Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

2.6. Отступления от закона Пашена

Часто наблюдаются отступления от закона Пашена, или, иначе го-

воря, наблюдаются нарушения закона подобия газового разряда. При-

чины такого отступления могут быть различными. Рассмотрим особенности пробоя газа при высоких давлениях и пробой вакуума.

2.6.1. Пробой газов при высоких давлениях

В случае однородного и слабонеоднородного полей при давлении газа в десятки атмосфер отклонения от закона подобия газового разряда выражаются в замедлении роста пробивного напряжения с увеличением давления. На рис. 2.7 и 2.8 приведены зависимости, соответственно, пробивного напряжения и электрической прочности азота от давления при разных межэлектродных расстояниях. Можно отметить следующие характерные особенности. Начиная с некоторого давления, рост Unp и Enp практически прекращается с ростом давления, причем

это граничное давление тем меньше, чем меньше межэлектродное расстояние. Так, из рис. 2.7 видно, что при d =100 мкм и Р =80 атм ( Pd = 0.8 атм см) Unp =14 кВ, а при d = 200 мкм и P = 40 атм (также

Pd = 0.8 атм см) Unp =17.5 кВ.

Вторая интересная характерная черта состоит в том, что при давлениях в десятки атмосфер электрическая прочность

приближается к значению 108 В/м. При этом вблизи неровностей и шероховатостей, которые всегда имеются на поверхности электродов, напря-женность поля может

даже достигать значения 109 В/м.

Если эти неровности расположены на катоде, то за счет этого может наблюдаться значительное возрастание плотности то-

ка автоэлектронной эмиссии.

Вопрос о механизме пробоя газов при высоких давлениях, подробно исследовался и обсуждался советскими учеными Д.И. Блохинцевым, Б.М. Вулом и Я.М. Парнасом. Они также отмечают такие факты, наблюдаемые экспериментально, что при высоких давлениях газа про-

37

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

бивное напряжение после 20÷30 предварительных пробоев возрастает, а затем практически не зависит от числа пробоев. Это объяснялось тем, что предварительные пробои уничтожают наиболее грубые шероховатости. Пробивное напряжение практически не зависит от материала катода и материала анода (платина, медь, алюминий, железо, сталь).

При рассмотрении механизма пробоя авторы обсуждают роль автоэлектронной эмиссии с шероховатостей, расположенных на катоде. Принимая шероховатость на электродах в форме вытянутого эллип-

пример, при bR = 0.2 1q =10 , а при bR = 0.15 1q =17.9.

В случае низких давлений газа, когда ионизационный пробег электрона λ =1α значительно превосходит R , усиление тока вблизи эл-

вблизи электродов, что, естественно, в теории Таунсенда не учитывалось, где принималось однородное электрическое поле во всем проме-

жутке. В результате качественного рассмотрения получено, что dUdРпр

уменьшается с ростом давления.

В случае учета автоэлектронной эмиссии принимается, что коэффициент ударной ионизации и скорость ионов одинаковы по всей дли-

38

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

не межэлектродного промежутка. Критерий пробоя вытекает из следующего соображения. При некотором очень небольшом росте напряжения плотность тока автоэлектронной эмиссии очень сильно возрастает, что и может привести к пробою.

Отсюда условие пробоя dUdj = 0 , где j – плотность тока. Так, при

Enp =1.4 108 В/м напряженность поля на катоде составляет

2.5 109 В/м. При напряженности поля такого порядка плотность тока автоэлектронной эмиссии очень велика и может достигать такого зна-

чения, как 108 А/см2. В работах В.И. Попкова, В.И. Левитова и их сотрудников приводятся дополнительные данные по пробою сжатых газов (азот, воздух, элегаз). При давлениях в десятки атмосфер отмечалось отклонение от закона подобия. При этом в случае однородного поля пробивное напряжение не зависело от материала анода, но зависело от материала катода. Пробивное напряжение возрастало при замене материала катода в следующем порядке: дюралюминий, нержавеющая сталь, хромированная латунь. В случае коаксиальных цилиндров

при Rr ≥ 2 (R и r – радиусы большего и меньшего цилиндров) пробив-

ное напряжение зависит от материала меньшего цилиндра, и только тогда, когда этот цилиндр является катодом. При отрицательном большом цилиндре в исследованном диапазоне давлений вообще не обнаружено отклонения от закона подобия. Приведенные данные могут быть объяснены только с учетом автоэлектронной эмиссии с катода. Следует сделать замечание о зависимости пробивного напряжения от материала катода при пробое сжатых газов, когда нарушается закон подобия. Можно считать доказанным, что отклонение от закона подобия связано с автоэлектронной эмиссией с бугорков, расположенных на катоде. Однако при этом пробивное напряжение не всегда должно зависеть от материала катода, так как эмиссия с поверхности бугорка определяется не только материалом катода, но и наличием на нем окисной пленки, снижающей работу выхода, формой и размером бугорков, оседанием на катод пылинок и других примесей, содержащихся в газе. Соблюсти одинаковыми указанные условия на катоде при использовании различных материалов очень трудно, если вообще возможно. Отсюда очевидно, что зависимость пробивного напряжения от материала катода не всегда может получиться такой, какая следовала бы из сравнения работ выхода исследованных материалов.

