電真空器件中的高壓擊穿現象分析

真空電子技術 王鳳蘭 錦州華光電子管有限公司

  為適應當今社會科學技術飛速發展的需求,用戶對各種電子設備和系統的關鍵元件之一———電真空器件的可靠性要求也日益提高。其中,電真空器件在使用過程中高壓加不上去(即高壓跳閘)是影響真空器件可靠性的重要因素。此外,電真空器件的高壓跳閘,對設備的正常運行會造成嚴重的危害。故對于怎樣保證電子產品在高壓下可靠地運行,已經成為迫切需要解決的問題。為此本文著重介紹電真空器件的跳閘與擊穿的機理、在使用過程中造成高壓擊穿的原因。

1、電真空器件的高壓擊穿

  1.1、電真空器件高壓擊穿的類型

  當加在電真空器件上的電壓超過某個值之后會發生跳火或高壓擊穿的現象,即高壓加不上、跳閘、跳火。所謂跳火就是在電極之間迸發出一定色彩的電火花,類似放電,在跳火的同時還能聽到放電的聲音,這種聲音是由于跳火瞬間放氣形成的。跳火放出的氣體通常會很快被電極及管內其他吸氣材料吸收。如果在電極間形成的電流密度很大的等離子體放電,這就是所謂的擊穿。

  電真空器件的高壓擊穿一般可分為三種類型:①電真空器件內的電極之間產生的擊穿,這種擊穿稱為真空擊穿;②沿著電極之間的絕緣體擊穿;③通過電極之間的絕緣體內部的擊穿。

  1.2、真空擊穿機理

  真空擊穿與其他各種絕緣介質的擊穿一樣,必須滿足兩個條件:其一是在電極間隙或電極表面必須有適當的起始電子或離子的來源。其二是必須有一些倍增機理,使帶電粒子在所加電場的作用下能增加數目,以導致電流的增長。

  目前關于真空擊穿機理有以下三種情況:

  (1)真空擊穿起因于陰極表面的場致發射,陰極表面的突出部位引起陰極表面局部電場增強,當達到某一值時引起這些突起部位表面的場致發射。當突起部位發射電流,密度達到某個值后,陰極的這個局部區域由于電流流通引起的電阻加熱作用,造成陰極材料的蒸發。當蒸發的粒子在電極間隙內所造成的蒸氣壓達到133.3×10-3 Pa時,即能引起弧光放電。如果陰極突起部位場致發射的高密度的電子流轟擊陽極表面的局部區域,而引起陽極局部區域過熱,使得陽極材料蒸發和電離,在電極間形成電弧。

  (2)在電場的作用下,電極表面粘附的自由微粒(如灰塵、各種金屬顆粒等),這些微粒離開電極時帶有與電極符號相同的電荷,在電場的加速下以足夠高的能量轟擊對面極性相反的電極,引起被轟擊極的局部區域溫度升高,使電極材料產生顯著的蒸發,或者帶電微粒在轟擊電極時微粒本身溫度劇增,引起微粒材料本身蒸發,產生擊穿所必須的蒸氣密度。另一個因素是因為電極表面的原子在電場的作用下被極化,使電極表層處于受拉伸的狀態,當出現任何外來因素,例如自由粒子或電子、離子的轟擊等等,會使電極表面層個別的金屬微粒塊從電極表面脫離出去,成為引起擊穿的微粒。

  (3)認為真空擊穿的機理在于陽極和陰極之間產生的載流體繁殖的連鎖反應。任何偶然產生的粒子,例如陰極表面上被電場作用而產生的負離子或陰極表面場致發射的電子相應地轟擊極性相反的電極,引起次級發射(離子或電子),當次級極間發射所產生的離子和電子數目大于最初入射的帶電粒子數目時,就能很快在極間形成雪崩式的巨大數量的載流體,導致擊穿。

2、造成高壓上不去(即擊穿)的原因

  對用戶返回的高壓加不上、跳閘的各種產品共解剖五十只。從解剖的現象分析看,造成高壓加不上的主要原因如下:極間間隙距離和電極形狀變形;電極表面有毛刺;絕緣件污染;管內真空度不好。

  從圖1可以看出,中間的一只FU-433S型電子管陽極擊穿的原因是由于陰極變形使極間間隙變小,造成電子流轟擊陽極表面的局部區域,致使陽極局部溫度升高導致陽極擊穿。而從陽極外表面看到有一個很小的小圓孔,而陽極內表面有類似漏斗形狀如同火山噴口似的凹坑,對應的柵極有一圓形的熔洞,對應熔洞的陰極有一明顯的突起部位。兩邊的兩只FU-433S型電子管是由于冷卻效果不良造成陽極燒熔,這種管子從陽極外表面看有很大面積的燒熔痕跡,陽極內表面有銅熔化的現象,沒有明顯的電子擊傷點,而絕大多數的柵極絲沒有對應的電子擊穿痕跡。

FU-433S型電子管陽極燒熔實例照片

圖1 FU-433S型電子管陽極燒熔實例照片

3、防止高壓加不上采取的措施

  根據多年來用戶的使用情況,為防止高壓加不上、陽極擊穿應做如下幾項工作:

  (1)裝機后應檢查冷卻系統,如水流量是否在規定范圍內,如FU-433S型電子管是否在90kg/min以上,在電子管工作過程中隨時測量進、出水口溫差,FU-433S型電子管冷卻水的進、出口溫度差要小于10℃。

  (2)新的振蕩管及長期擱置的振蕩管在使用前必須作老煉處理。老煉方法如下(以FU-433S型電子管為例):作老煉試驗時應把高壓保險絲換小,把高壓整流器接成半波整流的形式,陽極電壓從3kV~7kV緩慢升高,每提高一個電壓等級應停留20~30min,陽極電壓在7kV時陽極板流為1.2A左右。

  隨后把高壓整流器聯成全波整流線路,陽極電壓逐漸上升到最高。這時應隨時注意振蕩管的陽極電流、陽極電壓,保證電子管的板耗不超過60kW。通過老煉可將真空度不好的電子管的真空度得到恢復。如果在老煉過程中發現管內跳火、電流表讀數迅速上升,甚至發生總電源過流、保險絲熔斷,這時應把陽極電壓降到最低值再逐步提高陽極電壓,一定要注意板耗,防止超過最大板耗而損壞電子管。如果連續多次出現上述現象說明電子管有問題,請與制造廠聯系。

4、結束語

  影響電真空器件高壓擊穿的因素是多方面的,許多因素之間又是相互關聯、相互影響的,特別是目前對擊穿機理認識的遠不夠深入,關于更深的理論還需進一步探討。