты авторы /53,55,56,57/ весьма удовлетворительно объясняют с позиции лавинностримерного механизма пробоя. Кроме того при исследовании влияния материала электродов /57/ обнаружено, что оно проявляется в (.На лишь в системе электродов положительное острие-плоскость и не зависит от материала анода, а связано как и в газовом разрядном промежутке с работой выхода материала плоского катода. Аналогичные выводы были сделаны авторами /13,29/, исследовавшими влияние материала электродов на статическую электрическую прочность к На. В то же время существует мнение, что значительную роль при импульсном пробое жидких диэлектриков могут играть модуль упругости и ионная энергия связи материала электродов /60/. Однако применительно к жидкому гелию подобная точка зрения не находит пока подтверждения.
Среди работ по исследованию импульсной электрической прочности Шб отсутствуют сведения о возможном влиянии сверхпроводящего состояния электродов. Находясь в рабочих объемах резонансных сверхпроводящих накопителей высокочастотной энергии, жидкий гелий подвергается одновременному воздействию сильных электрических и магнитных полей. Данные о влиянии магнитных полей на электрическую прочность Ыб, не известны. Отсутствуют сведения о времени восстановления электрической прочности жидкого гелия и его Ецр в миллиметровых разрядных промежутках.
Кроме выяснения чисто практических вопросов, пробой жидкого гелия представляет несомненный интерес с точки зрения исследования физики пробоя жидких диэлектриков. Несмотря на относительно длительный период исследований, механизм пробоя жидкостей является менее изученным, чем газов и твердых диэлектриков, что в значительной мере обусловлено множеством трудноконтролируемых процессов, происходящих в жидкостном разрядном промежутке. Это — образование плотностных неоднороднос-тей в непосредственной близости от электродов /61 4- 64/, автоэлектронная эмиссия /59/, образование объемных зарядов в жидкости, ионизация и т. д. Роль каждого из названных процессов в зависимости от условий эксперимента и самой жидкости может быть значительной и, вероятно, именно это привело к появлению различных теорий и предположений, объясняющих процессы, происходящие при импульсном пробое жидких диэлектриков /59,64 * 67/. Поэтому пробой жидкого гелия, имеющего простейшую структуру, может служить методическим приемом при исследовании физики пробоя жидких диэлектриков.
Целью настоящей работы является исследование электрической прочности жидкого гелия в импульсных и СВЧ полях применительно к использованию его в качестве диэлектрика в рабочих объемах генераторов мощных СВЧ-импуль-сов на основе резонансных накопителей энергии.
В соответствии с этой целью и изложенным выше материалом в диссертации рассмотрены вопросы:
— Создание комплекса аппаратуры для измерения электрической прочности жидкого гелия в импульсных и СВЧ полях.
— Исследование явлений, протекающих в разрядном промежутке при электрических полях ниже пробивных.
— Анализ процессов в разрядном промежутке, предшествующих импульсному электрическому пробою.
— Изучение влияния материала и формы электродов на импульсную электрическую прочность жидкого гелия.
— Исследование импульсной электрической прочности жидкого гелия при наличии внешних магнитных полей.
— Исследование электрической прочности жидкого гелия в СВЧ полях. тотных полях.
— Анализ и исследование процессов восстановления электричес-. кой прочности разрядного промежутка, заполненного жидким гелием.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что экспериментально показана возможность эффективного использования жидкого гелия в рабочих объемах сверхпроводящих СВЧ устройств, работающих на высоком уровне мощности. Кроме того в работе выявлен ряд неизвестных ранее закономерностей:
Обнаружено влияние сверхпроводящего состояния материала электродов на импульсную электрическую прочность жидкого гелия. Экспериментально показано, что внешние магнитные поля с
— Определение? жидкого гелия в сильных высокочасиндукцией до 4 Тл практически не влияют на электрическую прочность жидкого гелш.
Установлено, что импульсная СВЧ электрическая прочность холодного гелия возрастает в области фазового перехода жидкость-газ на 15 4- 30 $. Получено, что СВЧ электрическая прочность жидкого гелия на частоте 9,4 ГГц равна 39 ± 6 МВ/м при длительности импульса I же, а, измеренный с помощью сверхпроводящего резонатора, менее 8*10″ ^.
Обнаружено, что время восстановления импульсной электрической прочности в жидком гелии зависит от геометрии разрядного промежутка и может изменяться от единиц секунд до минут. Показано, что это вызвано замедлением рекомбинационных процессов вследствие локализации в жидком гелии заряженных частиц, образованных разрядом.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные экспериментальные результаты по исследованию электрической прочности и электрофизических характеристик жидкого гелия в импульсных и СВЧ полях используются при разработке таких элементов криогенных устройств, как мощные электроразрядные переключатели, сверхпроводящие резонаторы, волноводные тракты и сверхпроводящие антенны. Подобные устройства в настоящее время создаются в НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте и в других организациях.
