Пробій вакууму

Основні труднощі при поясненні пробою вакууму полягають у тім, що в проміжку відсутня речовина й первинні процеси неможливі. Під час відсутності процесу збільшення кількості носіїв ріст струму при зростанні напруги, прикладеної до проміжку, обумовлений тільки ростом інтенсивності ініціюючих процесів, основним з яких у цьому випадку є холодна емісія електронів з катода. При ретельній обробці й тренуванні електродів вакуумний проміжок довжиною 1 мм може витримувати напругу понад 100 кВ, пропускаючи значний струм без переходу до нестаціонарного режиму.

У перших теоріях пробою вакууму автори намагалися обійтися без первинних процесів. Згідно цих, так званих обмінних теорій, ініціюючі електрони, прискорені електричним полем у вакуумному проміжку до великих енергій, вибивали з анода позитивні іони. Ці іони, потрапляючи на катод, вибивали нові електрони, забезпечуючи, таким чином, зворотний позитивний зв'язок. Щоб описаний процес став таким, що сам підтримується, а потім і нестаціонарним, потрібно забезпечити вихід вторинних електронів більше одиниці на один ініціюючий електрон. Однак, експеримент дає величину виходу менше 10^-3 , що спростовує обмінні теорії.

У сучасних теоріях пробою вакууму основний наголос робиться на механізмі появи у вакуумному проміжку розрідженого газу в результаті десорбції забруднень із поверхні електродів або випаровування матеріалу анода при нагріванні електронними пучками, а також при відриві макрочастинок від анода, прискорення їх в електричному полі й ударі об поверхню катода. Поява розрідженого газу в проміжку дозволяє додати в схему пробою ударну іонізацію як первинний процес. Роль вторинного процесу грає іонно-електронна емісія. В той же час, можна констатувати, що теорія вакуумного пробою далека від завершення.

До основних емпіричних фактів, що повинні бути враховані при побудові теорії пробою відносяться наступні: малий час формування пробою, який у ряді випадків складає одиниці наносекунд, розвиток розряду з катода, перенесення матеріалу анода на катод, ефект повної напруги, тобто відсутність прямої пропорційності між довжиною міжелектродного проміжку й величиною пробивної напруги.

На пробивну напругу вакуумного проміжку дуже впливає також мікрогеометрія проміжку (рис. 7).

Рис. 7. Залежність пробивної напруги вакуумного проміжку

від площі електродів з різною мікрогеометрією.

Зі збільшенням чистоти поверхні U_np (розшифровка) зростає. Збільшення площі електродів приводить до зниження U_np в результаті збільшення числа активних центрів. Максимальна U_np спостерігається, коли анод має форму вістря. Коли катод є вістрям, U_np трохи нижча, ніж при аноді-вістрі, але вища, ніж для проміжку площина-площина.

Величина U_np вакуумного проміжку збільшується з його довжиною d відповідно до емпіричної залежності.

U_np =cd^0.5+0.6 ???

Приблизно така ж залежність, але трохи нелінійніша, має місце при пробої вакууму уздовж поверхні діелектрика. На розвиток пробою в цьому випадку дуже впливає руйнування діелектрика автоемітованими електронами, внаслідок якого погіршується вакуум у проміжку.

Перехід від початкової стадії вакуумного пробою до дуги, за сучасними уявленнями, пов'язаний із процесами на катоді, що забезпечують достатню щільність плазми. Цими процесами можуть бути вибухи мікровістер? або запалювання дуги між неметалічними домішками й катодом з випаровуванням металу. При горінні дуги спостерігається ерозія катода, особливо сильна, коли катодна пляма дуги, що завжди перебуває в русі, переміщується повільно. При цьому іноді спостерігається викид швидких (v~10⁶ см/с) струменів металу.

Вторинні процеси, що приводять до переходу вакуумного розряду в дугу ті ж, що й у розріджених газах, і будуть розглянуті нижче.