高压加速管内的真空放电试验

高压加速管内的真空放电试验。李民熙庄耀宗(上海原子核研究所)主题词：真空试验、高电压，气体放电、粒子加速器内容提要：串列加速器的加速管在正式使用以前，必须对工艺段进行单只瓷环的放电试验和整个工艺段的电压试验．从而观察加速管内部的陶瓷环表面闪络，场致发射放电和微放电现象．以便找出它们与工艺段设计、制造和清洁处理之间的关系．在第二部分介绍了试验结果并进行了分析．通过试验和分析认为在加速管的设计，制造和光阑的清洁处理中应当作到如下四点：1．陶瓷—钛之间的焊缝必须平艇，严防有明显的凸出和缺陷；2．外电极内侧，内电极边缘必须尽量修圆，电极表面不能有任何机械擦伤；3．光阑表面必须高度清1占，防止有机物污染；4．真空烘烤对提高加速管的微放电电压阈值有明显效果。一、引贡上海原子核所正在建造的6毫伏串列加速器的加速管工艺段如图1所示。工艺段由95氧化铝陶瓷和钛电极焊接而成。高196毫米，瓷环外径200毫米，光阑孔径25毫米，材料为钛。每个工艺段在加速器上的工作电压为250千伏。有关加速管的详细说明在以前已有介绍(1)。在加速管正式使用前，我们对工艺段进行了单只瓷环的电压试验和整个工艺段的电压试验，以观察加速管内部的陶瓷环表面闪络。场致发射放电和微放电，找出它们与工艺段设计，制造和清洁处理之间的关系。电压试验使用两台直流高压电源。一台为200千伏的油浸式全波整流电源，用于单环电压试验。另一台为600千伏，3千周的高压倍增器，用于整个工艺段的电压试验。试验在梯三高"(高电压、高气压，高真空)试验台图l加速管工艺段1．光刚2．上进行。高压钢筒内径为500毫米。加速管内部抽至高真空，9s氧化铝瓷环；3．外电视d．内电极抽气泵为工CW一350钛泵机组。加速管外部充以16公斤／厘米。的高压气体(75％N。+25％CO。)。单环试验时，各被测瓷环间的切换用专用装置在钢筒外面进行。600千伏电源试验装置示意图如图2所示。电源装在钢筒内部。加速管外部装有保护环和均压电阻。钢筒的观察窗外侧装有用来测量x射线的+40毫米X40毫米的NaI晶体探头。二，试验结果及分析1．陶瓷环表面闪铬。1986年6月收到，1986年8月收到修改稿一l一瓷环表面的真空闪络是加速管单环试验时的主要放电形式。许多研究者认为，绝缘子真空表面闪络是由二次电子发勺·／、；岗吁竹的：：，3，‘)。由于绝缘子表面二次电子发射系回：大于1，冈而在绝缘子上施加电压后立即产生衷面电荷，并闲电极—绝缘子—真串：二敢连结处不断发o．1．电子，而引起绝缘子表而的二次电子发产；F予峁?”1电子丰丰绝当子的表面时，会解nq出气休云。平；千崩电子的作闸下，部分气体云全被电离，由此旰产生的正离子的积储会使绝缘子阴极端处的电场进——垮增强，从而进一步增强了电子发射和气体解喂。这佯的过程迅吨导致击穿的发牛，使得存较低的施加电压下有较高的引起击穿的几牢。根抑这个忙型，加速管寅窄表面闪络电压与焊缝和瓷环的表而状况有关。对闲活性法焊按下：艺j州”I／1勺加速管段的电压汫验结果表明。在初次试验寸声牢闪终平均起始电医为31干伏[1)。飞采刚嘎，／帅、牧焊的工艺时，这个电压可达55干伏以。1：。闸这两种下艺制作的管段，其单环真空闪络电压均有较好的锻炼效应，一般能在1小时内达到80千伏。 tiJcw-3；u钛象帆组谣自动记录仪图2600千伏高压直流电源示意图1．中频变压器；2．高压硅堆；3，高匝电容器：4．测量电阻：5．Nailing；6．限流电阻；7．加速管：8．分压电阻；9．保护环根据焊缝的情况不难解释上面的试验结果。活性法工艺是依靠焊料熔化后与电极和瓷环的相互浸润来达到真空气密封接的，其焊缝饱满，但焊料会在瓷环内壁形哎轴向细微毛刺。这些毛刺的存在会使电场产生畸变，并导致较低的起始放电电压。经过电压锻炼后，这些毛刺变圆，耐压性能也随之提高。压力扩散焊工艺是依靠焊料(铝箔)在高温高压下向电极和瓷环端面相互扩散夹达到真空气密封接的。焊接过程中焊料不熔化，因而可避免轴向毛刺，从而有较高的表面闪络起始电压。但如果焊缝不够饱满，有缺陷，就会诱发放电，在80千伏下会出现偶然的不稳定打火。如果焊料向真空侧凸出较多，也会引起起始电压的严重下降，在试制过程中，有的工艺段曾低到15千伏左右。2．场致发射，场致发射是在外电场作别下金属表面的电子通过隧道效应逸出金属而引起的(如图3所示)。只有当外电场E≥3X10。伏·米—’时，这类发射才有可能[d)。但是，即使是宏观上光滑的电极表面在显微镜下也是粗糙不平的，电极表面的各种微突出会引起电场增强，电极表面的杂质也会引起电场增强，因而总的电场因子可以达到50—300(s，6)。