2.2. Условия пробоя в вакууме

Пробой - возникновение между основными электродами электрического разряда с резко падающей вольтамперной характеристикой

Быстрое нарастание разрядного тока сопровождается резким снижением напряжения на электродах. Для возникновения и существования такого разряда в вакууме необходимо образование на одном из электродов интенсивного источника заряженных частиц – эктона. Эктоны возникают в результате микровзрыва на поверхности электрода (взрывная эмиссия).

После образования эктона происходит развитие искрового вакуумного разряда. На этой стадии необходимо создать условия для генерации достаточно интенсивной плазмы, которая затем заполняет межэлектродный зазор. Такие условия обеспечиваются в результате воздействия приложенного напряжения. Так с ростом тока разряда начинается циклический процесс самоподдержания эктонов и их размножения. В результате образуются катодные пятна, которые можно определить, как групповую совокупность эктонов. Катодные пятна обеспечивают необходимую для поддержания разряда плотность заряженных частиц. После заполнения вакуумного промежутка плазмой разряд переходит в дуговую стадию.

Таким образом, для зажигания вакуумной дуги необходимо выполнение двух условий: возбуждение первичного эктона на катоде и достаточно большой ток разряда, который обеспечивает генерирование новых эктонов.

Такие условия реализуются при пробое вакуумного промежутка с заданным расстоянием между электродами; при сближении или разведении металлических электродов; при возбуждении искрового разряда путем пробоя между управляющим электродом и основным электродом (как правило, по поверхности диэлектрической вставки); при воздействии мощного лазерного импульса на поверхность одного из основных электродов; а также вследствие удара микрочастиц об электроды или под воздействием плазмы внешнего источника на катодную поверхность.[11]

Рис. 2.5.Пояснительный рисунок к теме условия пробоя в вакууме

Взрывная электронная эмиссия (микровзрывы)— электронная эмиссия с поверхности металла при его переходе из твёрдой фазы в газообразную (плазму) в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера. Это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получать плотность тока величиной 10⁹А/см², и потоки электронов мощностью — 10¹³ Вт.

Для инициирования взрывной электронной эмиссии необходимо создание на поверхности эмиттера фазового перехода металл-плазма, который являлся бы источником тока, поддерживающего этот переход. Такой переход может быть создан путём организации микровзрывов. Ток автоэлектронной эмиссии разогревает электроны в микрообъёме металла за счёт эффекта Ноттингема. Эффект Ноттингема - выделение тепла на катоде при автоэлектронной эмиссии и поглощение тепла при термоэлектронной эмиссии, обусловленные разницей между ср. энергией электронов, подходящих к поверхности катода и покидающих его. Разогретые электроны передают свою тепловую энергию решётке благодаря электрон-фононному взаимодействию. В результате происходит микровзрыв и образование так называемого катодного факела, состоящего из плазмы и испарившихся паров металла. Образовавшаяся плазма начинает расширяться и переходит на стержневой промежуток.

Величина тока искрового разряда в отсутствие магнитного поля и без учёта релятивистских эффектов определяется выражением

где B — некая константа, U — разность потенциалов между фронтом образовавшейся плазмы и анодом, d — расстояние между электродами, vt — радиус плазменного сгустка, t — время. F(x) — функция, определяемая геометрией межэлектродного промежутка, в простейшем случае функция F(x) является линейной функцией своего аргумента.

Если ток насыщения достаточно велик (около 10 А), то через некоторое время режим насыщения сменяется неустойчивым режимом, сопровождающийся хаотическими всплесками тока. В этом режиме переход электронов из катода в плазму определяется термоавтоэлектронной эмиссией, вызванной электростатическим полем на границе эмиттер-плазма. Это поле начинает увеличиваться, и при достижении им величины порядка 10⁸ В/см происходит ещё один взрыв. Если же ток насыщения мал (около 1 А), то после фазы насыщения происходит обрыв тока.

В настоящее время нашла признание нестационарная, циклическая модель процессов в катодном специалистов пятне вакуумной дуги [1]. За время 10^-9- 10^-8с в объемах на поверхности катода с линейными размерами 10^-5- 10^-4см. происходит бурное выделение энергии со скоростью10¹²- 10¹³ Дж с^-1 г^-1. Этот процесс сопровождается эрозией катода со скоростью истечения массы 10⁸- 10⁹А см^-2 в электрическом эквиваленте и прохождением электрического тока с плотностью 10⁸- 10⁹ А/см^-2. Продукты эрозии в результате взрывной эмиссии превращаются в прикатодную плазму. Совокупность описанных выше явлений носит кратковременный характер. В результате эрозии линейные размеры области локализации тока увеличиваются, плотность тока и скорость выделения энергии падают, процесс прекращается. Согласно принятой терминологии, имело место возникновение и функционирование центра взрывной эмиссии или эктона. Для поддержания условий существования дуги необходимо образование нового, повторного эктона и так далее. На данный момент нет устоявшегося мнения относительно механизмов доставки и концентрации энергии на катоде в количестве, достаточном для образования центра взрывной эмиссии. Физическая модель образования центра взрывной эмиссии.

