Загальні відомості про пробій газів

Пробій газів є найбільш вивченим з розглянутих явищ. Кількість публікацій, що стосуються елементарних процесів і закономірностей протікання струму й пробою газів з 1698 року перевищило 10000. Проте до повної ясності в описі газового пробою ще далеко, що пояснюється надзвичайною складністю явища й залежністю закономірностей його протікання від великої кількості факторів. Досить сказати, що дотепер немає єдиної класифікації розрядів у газах. Можна виділити наступні найбільш важливі для електроізоляційної техніки, форми розрядів у газах:

І. Стаціонарні:

– темний (таунсендівский) розряд – виникає при малих тисках газу в рівномірному електричному полі і характеризується слабким світінням, малою величиною струму, відсутністю пульсації струму, малою щільністю об'ємних зарядів;

– коронний розряд – специфічними ознаками якого є виникнення в місцях найбільшої напруженості в різко нерівномірному електричному полі й пов'язана з першою особливістю локалізації – середнього або сильного світіння в безпосередній близькості від електродів, частих імпульсах струму без перекриття проміжку, більшої щільності об'ємних зарядів, які проте не дуже сильно спотворюють поле в проміжку через його нерівномірність;

– тліючий розряд – з високим (сотні вольт) і майже не залежним від величини розрядного струму падінням потенціалу поблизу катода (катодне падіння), порівняно слабким неоднорідним за довжиною проміжку світінням і стаціонарним струмом;

– дуговий розряд – для якого характерна падаюча вольт-амперна характеристика, яскраве світіння, катодне падіння потенціалу, однак значно більш низьке, ніж у тліючому розряді, і порівнянне з потенціалом іонізації газу.

Відзначимо, що в стаціонарному розряді, що можливий лише при постійній напрузі, не змінюються з часом розподіли поля, об'ємних зарядів, температури, інтенсивності елементарних процесів.

3. Нестаціонарні :

– розряди при змінній напрузі низької й високої частот;

– імпульсний розряд при короткочасному прикладенні напруги;

– іскровий розряд, що приводить до короткочасного перекриття розрядного проміжку провідним каналом у вигляді яскраво світної нитки і з'являється після тихого або коронного розряду при підвищенні напруги на проміжку, якщо потужність джерела недостатня для підтримки режиму тліючого або дугового розряду. Іскровий розряд, що розвивається за поверхнею діелектрика, часто виділяють в особливу форму й називають ковзним? розрядом.

Для повного пробою газового проміжку при плавному підйомі напруги розряд повинен пройти кілька стадій розвитку. В однорідному полі ці стадії проходять в наступному порядку: тихий лавинний розряд - тліючий розряд - дуга, а в неоднорідному: лавинна корона - стримерна корона - іскровий розряд - дуга. Залежно від конфігурації поля, довжини проміжку, тиску газу й потужності джерела окремі стадії розвитку пробою можуть бути відсутніми, вірніше умови в проміжку можуть не забезпечувати стаціонарного характеру цих форм розряду.

Загальне уявлення про пробій газу в проміжку з рівномірним полем дає узагальнена вольт-амперна характеристика газового розряду (рис. 8).

1 – несамостійний; 2 – тихий; 3 - коронний, іскровий; 4 – тліючий; 5 - аномальний тліючий; 6,7 – дуговий.

Рис. 8. Узагальнена вольт-амперна характеристика газового розряду:

На цій характеристиці є дві ділянки з негативною диференціальною провідністю: один при переході від тихого розряду до тліючого, інший - від аномального тліючого до дугового. Таким чином, при відповідному обмеженні струму газовий проміжок може бути пробитий "двічі", причому остаточний пробій пов'язаний з переходом до дуги.

Залежно від форми й матеріалу електродів і характеристик газу протікання струму в газовому проміжку і його пробої можуть бути обумовлені різним сполученням наступних елементарних процесів:

1 – іонізація космічними променями,;

2 – автоелектронна емісія;

З – термоемісія електронів;

4 – ударна іонізація електронами;

5 – термічна іонізація й дисоціація молекул газу;

6 – фотоемісія електронів з катода;

7 – вторинна іонно-електронна емісія;

8 – кінетичне вибивання електронів з катода нестабільними або нейтральними частками з великою швидкістю;

9 – іонізація молекул позитивними іонами;

10 – хімічні процеси;

11 – просторова фотоіонізація самим розрядом;

12 – вторинне зіткнення метастабілей?.

На протікання пробою в більшій або меншій мері можуть впливати об'ємні заряди, прилипання?, рекомбінація й дифузія.

До числа ініціюючих процесів при звичайних умовах відносяться іонізація космічним випромінюванням й автоелектронна емісія. Іонізація космічними променями спостерігається завжди, автоелектронна емісія тільки в полях високої напруженості, які можна створити або в сильно нерівномірному полі, або в сильно розріджених газах. Фактори 3, 5, 6, а іноді й 7-10 можуть виступати в ролі ініціюючих, якщо вони створені й підтримуються штучно.

До числа основних первинних факторів відносяться ударна іонізація, особливо в слабкострумових лавинних розрядах, а також у катодній області тліючого розряду, термічна іонізація й фотоіонізація розрядом - у сильнострумових дугових і іскрових розрядах.

У більшості форм розрядів - тихому, тліючому, коронному, у ряді випадків у дузі й іскрі - роль основного вторинного процесу грає іонно-електронна емісія. Вторинними процесами у дузі можуть бути автоелектронна й термоемісія. У розріджених газах зворотний позитивний зв'язок у розряді може забезпечуватися фотоемісією електронів з катода, а також кінетичним вибиванням електронів метастабілями.

