1-3. Экспериментальная аппаратура и методика измерения характеристик объемных зарядов
Экспериментальная установка для измерения тока положительных и отрицательных ионов, образующихся в разрядном промежутке, представляет собой замкнутую систему, в которой с помощью центробежного вентилятора создается циркулирующий поток воздуха. Схема установки показана на рис. 1-4. Центробежный вентилятор В встроен в установку. Ось вентилятора соединялась с внешним мотором М, поэтому загрязнения и ионы, образующиеся при работе мотора, не проникали внутрь установки. Воздух направлялся специальной насадкой поперек разрядного промежутка, захватывал частично ионы, образованные в нем, и направлял их через отверстия в электростатическом экране на коллектор.
Рис. 1-4. Схема экспериментальной установки для измерения характеристик объемных зарядов в разрядном промежутке шар—плоскость перед пробоем
Коллектор ионов К представляет собой полированный стержень диаметром 5 мм и длиной 100 мм, расположенный по оси цилиндра Ц диаметром 20 мм. Напряжение между цилиндром и коллектором подавалось от батареи Б и могло изменяться от 0 до ±100 В. Коллектор крепился на изоляторе из фторопласта и подсоединялся ко входу электрометра Э типа У5-9 через Т-образный фильтр высокой частоты, состоящий из двух резисторов и R2 по 50 МОм, один из которых размещался около коллектора, а второй — на входе электрометра. Соединяющий их экранированный провод с фторопластовой изоляцией служил емкостью С. При соединении коллектора с электрометром был применен также метод двойной изоляции, что исключало возможность наводок высокочастотного напряжения.
Генератор высокой частоты (ГВЧ) обеспечивал напряжение до 10—15 кВ на частотах от 50 кГц до 10 МГц. Напряжение изменялось плавно и стабилизировалось электронной схемой в заданной точке [12]. Сменой катушек индуктивности колебательного контура задавались фиксированные частоты. Для уменьшения модуляции напряжения частотой 50 Гц принимались дополнительные меры. В частности, питание цепей накала ламп осуществлялось постоянным напряжением. Форма напряжения контролировалась непрерывно с помощью электронного осциллографа.
Разрядный промежуток состоял из заземленной на корпус установки плоскости П с отверстиями, через которые пропускался свет от ртутно-кварцевой лампы УФЛ и высокопотенциального электрода — шара Ш, соединенного с выходом ГВЧ.
Непосредственно к высокопотенциальному электроду присоединялась установка для измерения напряжения (ИН). Стрелками на рис. 1-4 показано направление воздушного потока.
В экспериментах по исследованию электрического разряда в газах при высоких частотах и, в частности, электрического пробоя, важным моментом является измерение напряжения высокой частоты, приложенного к разрядному промежутку. Главные требования, предъявляемые к измерительному прибору, в этом случае следующие: точность измерения; малое влияние подключения прибора на работу генератора.
В практике экспериментальной работы получили распространение измерения напряжения высокой частоты. Кратко обсудим каждый из них.
- Непосредственное измерение действующего значения напряжения с помощью электростатического вольтметра (С-50, С-100, С-96, С-196 и др.).
Прибор присоединяется возможно более коротким отрезком провода к той точке, где необходимо измерить напряжение. Положительные стороны этого способа состоят в его удобстве, так как не нужно никаких дополнительных устройств и приспособлений для измерений, и сравнительно небольшом влиянии на настройку выходного контура генератора на частотах до 1 МГц.
К недостаткам нужно отнести сравнительно небольшую точность измерения (1,5—2,0%) и уменьшение точности показаний с ростом частоты напряжения.
С ростом частоты (выше 1 МГц) начинает сказываться влияние самой емкости прибора (например, 12 пФ для С-196), которая существенно шунтирует контур, а также изменение этой емкости с изменением напряжения. Этот недостаток становится особенно ощутимым при высоком качестве выходного контура (острый резонанс) и ограниченной мощности генератора (100—200 Вт).
Если учесть специфику экспериментальной работы по измерению напряжений электрического пробоя газа, когда процессы в газе определяются именно амплитудным значением напряжения, а не его действующим значением, то при непосредственном измерении могут быть допущены ошибки, если напряжение высокой частоты промодулировано (например, вследствие плохой фильтрации в выпрямителе питания или по другим причинам). В этом случае амплитудное значение напряжения не будет равно √2U, где U — показание электростатического прибора.
- Непосредственное измерение амплитудного (наибольшего, пикового) значения напряжения высокой частоты. Измерения производятся с помощью диодного пикового вольтметра по схеме рис. 1-5,а. Анод диода D соединяется возможно более коротким проводником с точкой 1, где измеряется потенциал.
Рис. 1-5. Схемы измерения амплитудного значения ВЧ напряжения
Диод D пропускает ток в одном направлении и заряжает конденсатор С во время положительного полупериода. Во время следующего отрицательного полупериода конденсатор разряжается на резистор R. Если RC≥ Т/2 и Rвн≤R, где Т — период колебания и Rвн — внутреннее сопротивление диода, то по окончании переходного процесса конденсатор заряжается до наибольшего (пикового) значения напряжения. После этого диодный вольтметр представляет собой емкость несколько меньшую проходной емкости диода (2—5 пФ в зависимости от типа диода), которая подключена к точке, где измеряется напряжение.
Преимущества этого способа по сравнению с предыдущим состоят в следующем:
- несколько меньшее влияние измерительной аппаратуры на настройку выходного контура вследствие меньшей входной емкости;
- независимость емкости, вносимой измерительным комплексом в контур от измеряемого напряжения;
- непосредственное измерение наибольшего значения напряжения на разрядном промежутке;
- возможность увеличения точности измерений напряжения;
- независимость точности показаний прибора от частоты.