Рис. 2.6. Рисунки с микроостриями и кратером на катоде

Появление искрового разряда необходимого для образования дуги часто связанно с пробоем между катодом и управляющим электродом.

Обычно поверхностный пробой диэлектрика происходит при значительно меньшей напряженности, чем пробой через толщу диэлектрика. Это явление иногда называют поверхностным разрядом. [1]

Рис. 2.7. Поверхностный пробой

1 - точки приложения испытательного напряжения,

2 - диэлектрик, 3 - пути токов утечки

Искровая инициация вакуумной дугой используется в различных устройства, в том числе и коммутаторах. Идея поджига состоит в том, что при помощи внешнего маломощного импульса образуется первичный эктон, а затем с использованием электрического поля между основными электродами создаются условия самоподдержания эктонного процесса. Следует иметь ввиду, что не вся энергия импульса идет на образование эктона, часть расходуется на другие процессы: нагрев плазмы, излучение, бомбардировка катода. Также, с другой стороны, энергия внешнего электрического поля идет на образование первичного эктона.

Наличие диэлектрика в вакуумном промежутке существенно влияет на процесс разряда. При медленном подъеме напряжения предразрядный ток состоит из двух компонент: стационарной и импульсной, обусловленной развитием микроразрадов в межэлектродном промежутке, в случае РВУ, это промежуток между управляющим электродом и катодом. Иногда на поверхности изолятора появляются светящиеся области, из которых происходит интенсивное газовыделение. При последующем увеличении напряжения вдоль изолятора проскакивают искры, переходящие затем в дугу. В предразрядной фазе происходит зарядка диэлектрика положительным зарядом.

Сравнивая феноменологию скользящего разряда с пробоем между металлическими электродами в вакууме, можно видеть, что внесение диэлектрика в вакуумный зазор приводит к резкому снижению электрической прочности промежутка. Это связанно с таких явлений как: усиление поля в зазоре металл-диэлектрик, зарядка диэлектрика в результате бомбардировки электронами и десорбции газа с изолятора. Усиление поля наблюдается в результате невозможности идеального контакте, а части соприкасаются лишь выступами.

Микроразряды на поверхности диэлектрика появляются при значениях напряжения меньше пробивных, а стационарная компонента тока обусловлена зарядкой поверхности диэлектрика. При подачи напряжения на промежуток, опять повторюсь, управляющего электрода и катода электроны частично попадают на изолятор; при коэффициенте вторичной эмиссии диэлектрика больше единицы, место бомбардировки заряжается положительно, что усиливает притяжение частиц. В результате чего происходит перераспределение потенциала на поверхности диэлектрика.

Появление микроразрядов на поверхности диэлектрика в вакууме связано не с полного приложенного напряжения, а с локальными напряженностями поля в промежутке. Также можно считать явление микроразрядов примером не самоподдерживающихся эктонов, которые, напомню, необходимы для поддержания дугового разряда.

Также хотелось бы отметить, что при воздействие на диэлектрик импульсного напряжения перекрытие наступает не сразу, а после некоторого времени запаздывания t3, которое зависит от различных материалов.

Одним из возможных пробоев является разрушение диэлектрика. Этот тип пробоев не свойственен для РВУ и не будет рассмотрен в данной работе. Следует отметить то, что разрушение диэлектрика не гарантирует 100% пробой.

По полученным результатам входе работы [15] в спектре разряда в вакууме наблюдались частица как металла, так и диэлектрика.

Г.А. Месяц приводил следующие три возможных механизма появления эктонов в случае вакуума с диэлектриком:

• Высокое электрическое поле в зазоре металл-диэлектрик способствует появлению эктонов на катоде под действием тока АЭЭ

• Взрывы микроучастков катода в тройной точке, что обусловлено взаимодействием плазмы с катодом или под влиянием токов объемного заряда

• Перемыкание плазмой промежутка между катодом и анодом (управляющим электродом)