因此，只要宏观电场达到10‘伏／厘米数量级就会产生场致发射。在加速管内，宏观电场也是不均匀的。在屏蔽电极内孔边缘A点(图1)有最大场强，相对于加速管有效绝缘长度土：的乎均电压梯度有一增强因子，廾近似公式为[7)芦巴=1+0．38(5S。／r。)o．66／工十于口巳<10)式中5。为加速管的电极间隔，r。为电极边缘曲率半径。我们加速管的5。=]．6厘米，ro=0．025—2一厘米，日巳=18，其日巳值已超出公式应用范围，但可看出，上。电极边缘加工中的问题也可以加剧A点的电场增强。当加速管装上内电极(图4)后，由于内电极耳朵的凸出，也必然会造成电场增强。以一典型工艺段为例，当内部未装内电极时，各环电压性能较好，平均起始打火电压60干伏，经锻炼后全部达到80千伏时无放电、无泄漏电流，在锻炼过程中也无泄漏电流。但装上内电极(酸洗后立即安装)后性能明显变坏(表1)，且当拆去内电极后，性能进一步恶化(见表2)。扩散焊工艺制成的工艺段在试验中有较好的重复性。在性能良好的工艺段上，将内电极拆装多次(最后拆下)的试验·町得到表2所列的类似结果。如果将工艺段重新进行超声清洗，工艺片性能可完全恢复。图4加速管内电极最大场强已超过平均场强的10倍以图3场政发射机制示意图另外，用活性法工艺制成的工艺段(瓷环内侧有倒角，扩散焊工艺的管子因工艺需要，需将倒角磨去)，在装上内电极后，性能基本不恶化，在被试的两只工艺段的18只瓷环中仅有两只环在80千伏时分别有1．5微安和4微安的泄漏电流，但拆去内电极后性能下降就较严重。从以上试验结果来看，造成工艺段性能恶化的原因显然是内电极的耳朵凸出和装拆内电极时外电极的机械损伤。它们都会因电场增强而导致场致发射，那些泄漏电流便是场致发射的产物。麦1装上内电极后工艺段单环试验情况(共试8环)I环起始泄漏的电(1：锻羹实尽器的1so：：F夸谴铲(微安)(微安)(未达到80千伏)0O2010O0表2拆下内电极后工艺段单环试验情况环序起始泄漏的电压锻炼中出现的最大泄漏’(干伏)：(微安)614；8；干伏经锻炼后的泄漏(微安)01d717“8820为了改善加速管的电压性能，我们对内电极的耳朵进行了精加工，使其边缘尽量圆而一3一篛¨¨123U02U0¨53 i一扼 i¨的 i帅 m帅序一：04 cQ+。6：，8光，经清洗后装入工艺段内进行试验，其试验结果见表3、表4。与表1、表2所列数据相比较，其性能有明显改善。襄3装上修整内电极后工艺段单环试验情况环起始泄漏的电压!锻炼中出现的；8u干伏经锻炼· i最大泄漏，后的泄漏序(干伏)：(微安)；(微安)；●，————；——．-——一——-——．-—-———————1；(无泄漏)， o o280：0．50．53；80)1；0．546：1405(无泄漏) o0．50．57(无泄漏)； o； o5；8；70；1；0．59：(无泄漏)] o o10(无泄漏)． o； o表4拆下修整内电极后工艺段单环试验情况(共试9环)*产*msaq‘；*蚕实煮器。i。。居夸杂*二j三竺—l竺——l丛2；80 f13．1s3[80，4114：80；1；1 s，(无泄漏)： o： o卜 ao， o·5 r0．5：；，无：漏， j‘。：；：11：场致发射为何会引起比较稳定的泄漏电流，这个问题可从三方面进行分析。第一，典型的泄漏电流随电压的变化如表5所示，这显然不符合场致发射标准公式，即福勒一诺海姆(Fowlcr—Nordhaim)公式(6)： lg(下I／z……)=—／．Q亡1飞dpt；兰y)dzA8)—．丛831xlOgy(y)!：i式中I为发射电流，y=-3·795苎岩二：√E—，丫(y)和[(y)均是y的函数(8)，V为施加电压， d为极间距离，A为发射面积，日为场增强因子，中为逸出功。所以，·这个电流不是场致发射电流。·第二，在实验中发现，这个电流是从小到大缓慢上升的(往往需几分钟才到达较稳定的数值)，因而造成这种泄漏的直接条件并不是一开始就存在的，而是逐渐积累而成的。第三，在加速管内部暴露大气后，约有一半的瓷环(特别是泄漏较小的瓷环)，这种泄漏会自行消失。基于这三种现象，我们对形成此种泄漏的原因提出一个假设：当电极片存在电场突变而出现场致发射后，在电极片上会引起溅射，使瓷环内侧逐渐出现微量金属污染，在高电压作用下便产生越来越严重的泄漏电流。一旦暴露大气，这种金属会被氧化而生成绝缘物质，泄漏一4一表5泄漏电流随电压的变化1·电压(千伏)[—一————一：—一——一—；—一—；一———一—一——-一-；一——一———．—————————一—-———-电流(微安)；12．