Полученные результаты могут также использоваться при описании механизмов импульсного и СВЧ пробоя жидкого гелш.
Достоверность результатов, полученных в работе, обосновывается высокой надежностью применяемых методик, достаточным количеством экспериментальных данных, а также тем, что в частных случаях полученные результаты совпадают или качественно аналогичны известным данным.
На защиту выносятся следующие положения работы:
— результаты экспериментальных исследований влияния материала электродов, внешних магнитных полей, периода следования высоковольтных импульсов на импульсную электрическую прочность жидкого гелия, позволившие установить, что поперечные магнитные поля с индукцией до 4 Тл и сверхпроводящее состояние электродов не могут служить эффективным способом повышения импульсной электрической прочности;
— расчетно-экспериментальное обоснование метода уменьшения времени восстановления электрической прочности разрядного промежутка, заполненного жидким гелием, путем наложения дополнительных постоянных электрических полей;
— результаты экспериментального исследования СВЧ электрической прочности,? , жидкого гелия и применение их для оценки параметров криогенных СВЧ устройств, использующих 1-Не в качестве диэлектрика;
— техническое решение конструкции высоковольтного управляемого разрядника тригатронного типа, позволившего без перестройки расширить диапазон срабатываехлых напряжений до 0,05 * 0,1 Лп.
Работа содержит: введение, три раздела, заключение, список использованных источников, приложение.
Во введении дан критический анализ состояния вопроса по исследованию электрической прочности жидкого гелия. Приведена постановка задачи работы.
В первом разделе рассмотрены особенности физических процессов, происходящих в разрядном промежутке, заполненном жидким гелием с целью конкретизации необходимых экспериментальных исследований.
Проведена численная оценка изменения предпробивных автоэмиссионных токов при заполнении вакуумного разрядного промежутка жидким гелием. Рассмотрены возможные виды направленного движения электронов в электрических полях различной напряженности. Приведены результаты экспериментального сравнения параметров вакуумного разрядного промежутка и идентичного, заполненного жидким гелием.
Рассмотрены процессы, происходящие в разрядном промежутке острие-плоскость, в импульсных полях с прямоугольным фронтом наносекундной длительности. Обращено внимание на то, что излом экспериментальной зависимости разрядного времени 1 = (Е), наблюдающийся и в других жидких диэлектриках, в жидком гелии приходится на область электрических полей, при которых средняя энергия электронов близка к энергии ионизации атомов гелия. Получены аналитические выражения для оценки разрядного времени 1 в системе электродов положительное острие-плоскость, которые качественно описывают ход известных экспериментальных кривых.
На основании проведенных численных оценок обращено внимание на возможность электрического механизма импульсного пробоя жидкого гелия.
Во втором разделе приведены результаты экспериментального исследования импульсной электрической прочности жидкого гелия, описана экспериментальная установка и методика исследований. Экспериментально показано, что Епр в однородном поле и в системе электродов отрицательное острие-плоскость практически не зависит от материала электродов. Выявлено, что в однородном поле уменьшение длительности импульса от единиц микросекунд до 20 не приводит к изменению Е пр от 60 МВ/м до 160 МВ/м.
Такая же электрическая прочность зафиксирована в системе электродов положительное острие-плоскость, но в этом случае явно прослеживается влияние материала электродов. Установлено, что на £пр влияет не только работа выхода материала катода, но и его сверхпроводящее состояние.
Представлены результаты исследований электрической прочности жидкого гелия в присутствии магнитных полей с индукцией вплоть до 4 Тл. Установлено, что продольное магнитное поле не оказывает влияния на импульсную электрическую прочность жидкого гелия. При исследованиях в поперечных магнитных полях обнаружено незначительное, не более единиц процентов, увеличение как импульсной, так и статической электрической прочности жидкого гелия.
Приведен экспериментальный материал по исследованию времени восстановления импульсной электрической прочности жидкого гелия.
В результате проведенных экспериментальных исследований импульсной электрической прочности выработаны рекомендации по разработке криогенных управляемых электроразрядных переключателей.
В третьем разделе помещены результаты исследований электрофизических характеристик жидкого гелия в сильных СВЧ полях.
Описаны методики экспериментов, использованное экспериментальное оборудование и проведена оценка погрешностей измерений. Отмечено, что в процессе исследования параметров СПР, заполненного жидким гелием, впервые были измерены? и «Ц6» в 10 см диапазоне длин волн. Установлено, что? с точностью до 0,001 совпадает с величинами, ранее измеренными на частотах 5,30,9100 МГц. Заполнение СПР жидким гелием не вызывало изменения его добротности. На основании этого был оценен Q жидкого гелия, который оказался менее 8*10 • Проанализирована стабильность тепловых и механических параметров СПР, заполненного LH&, и приведена экспериментальная зависимость резонансной частоты от температуры.
