Isolationsmessungen an Hochspannungs-Elektronenröhren

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Beim Einfahren, oder auch während des Betriebes von Hochspannungselektronenröhren können unerwünschte elektrische Entladungsvorgänge zwischen den Elektroden stattfinden. Die Entladungen können durch das Vakuum, oder entlang von Isolationsstrecken erfolgen. Es ist oft sehr hilfreich etwas über den auslösenden Mechanismus zu erfahren, um ihn gegebenenfalls abzustellen.

Durch Messung des Emissionsstromes als Funktion der angelegten Spannung und Eintragen in das sogenannte Fowler-Nordheim-Diagramm kann z.B. ein Isolationsfehler auf einer Keramik leicht erkannt werden.

Im Fowler-Nordheim-Diagramm ist das logarithmierte Strom-Spannungsquadrat-Verhältniss als Funktion des Kehrwertes der Spannung dargestellt.

\(lg {I \over U^2} = f({1 \over U})\)


Thermische Emission

Damit aus einer Metalloberfläche Elektronen austreten können, muss die materialspezifische Austrittsarbeit überwunden werden. Das kann beispielsweise durch Erhöhung der Temperatur erreicht werden. Die Emission ist sehr stark von der Temperatur und der Stärke eines äußeren elektrischen Feldes abhängig.


Feldemission

Durch das Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die Metalloberfläche (in der Größenordnung 107V/cm) kann bereits bei Raumtemperatur ein merklicher Elektronenstrom austreten.

Die Ursache dieses sog. Feldemissionsstromes liegt in der starken Verformung des Potenzialverlaufes an der Metalloberfläche aufgrund des äußeren elektrischen Feldes. Wenn der Potenzialberg durch Erhöhung der Feldstärke hinreichend schmal gemacht wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen ihn „durchtunneln“ können und aus dem Material austreten. Die Stromdichte J bei Feldemission ergibt sich aus der von Fowler und Nordheim entwickelten Gleichung in Zahlenwertschreibweise zu\[J=1,54*10^{-6}{E^2 \over \phi}*e^{-6,9*10^7{\phi 3/2 \over E}*v(E, \phi)}[A/cm^2] \]

E Feldstärke in V/cm

Φ Austrittsarbeit in V

v(E,Φ) Korrekturfaktor in der Größenordnung von 1


Formt man die vorstehende Feldemissions-Beziehung derart um, dass das E2 von der rechten Gleichungsseite auf die linke wandert und logarithmiert sie anschließend, dann erhält man\[lg {J \over E^2} = lg \Big( 1,54*10^{-6}* {1 \over \phi} \Big)-6,9*10^7 \phi^{3/2}*{1 \over E}\]

\(lg{J \over E^2}= C_1 - C_2 * {1 \over E}\)


Stellt man die Gleichung grafisch dar, indem man lg J/E2 als Funktion von 1/E aufträgt, so erhält man bei reiner Feldemission eine Gerade mit negativer Steigung. Die sog. Fowler-Nordheim-Gerade.

Andere Emissionsarten nehmen in dieser graphischen Darstellung einen anderen Verlauf. Prinzipiell kann aus der Steigung der Geraden die Austrittsarbeit bestimmt werden, um so auf den Ort der unerwünschten Emission schließen zu können. Jedoch sind dazu äußerst saubere Bedingungen notwendig.


Praktische Anwendung

In der Praxis erhält man schon ab elektrischen Feldstärken von ca. 105 V/cm einen messbaren Feldemissionsstrom. Der Grund liegt an Unregelmäßigkeiten der Oberfläche, die die Feldstärke örtlich stark heraufsetzt oder an adsorbierten Schichten, die zu einer Erniedrigung der Austrittsarbeit führen. Bei unerwünschten Fehlströmen zwischen Elekroden ist es meist nicht möglich, eine genaue Aussage über die Größe der Feldstärke an der Metalloberfläche zu machen. Gut messbar sind jedoch Strom und Spannung. Deshalb nimmt man eine Strom-Spannungs-Charakteristik auf und stellt lg I/U2 als Funktion von 1/U im Fowler-Nordheim-Diagramm dar.


Beispiele 1

1000-MOhm-Widerstand im Fowler-Nordheim-Diagramm

Messdaten-Tabelle

U I 1 / U I / U
[kV] [µA] [1 / kV *10³] [nA / kV²]
64,00 64,00 15,63 15,63
62,00 62,00 16,13 16,13
60,00 60,00 16,67 16,67
58,00 58,00 17,24 17,24
56,00 56,00 17,86 17,86
54,00 54,00 18,52 18,52
52,00 52,00 19,23 19,23
50,00 50,00 20,00 20,00
48,00 48,00 20,83 20,83
46,00 46,00 21,74 21,74
44,00 44,00 22,73 22,73
42,00 42,00 23,81 23,81
40,00 40,00 25,00 25,00


Hochspannungs-Elektronenröhren.bmp




Beispiel 2:


Klystron mit Feldemission aufgrund von aufgedampften und teilweise abgeblätterten Bariumpartikeln

Klystrontyp: Philips YK-1304, S/N 5201.04

Messstrecke: Kathode gegen Modulations-Anode mit Body

Messdaten-Tabelle


U I 1 / U I / U
[kV] [µA] [1 / kV *10³] [nA / kV²]
64,00 840,00 15,63 205,08
62,00 630,00 16,13 163,89
60,00 480,00 16,67 133,33
58,00 370,00 17,24 109,99
56,00 270,00 17,86 86,10
54,00 180,00 18,52 61,73
52,00 140,00 19,23 51,78
50,00 100,00 20,00 40,00
48,00 70,00 20,83 30,38
46,00 50,00 21,74 23,63
44,00 30,00 22,73 15,50
42,00 15,00 23,81 8,50
40,00 10,00 25,00 6,25


Hochspannungs-Elektronenröhren 1.bmp