Пробивні напруги газових проміжків

З технічної точки зору максимальний інтерес становить залежність пробивної напруги залежно від характеристик газового проміжку й форми діючої напруги.

Конфігурація, стан поверхні й матеріал електродів можуть впливати на величину пробивної напруги, так як саме вони у випадку пробою газу при низьких і нормальних тисках визначають значною мірою інтенсивність ініціюючих і вторинних процесів.

Ініціюючі процеси стають визначальними, якщо їхня інтенсивність настільки низька, що в проміжку можна створити без пробою сильне електричне поле, достатнє для інтенсивної ударної іонізації. У цьому випадку спостерігається значне статичне запізнення початку пробою стосовно моменту додатка? напруги (рис. 11) і істотне розсіювання пробивних напруг (рис. 12).

Відсоток пробоїв

Рис. 11. Розподіл часів запізнювання для сильно (1) і слабко окислених (2) вольфрамових електродів.

Рис. 12. Розподіл пробивних напруг проміжку довжиною 3 см між кулями діаметром

12,5 см при опроміненні. Інтенсивність опромінення знижується з ростом індексу прямої.

Статичне запізнювання пробою має місце навіть у тому випадку, коли в проміжку є ініціюючі електрони, але напруженість поля недостатня для того, щоб хоча б один з них дав початок досить потужній лавині, для якої буде виконана умова самостійності розряду. При подачі на проміжок напруги, що перевищує мінімальну пробивну, тобто при перенапрузі, статистичний? час запізнювання знижується (рис. 13).

0,01 0,1 1.0 100 мкс

Рис. 1З. Залежність часу запізнювання від перенапруги. Матеріал електродів: сплав алюмінію (І), алюміній (2), залізо (3), срібло (Ч), мідь (5), окис міді (6).

Рис. 14. Залежність пробивної напруги повітря в проміжку 0,63 см

для тренованих (1), полірованих (2) і не полірованих електродів (3) з міді

й аргону (катод з алюмінію (1), магнію (2), барію (3) ) від тиску.

Наявність факторів, що інтенсифікують ініціюючі процеси - діелектричних забруднень (рис. 11), зовнішніх іонізаторів (рис. 11, 12) і т.п., зменшує статистичний час запізнювання й розсіювання пробивних напруг. Через дію зазначених факторів досить складно вирішити питання із вплив матеріалу електродів на величину пробивної напруженості газового проміжку, хоча експериментальні дані (рис. 11) свідчать начебто б на користь існування такого впливу. Через інтенсифікацію ініціюючих процесів знижується пробивна напруга при погіршенні якості обробки поверхні електродів (рис. 14)

З наведених даних випливає, що умова пробою у формі

?? /6/

справедлива тільки для статичного процесу. При імпульсному пробої стають істотними й ініціюючі процесами, характеристики яких не входять явно в умову пробою. Згідно експериментальним даним пробивна напруга

,

де і₀ - струм ініціюючих електронів.

Пробивна напруга газового проміжку залежить від конфігурації електродів, що визначає розподіл поля в проміжку, а через нього й інтенсивність первинних процесів.

Однорідне поле, в якому напруженість у всіх точках однакова, можна створити між електродами спеціальної форми (електроди Роговського), наближене до однорідного - між плоскими електродами з закругленими краями або між сферами, відстань між якими сумірна з діаметрами сфер.

Для однорідного поля з умови (6) з урахуванням формул (3) для коефіцієнта ударної іонізації можна одержати загальне співвідношення (закон Пашена), що описує закономірності зміни пробивної напруги залежно від довжини проміжку й тиску газу в ньому:

/7/

(Розшифровка)

Закон Пашена, є одним з різновидів законів подібності. Він дозволяє ввести замість двох факторів: тиску газу і довжини проміжку один – їх добуток - визначальну величину пробивної напруги газу. Відповідно до закону Пашена пробивна напруга газу має мінімальне значення

U_{np min}=B(pd)_min

при , де e - основа натуральних логарифмів. Криві Пашена для деяких газів дані на рис. 15-17.

Рис. 15. Криві Пашена для пробою в однорідному полі.

При низьких і середніх тисках закон Пашена, як закон подібності, добре підтверджується експериментальними результатами. При тисках, що значно перевищують атмосферний, спостерігається деяке зниження пробивної напруги, яке зв'язують, звичайно, з порушенням однорідності поля просторовими зарядами при більших густинах газу. Поле в проміжку при цьому підсилюється, збільшується ефективність ударної іонізації, що й приводить до відхилення. Іншою причиною є перехід до стримерної формі пробою.

При лавинній формі пробою розрядний канал має голкоподібну форму. Дійсно, умова пробою /6/ відповідає настанню струмової нестійкості, однак воно невірно описує перехідні процеси при пробої. Одному ефективному позитивному іону звичайно відповідає утворення великої кількості електронів і позитивних іонів у проміжку у відповідності зі співвідношенням . Швидкість лавини визначається дрейфовою швидкістю електронів , де m_e - рухливість електронів, Е - напруженість поля. Якщо прийняти, що поперечний розмір лавини визначається вільною дифузією електронів, то, розв’язавши рівняння дифузії, будемо мати розподіл електронної густини у вигляді

??

де r²=(x-vt)²+y²+r²,r_a=bD_et – середній квадратичний радіус.

Якщо за час t електрони проходять шлях x=v_et=m_e Et , то

/8/

де - середня енергія електрона;

- коефіцієнт дифузії.

З виразу (8) видно, що <<1 , тому що становить одиниці електрон-вольтів, a eU ~ кілька кілоелектрон-вольт, значить поперечні розміри лавини менші поздовжніх, і вона має форму голки, зверненої вістрям до катода.