Приведены результаты исследования импульсной СВЧ электрической прочности жидкого гелия.
Представлены данные по времени распада плазмы разрядного промежутка, заполненного жидким гелием. Проведен анализ процессов, связанных с окончательной деионизацией послепро-бойной среды.
В результате проведенных исследований СВЧ электрической прочности LH& его? и 6* сформулированы рекомендации для разработки мощных сверхпроводящих СВЧ устройств, использующих жидкий гелий в качестве изоляционной среды. Предложен метод сокращения времени восстановления электрической прочности разрядного промежутка", заполненного жидким гелием.
В заключении приводятся основные результаты работы и выводы, сделанные на их основе.
Список использованных источников
включает наименований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц (Томск, 1975) /68/, 1У Всесоюзном симпозиуме «Современные проблемы физики вторичной и фотоэлектронной эмиссии» (Ленинград, 1981) /69/, ХУШ Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Москва, 1981)/70/, Всесоюзной научно-технической конференции «Специальные коммутационные элементы» (Рязань, 1981) /71,72/, Всесоюзной конференции «Физика диэлектриков» (Баку, 1982) /73,74/, УТ Всесоюзной конференции по «Физике низкотемпературной плазмы» (Ленинград, 1983) /75/.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах /76 4- 83/, защищены авторским свидетельством /84/.
I. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ, ЗАПОЛНЕННОМ ЖИДКИМ ГЕЛИЕМ
Для более целенаправленного экспериментального исследования импульсной и СВЧ электрической прочности жидкого гелия необходимо рассмотреть вопросы, связанные с возникновением заряженных частиц в ЬНб, и их движением в сильных электрических полях. Сейчас имеются три точки зрения относительно механизма импульсного пробоя в жидких диэлектриках: первая связана с абсолютизацией электрических процессовсогласно второй первично образование «пузырьков» в разрядном промежуткесогласно третьей точки зрения возможно существование электрического и пузырькового -•механизма импульсного пробоя, в зависимости от длительности импульса напряжения и свойств жидкости.
В настоящее время для объяснения экспериментальных данных /53 ¦"• 58/ по исследованию импульсного пробоя в жидком гелии используется лавинно-стримерный механизм. Это связано с такими особенностями Шв, отличающими его от большинства жидких диэлектриков /59/, как низкая плотность /85/- возможность существования свободных электронов /46/- малые потери энергии электронов на неупругие соударения вплоть до энергий, близких к энергии ионизации /46/- характер взаимодействия электрона с атомами гелия /44/- малое значение? /48/ и очень малая собственная проводимость /50/. Кроме того, данные /55,56/ свидетельствуют об увеличении импульсной электрической прочности 1Н&при изменении температуры пузырькового кипения от 2,17К до 4,2К, а данные /12,52/ отмечают резкий рост Епр в точке фазового перехода жидкость-газ. Все это может указывать на то, что присутствие пузырьков не приводит к снижению импульсной электрической прочности жидкого гелия.
Пробой 1Нй многие исследователи связывают с появлением автоэмиссионных электронов в разрядном промежутке и последующей ударной ионизацией. Однако в литературе практически отсутствуют работы, посвященные изучению автоэмиссионных явлений на границе металл-жидкий гелий. Зависимость электрической прочности жидкого гелия от многих, порой трудно контролируемых факторов, потребовало дополнительного сравнения электрической прочности жидкого гелия и вакуума.
Совокупность известного и полученного экспериментального материала по особенностям электрофизических характеристик жидкого гелия в сильных электрических полях позволила произвести качественный анализ роли электронных процессов при импульсном пробое жидкого гелия.
Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему.
1. Создан комплекс высоковольтной и измерительной аппаратуры для проведения экспериментальных исследований электрической прочности жидкого гелия и его отдельных электрофизических характеристик в импульсных и СВЧ полях.
2. Проведен анализ возможных явлений, происходящих в разрядном промежутке, заполненном жидким гелием при полях, близких к пробивным. При этом показано, что, в отличие от обычных жидких диэлектриков, автоэмиссионные процессы на границе металл-жидкий гелий затруднены из-за большой величины энергии выхода электронов в жидкий гелий (эВ). Согласно классической модели «потенциальной ямы с прямоугольными краями», оценены напряженности электрических полей, необходимые для делокализации электронов. Сравнение значении разрядного времени, вычисленного по выведенным для электродной системы положительное острие-плоскость аналитическим выражениям, с экспериментальными данными показывают, что в сильных электрических полях наиболее вероятен перескоковый механизм движения электронов в жидком гелии.