Наибольший интерес представляет возможность увеличения точности измерения, поэтому остановимся на этом подробнее.
После диода на конденсаторе С измеряется постоянное напряжение, а прибору измерения постоянного напряжения существенно более точны, чем приборы непосредственного измерения напряжения высокой частоты.
Конечно, если в качестве вольтметра V на рис. 1-5 взять тот же вольтметр С-196, то выигрыша в точности измерений почти не получится. Но если использовать эталонный делитель напряжения, состоящий из резисторов R1 и R2, и цифровой вольтметр V0 (рис. 1-5,б), то можно получить значительный выигрыш в точности.
Опыт применения этой схемы показал, что точность измерения напряжения может быть увеличена по сравнению с точностью киловольтметра С-196 с 1,5% до 0,5—03%. При этом класс точности резисторов R1 и R2 должен быть не более 0,02%.
Продолжая обсуждение этого вопроса, легко видеть, что и это не является пределом увеличения точности измерения напряжений высокой частоты. Если использовать высокочастотный источник высокого напряжения, например, UT-1 и использовать схему компенсации (рис. 1-5,в), то точность измерения определяется точностью стабилизатора, применяемого в качестве опорного источника (для UT-1 - 0,05%).
Вольтметр V1 является индикатором нуля и напряжение стабилизатора UT-1 подбирается таким, чтобы показания свелись к нулю.
Измерения с помощью схемы рис. 1-5,в на практике очень сложны и утомительны, как и вообще при использовании компенсационных методов. Они, однако, необходимы в случае градуировки или в случае особо точных проверочных экспериментов.
Измерения по схеме рис. 1-5,в могут оказаться вообще невозможными, если не приняты особые меры по стабилизации напряжения высокой частоты на выходе генератора. Так, случайные изменения напряжения электросети, вызывающие небольшие изменения напряжения высокой частоты, заставляют стрелку прибора непрерывно колебаться и компенсацию установить невозможно.
Если измеряемое напряжение не превышает 8 кВ, то можно пользоваться диодами типов 1Ц7С, 1Ц11П; до 10 кВ можно применить диод Ag-1006. Для напряжений больших 10 кВ можно применить рентгеновские кенотроны, например, КРМ125. Кенотрон ЗЦ22С нельзя применять для частот больших примерно 100 кГц, так как у него разрушается стекло около вывода анода, вероятно, вследствие неравномерного разогрева в поле высокой частоты.
3. Использование емкостного делителя напряжения. В случае, когда измеряемое напряжение выходит за пределы измерения вольтметра V (рис. 1-5,а) или, когда емкость, вносимая диодом, оказывается недопустимо большой, можно применить емкостной делитель и измерять напряжение по схеме, показанной на рис. 1-5,г. Здесь C1 — конденсатор емкостью 0,1—1 пФ, С2 — проходная емкость диода и емкость монтажа величиной 5—10 пФ, R1 — высокоомный резистор для разрядки конденсаторов С1 и С2 от постоянного потенциала.
Точки 1 и 2 предполагаются замкнутыми по постоянному току (например, при измерении напряжения на катушке индуктивности выходного контура генератора).
Рис. 1-6. Разрез вдоль оси емкостного делителя типа «двойной изолятор»
В установившемся режиме, как было показано выше, пиковый вольтметр представляет собой емкость С2, последовательно подключенную с C1. В точке «а» имеется переменное напряжение
. (1-1)
где Uа — напряжение, измеряемое вольтметром (рис. 1-5,г), U — напряжение между точками 1 и 2,
— коэффициент деления.
Как и у перечисленных выше у этого метода есть свои положительные стороны и недостатки.
К положительным качествам необходимо отнести:
- существенно меньшую емкость, вносимую в контур измерительным прибором, и меньшее влияние на работу генератора;
- облегченный режим работы диода.
Одним из недостатков является большая трудность сохранения постоянства коэффициента деления в работе. Дело в том, что емкость в доли пФ — это просто емкость небольшого электрода около точки, в которой необходимо измерять напряжение. Наличие или отсутствие около этого места других проводящих предметов, небольшое изменение формы и размеров промежутка может существенно повлиять на значение С1, а значит, на коэффициент деления К.
Такие же рассуждения можно провести относительно С2. Это значит, что случайные перемещения кенотрона также могут повлиять на коэффициент К.
Выход из положения может быть найден путем тщательной экранировки элементов С1, С2, R, D схемы рис. 1-5,г. Удачным примером такой экранировки является специально изготовленный «двойной изолятор», на котором крепится высокопотенциальный электрод разрядного промежутка. На рис. 1-6 показан разрез вдоль оси электрода: а — цилиндр из листового металла, вставленный внутрь изолятора; б — тело изолятора; в — тело стенки разрядной камеры; г — электрод. Емкость цилиндра и центрального электрода есть С1. Емкость цилиндра и стенки камеры — часть емкости С2 за вычетом проходной емкости диода D. Цилиндр электрически подсоединяется коротким проводником к аноду диода (к точке «а», рис. 1-5,г).
Сам диод D крепится вдоль неподвижной стенки и тщательно экранируется. Здесь решается проблема независимости коэффициента К от перемещений центрального электрода и от различных деталей, помещенных внутрь разрядной камеры.
Из сказанного можно сделать вывод, что в опытах по измерению напряжения пробоя целесообразно применять метод непосредственного измерения пикового значения высокой частоты. Но в отдельных случаях, когда не требуется большой точности или напряжения слишком велики, возможно применение и других методов.