На рис. 2.9 представлены зависимости пробивного напряжения углекислоты от давления в поле электродов игла-сфера при положительной полярности иглы. Подобные зависимости наблюдаются только в

39

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

электроотрицательных газах, что позволяет привлекать для объяснения полученной закономерности пробоя наличие отрицательных ионов, образовавшихся за счет захвата электронов электроотрицательными молекулами.

Заряд отрицательных ионов компенсирует в определенной степени поле, создаваемое положительными ионами, возникшими около электрода-острия в результате ударной ионизации. Поэтому наличие отрицательного объемного заряда ведет к повышению пробивного напряжения. Однако при некотором давлении, как считается, отрицательный объемный заряд распадается, и пробивное напряжение падает

с дальнейшим ростом давления, что и обуславливает наблюдаемый максимум пробивного напряжения.

Подтверждением правильности такого объяснения являются результаты пробоя на импульсном напряжении, когда отрицательные ионы образуются в меньшем количестве. При этом получено, что максимум пробивного напряжения в зависимости от давления выражен слабее, а величина пробивного напряжения в области давлений, соответствующих максимуму Unp , ниже, чем при пробое на по-

стоянном или переменном напряжениях.

2.6.2. Пробой вакуума

Как уже указывалось, для левой ветви кривой Пашена характерно возрастание пробивного напряжения с уменьшением произведения Рd .

Однако при вакууме 10−5 мм рт.ст. и более глубоком напряженность

поля до пробоя достигает величины порядка 108 В/м. При такой напряженности поля разыгрывается ряд процессов, не связанных, по крайней мере первоначально, с ударной ионизацией и приводящих к пробою вакуумного промежутка. Поэтому дальнейшее разряжение не приводит к увеличению пробивного напряжения. Следует отметить, что по настоящее время не имеется единого представления о механизме пробоя вакуума. Это связано как с недостаточной изученностью этого явления, так и с многообразием происходящих процессов, определяющим из которых может явиться тот или иной процесс в зависимости от условий опыта. В связи с этим целесообразно вначале рассмотреть некоторые экспериментальные данные по пробою вакуума, а затем – основные существующие представления об этом явлении.

40

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

Можно указать следующие основные экспериментально установленные закономерности пробоя.

1. Установлено, что еще до пробоя вакуумного промежутка существуют электронные токи. Хотя средняя напряженность поля составля-

ет 108 В/м, но около поверхности микроострий, имеющихся на катоде,

поле может достигать величины 109 В/м, при которой может быть значительной плотность тока автоэлектронной эмиссии. Существенная роль автоэлектронной эмиссии с катода подтверждается и тем, что пробивное напряжение возрастает с увеличением работы выхода катода и имеет более низкое значение при отрицательной полярности острия в случае пробоя в неоднородном поле.

2. Экспериментально установлено, что при изменении разряжения

от 10−5 до 10−9 мм рт.ст. пробивное напряжение практически не изменяется. Это показывает, что, по крайней мере, первоначальные процессы не связаны с ударной ионизацией остаточного газа. Однако наличие паров масла (например, при откачке диффузионным насосом) увеличивает разброс в пробивном напряжении. Это подтвердили данные опытов Л.В. Тарасовой и В.Г. Калинина для вакуумного промежутка 1 мм со стальными электродами при использовании трех различных вакуумных установок. В первом случае использовалась установка, где полу-

чался вакуум 3 10−5 мм рт.ст. с помощью диффузионного насоса без вымораживания паров масла. Пробивное напряжение лежало в пределах 20÷96 кВ. Во втором случае использовалась установка, где

получался вакуум (3 ÷5) 10−6 мм рт.ст. с помощью диффузионного насоса с охлаждаемой ловушкой. Пробивные напряжения составили 50÷96 кВ. В третьем случае использовалась установка, где получался вакуум 3 10−9 мм рт.ст. ртутным и сорбционным насосами. Пробивное напряжение в этом случае имело наименьший разброс (70÷98 кВ.).

Видимо, пары масла оседают на электродах, разлагаются при бомбардировке электронами и ионами, выходящими из электродов, с образованием углерода, частицы которого, как и других материалов, могут принимать участие в пробое, что указывается в следующем пункте.

3.Наличие твердых частиц на поверхности электродов может существенно снизить пробивное напряжение. Частицы могут отрываться от электродов и инициировать пробой.