З ростом концентрації електронів і іонів у проміжку підсилюється їхній взаємний вплив і при n »10⁵ cм^-3 поперечний радіус лавини стане визначатися амбіполярною дифузією. Тому що D_a<< D_e, перехід до амбіполярної дифузії приведе до значного зниження швидкості розширення лавини, більш швидкого росту концентрації частинок у ній і переходу до стримерному механізму пробою. Для переходу до амбіполярної дифузії необхідно, щоб електронна хмара, зсунута через більшу рухливість електронів до анода, розпливаючись внаслідок дифузії, почала перекриватися із хмарою позитивних іонів. Проліт електрона між іонізуючими зіткненнями дорівнює 1/a (за визначенням a), а радіус хмари – r_a . Щоб нові електрони утворювалися в області позитивного об'ємного заряду, необхідне виконання умови 1/a < r_a, що з урахуванням співвідношення (З) і (8) прийме вигляд

(9) ???

із якого випливає, що пробивна напруга вже залежить не тільки від pd , але й від d, хоча й логарифмічно. Умова (9) поряд з умовою Міка /5/? може бути використане для розрахунку пробивної напруги методом послідовних наближень,

Для практичних розрахунків праву гілка кривої Пашена апроксимують виразом типу

, (10)

де А = 22,22 кВ/см, для проміжків від 10^-1 - до 10 см ;

В = 6,08 кВ/см^0,5 ;

d - довжина розрядного проміжку в см;

d = 1,89∙10-3 Р/Т, (Р– тиск газу, Па, Т – температура газу, К).

Відносна похибка розрахункових значень щодо експериментальних при використанні наведених коефіцієнтів 0,2%.

У зв'язку з формулою (10) слід зазначити, що хоча в законі Пашена (6) і в співвідношенні (9) фігурує тиск газу, у дійсності пробивна напруга визначається густиною газу. Тому, наприклад, температурна залежність пробивної напруги в незамкнутому проміжку може бути отримана з (5) – (9) шляхом використання рівняння стану газу PV = RT, але в замкнутому просторі пробивна напруга практично не залежить від температури, принаймні до температур порядку 1000 ^оС, при яких з’являється помітна термоемісія електронів з катода і, як додатковий ініціюючий процес, починає впливати на пробивну напругу.

Тепер розглянемо, як впливає тип газу на величину пробивної напруги. При розгляді первинних процесів відзначалося, що найбільш істотно впливає на їхню інтенсивність прилипання електронів. Для коефіцієнта прилипання b справедливе співвідношення b/P = f(E/p), тому закон Пашена буде виконуватися й в електронегативних?розш газах, якщо тільки впливом об'ємних зарядів можна знехтувати (див. рис. 15). Прилипання, однак, приводить до істотного підвищення пробивної напруги (табл. 2).

Вплив об'ємних зарядів на закономірності пробою газів у порівняно рівномірних полях обговорювався вище. Ще більш сильно проявляється цей вплив у різко неоднорідному полі, яке виникає між двома вістрями, вістрям і площиною, між проводами лінії електропередачі, між сферичними поверхнями при відстані між ними більшій діаметрів даних сфер. Особливістю пробою газу в неоднорідному полі є виникнення часткового розряду у вигляді корони в місцях, де напруженість поля досягає критичних значень, з подальшим переходом корони в іскровий розряд і дугу при зростанні напруги. Пробій в неоднорідному полі виникає при меншій напрузі ніж в однорідному, а пробивна напруга знижується при позитивній полярності вістря, особливо в електронегативних газах (рис. І6).

Рис. 16. Залежність пробивної напруги у випадку форм електродів вістря-площина при позитивній (1) і негативній (2)? полярності вістря.

Характерний максимум у залежності пробивної напруги від тиску, пояснюється тим, що в проміжку з різко нерівномірним полем в області знижених тисків напруга виникнення коронного розряду нижча пробивної напруги. У результаті коронного розряду на вістрі накопичується об'ємний заряд, що вирівнює поле і підвищує пробивну напругу. З підвищенням тиску росте й напруга виникнення коронного розряду. Напруженість поля навколо вістря зростає, і при певному тиску починає виконуватися умова пробою при меншій концентрації об'ємного заряду. Зменшення вирівнювальної дії об'ємного заряду приводить до зниження величини пробивної напруги. Подальше підвищення тиску приводить до того, що напруга виникнення коронного розряду стає рівною пробивній, і відновлюється монотонна залежність пробивної напруги від тиску, що відповідає деякому усередненому значенню коефіцієнта ударної іонізації.

Таблиця ? (назва) і назва газу

Таблиця 3 / вістря - площина /

(назва) Значення напруги дані у кВ.

Значення величин напруги виникнення корони й пробивної напруги наведені у табл. 3. Вони отримані для проміжку 3,1 - 4,6 см при атмосферному тиску.

Напруженості виникнення коронного розряду в однорідному полі наведені в табл. 4 для деяких газів при атмосферному тиску й температурі 0°С. Ці результати отримані екстраполяцією до однорідного поля.

Таблиця 4 (назва) і назва газів

Пробивна напруга сумішей газів при середніх і високих тисках звичайно перебуває в інтервалі між пробивними напругами чистих газів. Однак, в області знижених тисків, а також при наявності в суміші компонента, енергія збудження якого перевищує енергію іонізації другого, спостерігається істотне зниження пробивної напруги (рис. І7).

Рис. 17. Криві Пашена для деяких газів і сумішей газів.