Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Королев Ю.Д. и др. Физика диэлектриков.pdf
Скачиваний:
691
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
2.56 Mб
Скачать

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

В настоящее время накопилось достаточно экспериментальных фактов, укладывающихся в представления об электрическом пробое твердых диэлектриков вследствие механизма ударной ионизации электронами. К таким фактам относятся наличие электронных токов в сильных электрических полях, высокая скорость развития разряда, его кристаллографическая направленность, особенности пробоя в однородном и неоднородном электрическом поле и др. Рассмотрим некоторые из этих данных, т.к. ограниченность объема данного пособия не позволяет рассмотреть их подробно.

5.1.Стадии пробоя твердых диэлектриков

В1932 г. Б.М. Вулом было сформулировано определение стадий пробоя твердых диэлектриков. Согласно этому определению следует различать стадию потери диэлектриком электрической прочности и стадию разрушения. Стадия разрушения автоматически следует за стадией потери электрической прочности. Такое разделение процесса электрического пробоя на две стадии было полезно в методологическом отношении, поскольку оно показывало, что основное внимание в первую очередь должно быть уделено изучению стадии потери электрической прочности. Рассмотренные выше теории ЭПТД относятся именно к стадии потери электрической прочности.

Последующие экспериментальные исследования позволили получить более полные представления о стадиях пробоя твердых диэлектриков, которые можно подразделить на стадию формирования разряда, стадию завершения разряда и послепробойную стадию. Каждая из этих стадий характеризуется специфическими электрическими, оптическими, тепловыми и механическими процессами.

Наблюдение каналов неполных разрядов, оптическая регистрация развивающегося разряда показывают, что в стадии формирования разряда имеет место продвижение светящихся разрядов с одного электрода к другому, или с двух электродов навстречу друг другу (в случае электродов острие-острие). Если напряжение, приложенное к образцу, прервать, то в щелочно-галоидном кристалле наблюдаются каналы неполных пробоев.

Экспериментаторы отмечают, что после перемыкания электродов развивающимся разрядом проходит еще 5 нс, прежде чем начинается спад напряжения на образце. В случае развития разряда с обоих элек-

128

Рис. 5.1. Канал пробоя в каменной соли, электроды ост- рие–острие

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

тродов в месте встречи каналов разряда наблюдается наибольшее разрушение (рис. 5.1).

Поскольку головка развивающегося разряда несет заряд того же знака, что и потенциал электрода, с которого развивается разряд, то при встрече двух разрядов должна происходить быстрая рекомбинация зарядов, сопровождающаяся бурным выделением энергии и разрушением диэлектрика.

Н.М. Торбин, впервые наблюдая свечение развивающегося разряда в каменной соли, отмечает, что область свечения совпадает с каналом неполного пробоя, но значительно его превосходит. Края светящейся области излучают интенсивное синее свечение. Эти данные позволяют предполагать, что происходит движение электронов в

перпен-дикулярном к каналу разряда направлении (от канала разряда, развивающегося с отрицательного острия, к каналу разряда, развивающегося с положительного электрода-острия). По спектру это свечение примерно совпадает со свечением, которое наблюдается в тонких слоях (см. ниже). Поэтому можно считать, что в области диэлектрика, значительно превосходящей канал развивающегося разряда, имеется избыточный заряд того же знака, что и потенциал электрода, с которого развивается разряд.

 

На рис. 5.2 показан при боль-

 

шом увеличении

канал

неполного

 

пробоя в каменной соли. Видно, что

 

в пустотелом канале имеются бу-

 

синки

эллипсовидной

 

формы,

 

которые, видимо, получаются в

 

результате

 

 

остывания

 

расплавленного

канала

 

разряда.

 

Стадия формирования

разряда по

 

существу

совпадает

со

стадией

Рис. 5.2. Канал неполного пробоя

потери

диэлектриком

элек-

трической прочности, по определе-

в каменной соли

нию Б.М. Вула.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессы в стадии завершения

129

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

разряда зависят от выделяющейся в канале разряда энергии, которая определяется пробивным напряжением, мощностью источника напряжения и сопротивлением, включенным последовательно с образцом. Внешнее проявление этой стадии пробоя – разрушение образца твердого диэлектрика. Поэтому и в данном случае можно говорить о совпадении со стадией разрушения диэлектрика, по определению Б.М. Вула.

