8. Пробой газообразных диэлектриков.

Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воз­духа.

В результате воздействия внешнего ионизирующего излучения воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электриче­ского поля эти заряженные частицы дополнительно приобретают на­правленное движение. Важная роль при пробое, особенно в началь­ной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы (см. гл. 3.1). Кроме того, при электронной ударной ионизации (см.ниже) отщепляемый от мо­лекулы электрон отталкивается от нее ионизирующим электроном, облегчая условие ионизации.

В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следую­щему. Свободный электрон (обычно это п свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по на­правлению к аноду, приобретает добавочную энергию W> равную для однородного поля

W=e*лямда*E, (5.2)

где е — заряд электрона; лямда — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напря­женность электрического поля (фактически это градиент потенциала поля на участке X).

Если в момент столкновения электрона с нейтральной молеку­лой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии ио­низации Щ данной молекулы (W> W„), то произойдет ее расщепле­ние на положительный ион и электрон, т.е. произойдет электронная ударная ионизация. Значения энергии однократной ионизации ато­мов химических элементов лежат в относительно широких пределах: от 3,86 (Cs) до 24,58 (Не) эВ, у молекулярных газов — в более узких пределах, а у основных воздухообразующих газов в еще более узких пределах: от 12,5 (0₂) до 15,8 (N₂) эВ. Ниже приводятся значения энергии однократной ионизации некоторых молекулярных газов:

Химический N₂ Н₂ С0₂ СН₄ СО Н₂0 С₂Н₆ 0₂ NH₃ N0₂ NO состав газа

Энергия

ионизации, эВ 15.8 15,8 14,4 14,5 14,1 13,0 12,8 12,5 11,2 11 9,5

Энергия ионизации с каждым последующим электроном, отры­ваемым от молекулы (атома), возрастает, особенно значительно при переходе на последующий электронный слой (см.гл.1.4). Поэтому энергетически выгоден однократный акт ионизации молекулы (ато­ма), а не многократный.

После первого акта электронной ударной ионизации уже два (2п) электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. Если в момент их «соударения» с молекулами W > И^_и, то образуются четыре свободных электрона, при последующем акте — 8, затем 16 и т.д. В направлении анода со скоростью, примерно равной (1—3)-10⁶ м/с, начнет прорастать электронная лавина аналогично снежной лавине с гор (рис. 5.2, АБ). Электронная ударная ионизация для каждого газо­образного диэлектрика начинается при определенной напряженно­сти поля, величина которой зависит от давления, температуры и час­тоты напряжения. Эта напряженность поля называется начальной напряженностью.

Кроме электронной ударной ионизации, важная роль при пробое принадлежит фотоионизации. Если при соударении электрона с мо­лекулой Wэлектрона окажется меньше, чем (Ю данной молекулы, то она не ионизирует. Получив добавочную энергию W, молекула пере­ходит в возбужденное состояние (один из ее валентных электронов перейдет на более высокий энергетический уровень). Это состояние молекулы неустойчивое, и,спустя примерно 10"⁸ с, электрон возвра­тится на прежний энергетический уровень, а молекула излучит квантэнергии в виде фотона. Фотоны, двигаясь со скоростью на два по­рядка большей (с_ф « 3* 10^s м/с), чем электронные лавины, значитель­но опережают последние. «Столкнувшись» с нейтральной молеку­лой, фотон ее ионизирует, если энергия, приобретенная молекулой, будет больше или равна ее энергии ионизации W_u. Этот процесс на­зывается фотоионизацией. Если энергия фотона окажется меньше W_u молекулы, то фотоионизации не произойдет. Получив энергию фо­тона, молекула перейдет в возбужденное состояние. В следующий момент молекула возвратится в нормальное состояние, излучив фо­тон. Этот процесс может повториться многократно, пока фотон не поглотится молекулой воздуха, имеющей W_M9 равную или меньшую энергии фотона.

Образовавшийся в результате фотоионизации электрон, двигаясь к аноду и сталкиваясь с нейтральной молекулой, ионизирует ее, по­рождая новую, «дочернюю» лавину, находящуюся далеко впереди ос­новной лавины (см. рис. 5.2). Фотоны, испускаемые лавинами, дале­ко вперед обгоняя их, зарождают все новые и новые дочерние лавины. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, до­гоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое (см. рис. 5.2, СД). При этом если электронные лавины распространя­ются прямолинейно, то стример — зигзагообразно.

Одновременно с ростом электроотрицательного стримера начина­ет образовываться поток из положительных ионов, концентрация ко­торых особенно велика вблизи анода. Положительные ионы движутся в обратном направлении, образуя электроположительный стример (рис. 5.3), который перекрывает пространство между анодом и ка­тодом. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее элек­троны — «вторичные» электроны. Происходит холодная эмиссия элек­тронов из катода (см. гл. 12.3.2), Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в резуль­тате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращает­ся в сквозной канал газоразрядной плазмы. Электропроводность этого канала очень высока, и по нему устремляется ток короткого замы­кания /_ю.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть пробой газов. Возникновение — следствие пробоя. В зависимости от величины /_кз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.

Из вышесказанного, следует, что электрическая прочность газо­образных диэлектриков зависит от значений W_u и W_y при этом W, приобретаемая электронами под действием поля, в свою очередь, за­висит от Е и X (см. формулу (5.2)). Чем больше энергия ионизации W_H молекул диэлектрика и меньше средняя длина свободного пробе­га электрона X, тем выше электрическая прочность. Значения Ж_и и X зависят от природы диэлектрика, а X, кроме того, и от его состояния (температуры, давления). Поэтому введение в состав молекул газо­образных диэлектриков атомов электроотрицательных элементов (F, С1) приводит к возрастанию Ж_и газа, а увеличение давления и сни­жение температуры — к уменьшению X; Е_пр газа при этом возрастает.