5.2. 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 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 газоразрядного плазменного 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.