5.2. Развитие разряда в однородном и неоднородном полях в твердых диэлектриках

Как уже указывалось, А.Ф. Вальтер и Л.Д. Инге в 30-х годах наблюдали развитие каналов неполного пробоя в каменной соли. Подавая несколько импульсов напряжения на один и тот же образец, они обнаружили прорастание канала неполного пробоя. По этим данным они оценили скорость разряда, которая составила 107 см/с (если принять

межэлектродное расстояние d =1 см), а время разряда – 10-7 с. В этих опытах не использовался электронный осциллограф, поэтому форма импульса была неизвестна.

В конце 50-х и начале 60-х годов были проведены исследования развития разряда в ЩГК (NaCl и KCl) М.А. Мельниковым и М.Н. Лисецкой на импульсном напряжении прямоугольной формы наносекундной длительности, которое подавалось с импульсного генератора, разработанного Г.А. Воробьевым и Г.А. Месяцем. Для регистрации импульсов применялись высокоскоростные осциллографы. После подачи на образец импульса ограниченной длительности образец просматривался под микроскопом и измерялась длина канала неполного пробоя, которая принималась за длину разряда l p . На основе этих опы-

тов М.А. Мельников и М.Н. Лисецкая установили, что при толщине образцов 0.6 мм и электродах полусфера-плоскость после подачи импульса напряжения один из образцов пробивался, а во втором наблюдался канал неполного пробоя. В случае оловянных электродов разряд развивался с анода по направлениям [110] и [111]. Редкие разряды с катода развивались по направлению [100]. Аналогичные опыты проводились на кристаллах NaCl толщиной 0.2÷0.25 мм с графитовыми электродами. По зависимости lp = f (t) (lp – длина разряда, t – время воз-

действия напряжения) определялась скорость развития разряда с като-

да, которая составила 5 105 см/с. Разряд с катода достигал некоторой максимальной длины lp < d , после чего следовал пробой. Изредка уда-

валось зафиксировать встречные разряды с анода. Редкость наблюдения этих разрядов указывала на их большую скорость развития. И дей-

130

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

ствительно, скорость их развития составляла ориентировочно 5 106 см/с при напряженности поля, равной 1.3 108 В/м.

Позднее подобные опыты были проведены Ю.Н. Вершининым и его сотрудниками в г. Новосибирске при использовании электроннооптического преобразователя (ЭОП), который позволял регистрировать разряд по свечению. При этом оказалось, что ЭОП отмечает не непрерывную световую линию разряда, а чередование видимых и невидимых участков. Видимые участки характеризуются яркими вспышками с диаметром, в несколько раз превышающим диаметр канала неполного пробоя (разряда). Они предположили, что видимые участки канала – это расплавленные участки, образующиеся в результате выделения большой энергии, а невидимые участки – это те, в которых происходит ускорение электронов.

В случае неоднородного поля разряд начинается с электродаострия. Средние скорости развития разряда с отрицательного острия имели порядок 105 см/с, а с положительного острия – около 106 см/с. В системе электродов острие–острие, разряд с положительного острия более длинный, что согласуется с соотношением скоростей развития разряда с катода и анода.

Такой характер развития разряда можно объяснить тем, что развивающийся с электрода-острия разряд, природа которого зависит от полярности электрода-острия, доходит до точки диэлектрика, где напряженность поля недостаточна для дальнейшего развития разряда, и разряд обрывается. На окончании разряда остается заряд того же знака, что и полярность электрода-острия. Последующие разряды, идущие по пути первого, ведут к накоплению заряда и усилению поля, создаваемого этим зарядом. При критическом значении напряженности этого поля происходит разряд по всем направлениям и получается световая вспышка. Накопление заряда с последующими разрядами наблюдается не только в данном случае. Например, облучение твердых диэлектриков интенсивными пучками быстрых электронов также приводит в конечном итоге к электрическим разрядам.

Высокая скорость разряда, развивающегося с положительного электрода-острия или плоскости, а также наблюдение свечения в очень сильных электрических полях дает основание считать, что разряд с анода в твердых диэлектриках является аналогом положительного стримера в газах. Применительно к щелочно-галоидным кристаллам, которые наиболее изучены из всех твердых диэлектриков, развитие положительного стримера в однородном поле представляется следующим. Движение электронной лавины сопровождается ударной ионизацией, излучением света. В ионном кристалле в первую очередь ионизируются анионы (например, в кристалле NaCl ионизируются ионы

131