18. Пробой газообразных диэлектриков. Закон Пашена. Пробой газов в неоднородном электрическом поле.

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 n свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по на­правлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля

W = e•λ•E, (5.2)

где е — заряд электрона;

λ. — 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 λ).

Если в момент столкновения электрона с нейтральной молеку­лой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии иониззации Wи данной молекулы (W≥ Wи), то произойдет ее расщепле­те 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 (О2) до 15,8 (N2) эВ. Ниже приводятся значения энергии однократной ионизации некоторых молекулярных газов:

Химический N2 Н2 СО2 СН4 СО Н2О С2Н6 О2 NH3 NO2 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 (2n) электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. Если в момент их «соударения» с молекулами W > Wи, то образуются четыре свободных электрона, при последующем акте — 8, затем 16 и т.д. В направлении анода со скоростью, примерно равной (1— 3)•10⁶м/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 W электрона окажется меньше, чем Wи 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 квант

A──────────→B C──────────────────────────────→Д

Рис. 5.2. Схематическое изображение электронной лавины (АБ) и образования электроотрицательного стримера (СД) при пробое газа энергии в виде фотона. Фотоны, двигаясь со скоростью на два по­рядка большей (сф ~ 3•10⁸ 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 Wи. Этот процесс на­зывается фотоионизацией. Если энергия фотона окажется меньше Wи 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 Wи, 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 Iкз,.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя. Б зависимосnи от величины Iкз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.

Рис. 5.3. Схематическое изображение образования газоразрядногоплазменного канала

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

Закон Пашена. Закон Пашена показывает зависимость Unp газо­образных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.6). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp.мин в зависимости от произве­дения Ph. Для газов, состоящих из двух- и многоатомных молекул, U (пр.мин) лежит в пределах от 280 В (Н2) до 420 В (СО2). На частоте 50 Гц у неионизированного воздуха в однородном электрическом поле Uпр.мин ~ 326 В. У инертных газов (газов, состоящих из одноатомных молекул) Uпр.ми,, ниже, чем у газов из многоатомных молекул (напри­мер, у чистого аргона Unp мин ≈195 В, а у аргона с примесью паров на­трия ~ 95 В, у неона с парами натрия ~ 85 В). Поэтому для снижения Uпр,мин инертных газов, используемых в газоразрядных приборах, электроды изготавливают (или хотя бы их покрывают) из металлов с присадками щелочных или щелочноземельных металлов, обладаю­щих малой работой выхода электронов.

В неоднородном электрическом поле общий вид зависимости электрической прочности газов от давления Р, расстояния между электродами h, произведения Ph (закон Пашена), частоты напряже­ния/и химического состава сохраняется таким же, что и в однород­ном электрическом поле. Однако в неоднородном электрическом поле пробой газов наступает при более низком значении напряжен­ности поля, и чем больше неоднородность поля, тем ниже электри­ческая прочность газов.

Неоднородное электрическое поле возникает между электродами типа стержень-плоскость, стержень-стержень, между шаровыми электродами при h/r >1, между проводами, линейным проводом и землей, на заостренных краях, заусенцах и т.п. На практике мы чаще встречаемся с неоднородным электрическим полем.

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коpонный разряд или корона, являющийся неполным пробоем. Корона возникает при Uк, которое ниже, чем Unp ( Uk < Unp), вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических кpаях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого све­чения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или по-трескиванием). С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой и затем при достаточной мощности источника напряжения — в дуго­вой разряд.

В случае электродов типа стер­жень—плоскость, создающих резко неодно­родное поле, Uпр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим — при отрицательной поляр­ности стержня (рис. 5.8). Объясняется это следующим. Как

Рис. 5.8. Зависимость про- бивного напряжения U воздуха от расстояния h

между электродами (поле неоднородное)

Отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует ко- ронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея болышую (в ~ 1000 раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд. Образо­вавшийся около острия электрода объемный положительный заряд по-разному влияет на величину Um воздушно­го промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положитель­ный потенциал, то объемный положительный заряд приведет к уве­личению напряженности поля во внешней области короны, и пробой произойдет при более низком значении Uпp. Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный за­ряд уменьшит напряженность поля во внешней области короны, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении Unp. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты на­пряжения) различие между значениями Unp в зависимости от поляр­ности стержня уменьшается. Величина Uпр при пробое газа при вы­соких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) значительно ниже, чем Uпр при постоянном на­пряжении или напряжении промышленной частоты В неоднородных полях с увеличением влажности воздуха

про­бивное напряжение Unp возрастает. Это можно объяснить повышен­ной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение" возрастает. Прибли­женно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза Unp при частоте 50 Гц возрастает на 10%.