4.Механическое упрочнение электродов ведет к увеличению пробивного напряжения. Путем закалки электродов удавалось повысить пробивное напряжение в 1.8 раза. Можно полагать, что под действием бомбардирующих электроды частиц происходит частичное разрушение электродов, отрыв новых частиц, инициирующих пробой.

41

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

5.Пробивное напряжение возрастает при тренировке электродов в тлеющем разряде или регулярными пробоями. Видимо, при такой тренировке убираются посторонние частицы с электродов, сглаживаются неровности на катоде, с которых происходила эмиссия электронов.

6.Пробивное напряжение в однородном поле подчиняется уравнению U np = а d , где коэффициент а разный для различных условий

пробоя, но в среднем составляет 0.6÷0.7. Отсюда видно, что электрическая прочность Enp уменьшается с увеличением межэлектродного про-

межутка, что видно также из табл. 2.5.

Укажем, основные представления о механизме пробоя вакуума. 1. Раскачка электронного тока за счет бомбардировки катода ио-

нами и квантами света. Первоначальные электроны, вырванные из катода сильным электрическим полем, ускоряются в последнем и, не испытывая столкновений, набирают энергию qU , где U – приложенное

к промежутку напряжение. Эти электроны при ударе об анод выбивают положительные ионы и обусловливают появление излучения в диапазоне от ультрафиолета до рентгеновского. Ионы и кванты излучения, приходя на поверхность катода, выбивают новые электроны.

Если обозначить А и С как число ионов и фотонов, образуемых при ударе об анод одним электроном, а В и D – число электронов, выбиваемых с поверхности катода при воздействии, соответственно, одного иона и одного фотона, то условие стационарного процесса запишется АВ+СD=1. При АВ+СD>1 процесс будет усиливающимся, и в конце концов электронный ток вызовет пробой промежутка. В этой теории не учитываются вторичные процессы, такие как пролет частичек материала электродов, их испарение и др.

2.Пробой в газовой атмосфере, образующийся за счет вторичных процессов. За счет бомбардировки электродов электронами и ионами в межэлектродном промежутке могут появиться абсорбированные газы или пары материала электродов за счет испарения и распыления. В этой газовой атмосфере и зажигается разряд.

3.Отрыв от электродов крупных частиц. На поверхности электродов могут иметься крупинки, или они могут возникнуть за счет бомбардировки электродов заряженными частицами. Оторвавшись от электрода и имея определенный заряд, эти крупинки движутся ко второму электроду и ударяются об его поверхность. При этом крупинки и

42

Часть I. Глава 2.Теория пробоя Таунсенда

область сильной деформации электрода могут испаряться. В возникшей газовой атмосфере происходит пробой.

Уже при скорости крупинки 1÷10 м/с удар получается неупругим и сопровождается переходом кинетической энергии в тепловую. Чем выше скорость частицы, тем сильнее происходит испарение, быстрее образуется газовая атмосфера и тем, соответственно, меньше время разряда. Однако этот механизм не объясняет пробой вакуума в микросекундном диапазоне времени и более коротком.

4. Электростатическое воздействие поля на поверхность электрода. За счет действия электрического поля на поверхности электродов появляются бугорки, что удавалось наблюдать. Расчеты показывают, что появление бугорков должно происходить на графитовом катоде

при напряженности поля порядка 2 108 В/м, а на стальном катоде –

при 10 108 В/м. Эксперимент дает более низкие значения полей. Эту несогласованность можно объяснить наличием в металле нарушений, а также высокой температурой, обусловленной бомбардировкой электродов электронами или ионами. Однако в случае положительного

острия напряженность поля при пробое составляет 6 108 В/м, т.е. близка к теоретической величине. Появившиеся бугорки на поверхности катода способствуют усилению автоэлектронной эмиссии, а также могут оторваться от электрода и обусловить пробой по механизму, описанному в предыдущем пункте.

5. Наносекундный пробой. Используя электронно-оптический преобразователь, удалось четко проследить стадии развития разряда в наносекундном диапазоне. При подаче на вакуумный промежуток импульса напряжения с наносекундным фронтом вначале появляются световые вспышки у поверхности катода. Расчеты показывают, что при имеющих место электрических полях микроострие, расположенное на катоде, может испариться.

Вспышки около поверхности катода связываются с разрядом в парах испаренного микроострия. Затем наблюдается продвижение этих вспышек к аноду, что связывается с диффузией паров. Против этих вспышек появляются вспышки на поверхности анода, которые вскоре становятся значительно ярче, чем катодные вспышки, и распространяются к катоду, при достижении которого происходит пробой. Появление вспышек, на поверхности анода связывается с разрядом в парах материала анода. Испарение анода обусловлено электронным током, эмитированным с поверхности разряда, распространявшегося от катода (взрывная эмиссия).

43