4118．864．231．40．010．01电流就可能自行消失。活性法制成的工艺段由于瓷环内侧的倒角，使这种污染)F1易连续，因而也不易产生泄漏电流。这个假设还有待于在试验中进一步得到证实。在整个工艺段的电压试验中，也观察到了场致发射现象(见下节)。3．微放电真空中电极之间的微放电是一种正、负离子交换的连锁反应(6，9)，产生微放电的电压阈值与电极表面的污染状况有强烈的依赖关系(10)。当加速管内产生微放电时，在钢筒观察窗外的NaI晶体探头上应测到强烈的x射线脉冲，并且管内的真空压力应有很大的升高。而在场致发射时，只产生x射线脉冲，而没有明显的真空压力升高。为了准确地测定加速管的微放电的电压阈值，我们在工艺段的两端均装上无中心孔的光阑，使微放电限制在这个工艺段中。我们主要对光阑电极不同表面状况下微放电的电压阈值作了测量。测量结果见表60用手摸光阑电极，由于手的洁净程度不同，光阑受有机污染的程度也不同。如用不洁净的手触摸时，光阑上可以看到有明显的痕迹，如将手先用肥皂洗净再用热风吹干，则光阑上看不出明显污染，但两种光阑的微放电电压阈值均在100千伏左右，只是在产生微放电时x射线强度和真空压力的上升程度有所不同，前者比后者激烈得多。表7列出了经过300℃连续烘烤48小时后的光阑微放电试验结果。微放电的电压阈值可达460干伏，但在此之前有多次场致发射脉冲，说明在较低的平均电场下在加速管内已经能够发生场致发射。这与理论预测相吻合。对于有机污染严重的光阑，在发生微放电时最大瞬时真空压力可从10“帕上升到1，2X10—。帕，最大x射线记数(6秒)可达次。表6光阑电极不同表面状态下微放电的电压阐值光阑表面状态酸洗后经中和，漂洗，脱水，吹干对上述光阑用手摸过·；--_；；；；；；；；；---P；圈田尸；；；；；--；；；；；-；----；-；；--；；；酸洗后在空气中搁置一年，rn酒精擦洗微放电电医阈值(千伏)340'-P；●；-P'-哪-；；，--_-；--；--；酸洗后装入工艺段，真空烘烤48小时，300℃：460—5一网状结构，进一步降低C，和C：的作用。·9为离子收集极，要求对其规内外的引线都要严格地屏蔽，以防调制信号和其它信号的干扰。10为平行叶片，用0．2毫米厚的不锈钢片制成。相邻两叶片加以不同极性电位，形成横向电场，以阻止干扰的带电粒子和光子的进入。这种结构具有较大的流导，其气体动力学时间常数约100微秒。(b)规的特点本规采用了调制法和平行叶片加纵横交叉电场的屏蔽，具有很强的抗干扰能力，适于在等离子体附近工作。由于采用平行配置的电极系统，使电场与磁场平行，减小了磁场对规性能特性的影响，适于在强磁场下工作。规一面开口，可测定向流密度。其缺点是结构复杂，自身出气敏感。(c)性能特性研究(1)各极电参数6．2000’2500：，B：6高a)图7外壳、准直孔、收集极屏蔽盒，收集极等都接地。阴极为+25伏，反射极为—435伏。调制栅加一矩形波脉冲电压，辐值为+204伏，频率为10千赫。加速栅为+175伏与内壳等电位。(2)灵敏度在无磁场时，工作在上述电参数中，灵敏度为0．278帕+。在磁场不等于。时，灵敏度随磁场的增大而增大，逐渐地达到饱和，饱和后再不随磁场变化(图7)。灵敏度K在10—，帕至10—叫白范围内成线性。如果要扩展此规的下限。可在收集极前增加一抑制极。(4)反应时间规的气体动力学反应时间常数据由(7)式算出，约等于100微秒。盂乙需雾霱罢薯等蔽是消除调制信号对收集极信号干扰的关键，在电极设计、装架、芯柱结构等方面必须给予仔细的考虑。_9----；`--；；，；；----'----；，；；；；；；；；；；；；；P--；；；；；`-；；；---P；--÷；；-；；；；；；；'；；；；；`-；；；；；；--，；；-----(上接第6页)滘；兰iller：三C．s二EE邑El-：5(198：o)4191nsul主苫。：三二之‘主兰：二or(1981)do乙(1981)77(6)胡汉泉等，真空科学与技术，2(1983)153(7)Charte，[onP．A。，NIM200，(1984)75(8)LsffertyJ．M．，VacuumArcs，(1980池0(9)MckiⅡbenJ．L．，Phys．Rev¨ s2(1951)315．[L0)JoyT¨PrOc3rdIntef．COnf．OnEIectrostaticAcceleraturTechn01．，(1981)87一土8一

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