У сумішах газів певну роль як вторинні процеси можуть грати генерація електронів при хімічних реакціях збуджених або іонізованих часток і вторинні зіткнення метастабілей. Іонізація позитивними іонами згідно сучасних уявлень може впливати на розвиток пробою тільки в сильно розріджених газах.

Залежно від сполучення ініціюючих, первинних і вторинних процесів змінюються й закономірності пробою газових проміжків. Зараз виділяють дві форми пробою в газах: лавинну й стримерну. Лавинний пробій характерний для газів при низьких тисках, коли експоненціальне зростання струму забезпечується ударною іонізацією, а вторинні процеси пов'язані з катодом (рис. 9).

Впливом об'ємних зарядів на протікання лавинного пробою можна знехтувати. При більш високих тисках газу в каналі, що залишається після проходження лавини створюється щільний позитивний об'ємний заряд. Найбільша щільність хмари позитивних іонів досягається поблизу анода. Наявність об'ємного заряду біля анода еквівалентна "просуванню" анода в проміжок і приводить до підсилення поля між хмарою й катодом і ослабленню його в прианодній області. При проходженні електронів через область об'ємного заряду можлива рекомбінація позитивних іонів і електронів з виділенням високоенергетичних фотонів. Через резонансний характер поглинання таких фотонів їхній пробіг у щільному газі невеликий. Вони поглинаються поблизу хмари об'ємного заряду, іонізують газ, що супроводжується стартом вторинних лавин, тобто утворенням стримера (рис. 10).

У результаті проходження вторинних лавин об'ємний заряд "проростає" до катода зі швидкістю, що визначається просторово-тимчасовим розподілом місць зародження вторинних лавин фотонами й перевищує швидкість руху електронів.

Рис. 9. Електронна лавина. Рис. 10. Перехід лавини в стример ,в

однорідному полі й при катоді - вістрі.

Якщо щільність об'ємного заряду, достатня для зниження поля між голівкою лавини й анодом до малих значень, досягається при проходженні першої лавини в середині проміжку, то створюються передумови для гальмування й захоплення електронів лавини хмарою об'ємного позитивного заряду, інтенсифікації процесів рекомбінації й утворення іонізуючих факторів. У цьому випадку стример може почати проростати із середини проміжку.

Коли плазмовий канал досягає катода, струм у проміжку різко зростає, світіння каналу підсилюється, канал швидко перетинає весь проміжок. Розряд переходить у стадію іскрового. Струм у ньому підтримується ударною іонізацією в прикатодній області. Інша частина каналу являє собою добре провідну плазму, падіння потенціалу в якій досить низьке. Залежно від зовнішніх умов установлюється режим, що відповідає тліючому розряду або дузі.

У різко нерівномірному полі (вістря - площина, вістря –вістря) інтенсивні первинні процеси можуть розвиватися тільки в обмеженій області біля електрода, де напруженість поля має достатньо велику величину. Якщо при цьому вістря перебуває під негативним потенціалом, то лавина або стример, зароджуючись від емітованих катодом електронів, швидко загасає при поширенні в область слабкого поля. Позитивні іони дрейфують до катода, а електрони йдуть в область слабкого поля й прилипають до молекул газу, утворюючи негативні іони. Через посилення поля й інтенсивну вторинну іонно-електронну й фотоемісію з катода при підході позитивних іонів створюються умови для нейтралізації на катоді й в об’ємі позитивних іонів і компенсації їхнього поля полем негативного об'ємного заряду. Напруженість поля біля катода при цьому знижується до величин, менших початкової, тобто електрод екранується негативним об'ємним зарядом, і розряд гасне. Після гасіння розряду відбувається повна нейтралізація позитивних іонів на катоді, і напруженість поля досягає мінімуму. Потім у результаті зсуву негативних іонів від катода в область слабкого поля напруженість поля на катоді зростає й може досягти первісного значення, при якому знову запалюється розряд. Описана форма розряду називається короною, а напруга, при якій стає можливим коронний розряд - початковою.

Слід зазначити, що через пульсаційний характер процесу розвиток стримера з негативного вістря ускладнений, а при коротких імпульсах – неможливий.

При позитивному потенціалі на вістрі ініціюючі електрони поблизу електрода можуть виникати тільки внаслідок об'ємних процесів іонізації. Тому що швидкість поширення стримера більша швидкості електронів, після його проходження залишається плазмовий стовп, що перетворюється в міру відходу електронів на анод у стовп позитивних іонів, що приводить до ослаблення поля біля анода й придушення розряду. Після відходу позитивних іонів у проміжок, поле підсилюється й можливі нові спалахи корони.

Якщо підвищувати напругу на проміжку, то лавини й стримери зможуть просуватися на більшу відстань, і при певній напрузі стає можливим їхнє поширення через весь проміжок, що приводить до завершення пробою.

У нерівномірному полі коефіцієнт ударної іонізація залежить від координати уздовж поля. Умова пробою прийме вид

??(границі інтегрування)

При стримерному характері пробою Пік запропонував умову пробою записувати у вигляді E₀₃=E або

(границі інтегрування?)/5/

де d- довжина шляху лавини;

Е - поле джерела;

a - коефіцієнт ударної іонізації, який відповідає полю в голівці лавини;

Е_оз- поле об'ємного заряду позитивних іонів.