3. Проведено экспериментальное сравнение параметров криогенного вакуумного разрядного промежутка плоскость-плоскость с аналогичным, заполненным жидким гелием. При этом предпробивные токи в последнем не обнаруживаются на уровне КР^А при воздействии постоянных напряжений вплоть до пробивных. Экспериментально показано, что при межэлектродных расстояниях менее 0,25 мм статическая и импульсная электрическая прочность жидкого гелия становится сравнимой с вакуумной.
4. Установлено, что в электродных системах плоскость-плоскость и отрицательное острие-плоскость материал электродов практически не влияет на импульсную электрическую прочность жидкого гелия. Впервые экспериментально обнаружено, что сверхпроводящее состояние электродов увеличивает примерно на порядок разрядное время в системе электродов положительное острие-плоскость.
5. Экспериментально показано, что наложение на разрядный промежуток поперечных и продольных магнитных полей с индукцией до 4 Тл практически не изменяет статической и импульсной электрической прочности жидкого гелия, поэтому, как и сверхпроводящее состояние электродов, не может служить эффективным способом повышения импульсной электрической прочности жидкого гелия.
6. Экспериментально обнаружено, что время восстановления импульсной электрической прочности в жидком гелии зависит от геометрии разрядного промежутка и полярности прикладываемого напряжения. Например, в системах электродов плоскость-плоскость и положительное острие-плоскость оно, ориентировочно, на два порядка больше, чем в электродной системе отрицательное острие-плоскость, и может достигать минут. Установлено, при сравнении экспериментальных данных с результатами оценок времени нахождения газопаровых пузырьков в разрядном промежутке и времени остывания электродов, существование наиболее длительной третьей стадии восстановления электрической прочности жидкого гелия, не связанной с остыванием послепробойной среды.
7. Показано, что зависимость энерговыделения в разрядном промежутке от величины межэлектродного расстояния, как и в плотных газах, близка к линейной.
8. Экспериментально установлено, что СВЧ электрическая прочность жидкого гелия на частоте ^ с: 9,4 ГГц достигает 35−6 МВ/м при длительности импульса I мкс и возрастает в точке фазового перехода жидкость-газ на 15 * 20 $. Показано, что сформировавшийся высокочастотный разряд поглощает до 50 $ СВЧ энергии падающей волны. Установлено, что время восстановления СВЧ электрической прочности жидкого гелия достигает десятков секунд.
9. Проведено экспериментальное исследование? и «¿-д (Г жидкого гелия с помощью сверхпроводящего резонатора, изготовленного из ниобия. Показано, что заполнение СПР, работающего на виде колебаний Еою с собственной добротностью = 4*10® и | а 2,8 ГГц, не приводит к изменению его добротности, поэтому „Ц<5“ жидкого гелия менее 8*10». Впервые сняты температурные зависимости? в 10 см диапазоне длин волн.
10. Проведено экспериментальное и аналитическое исследование процессов деионизации в послепробойной среде разрядного промежутка. Экспериментально обнаружено резкое уменьшение времени рекомбинационных процессов первой стадии восстановления электрической прочности в точке фазового перехода жидкость-газ. Аналитически показано, что локализация в жидком гелии неуспевших во время протекания первых двух стадий восстановления заряженных частиц в жидком гелии приводит к увеличению времени оконо о чательной деионизации послепробойной среды до 10 * 10 с. Экспериментально установлено, что сокращения времени окончательной деионизации и, следовательно, времени восстановления электрической прочности жидкого гелия можно добиться путем создания в межэлектродном промежутке слабых электрических полей.
II. Даны рекомендации для проектирования криогенных электроразрядных СВЧ устройств, использующих жидкий гелий одновременно в качестве диэлектрика и хладоагента. Показана перспективность использования жидкого гелия для указанных целей. Предложено конструктивное решение управляемого разрядника три-гатронного типа.
Автор глубоко благодарен доктору физико-математических наук, профессору А. Н. Диденко и заместителю заведующего лабораторией $ 41 старшему научному сотруднику Ю. Г. Юшкову за руководство работой, заведующему лабораторией $ 46 В. Л. Каминскому и старшим научным сотрудникам Г. П. Амелину й Г. М. Самойленко за постоянную поддержку, младшему научному сотруднику В. А. Августин овичу за помощь в проведении трудоемких экспериментов, а также всем сотрудникам лабораторий 11 41, 43, 46 за активное обсуждение материалов диссертации и помощь в работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе проведено экспериментальное исследование электрической прочности гадкого гелия в импульсных и СВЧ полях с целью выявления возможности использования его в качестве диэлектрика в рабочих объемах генераторов мощных СВЧ импульсов на основе сверхпроводящих накопителей высокочастотной энергии.
