Пробой по поверхности диэлектрика

Пробивное напряжение

Использование диэлектрика, разделяющего металли­ческие детали, находящиеся под различными потенциа­лами, неизбежно практически в любом электровакуумном приборе. Исследовался пробй по поверхности цилиндрического изоля­тора в однородном электрическом поле. При различных параметрах упругости пара, теплофизическими параметрами, ди­электрической постоянной, качеством обработки поверх­ности, измерения показали, что эти параметры не оказы­вают сколько-нибудь заметного влияния на £>_пр, которое определяется главным образом величиной удельного по­верхностного сопротивления изолятора. Результаты изме­рений показали, что особенно важны, с точки зрения раз­вития пробоя, условия на катоде и вблизи катода на поверхности диэлектрика. В частности, наличие шерохо­ватостей у катода уменьшало пробивное напряжение по изолятору, тогда как шероховатости у анода влияли весьма слабо.

Пробивное напряжение по мере увеличения длины изолятора возрастает нелинейно (рис. 5.1). Это своеоб­разное проявление хорошо известного эффекта полного напряжения *), очевидно, связано с перераспределением напряженности поля вдоль электрода.

Рис.5.1 Зависимость пробивного напряжения от длины изолятора

Зарядка поверхности диэлектрика

Изменение распределе­ния поля вдоль поверхности электрода может возникнуть за счет образования поверх­ностных зарядов под воздей­ствием различных предпро-бойных процессов или за счет высоковольтной поляризации диэлектрика. Образование за­рядов на поверхности ди­электрика происходит в ре­зультате протекания тока по поверхности диэлектрика или вблизи от нее. При этом от­дельные электроны могут, по­пав на поверхность диэлект­рика, вызвать вторичную электронную эмиссию. Если коэффицнентвторнчной элек­тронной эмиссии будет боль­ше единицы, то поверхность зарядится положительно и по­ток электронов на этот уча­сток поверхности возрастет, к дальнейшему повышению что в свою очередь поведет потенциала этого участка. По мере роста заряда на поверхности участка диэлектрика начнут захватываться электроны, не успевшие набрать достаточной энергии, п коэффициент вторичной элек­тронной эмиссии будет падать. Было пока­зано, что максимальная энергия электронов, перемеща­ющихся вблизи изолятора, не превышает 50 в при общем напряжении 10 кв. Этого и следовало ожидать, ибо элек­троны ускоряются .тишь на отдельных участках. Если коэффициент вторичной электронной эмиссии меньше единицы, то участок диэлектрика будет заряжаться отри­цательно. Предпробойные токи (и довольно значительные), необходимые для возникновения описанного выше явления, были обнаружены с помощью регистрации рентгеновского излучения Изучение топографии рентгеновского излучения позволило обнаружить удале­ние электронов от поверхности изолятора, т. е. наличие от­рицательно зариженных участков поверхности электрода.

Положительные и отрицательно заряженные участки поверхности диэлектрика были обнаружены с помощью метода сканирования электростатическим зондом поверхности диэлектрика непосредственно после подачи напряжения На рис.5.2 показаны характерные формы катодов и соответствующие картины зарядки поверхности вокруг них.

Рис.5.2 Типы катодов и соответствующие области зарядки поверхности вокруг них

Развитие пробоя

Характерная картина развития пробоя по поверхно­сти диэлектрика приведена на рис. 5.3. На осциллограм­ме тока, приведенной на том же рисунке, указаны фазы» которым соответствуют снимки развития пробоя. После подачи импульса напряжения через некоторое время воз­никает свечение. Время от момента подачи импульса до появления свечения имеет заметный разброс, однако вре­мя от момента появления свечения до начала резкого воз­растания тока практически неизменно. Это время т в слу­чае, соответствующем рис. 5.3, равно 7 мксек. Скорость распространения свечения 2-10⁷ см/сек, причем в момент достижения анода за время меньше чем 10^-9 сек возникает сильная вспышка. В процессе роста тока, начинающегося в момент возникновения вспышки, наблюдается переход от диффузного свечения к каналу.

Рис. 5.3 Развитие пробоя на поверхности диэлектрика

Результаты проведенного исследования подтверждают гипотезу что инициация перекрытия возникает в месте контакта диэлектрик — катод.

В местах неплотного прилегания керамики к электроду поле усиливается таким образом поле у катода легко достигает значении 10^е в/см. Если учесть усиление поля на микро­неровностях, то можно ожидать заметной автоэлектронной эмиссии электронов с катода.

Параметры плазмы пробоя по поверхности диэлектрика

При развитии пробоя ток разряда начинает испарять и ионизировать материал диэлектрика. Образовавшаяся плазма распространяется в вакуум. Скорость распространения плазмы составляет до 10⁸ см.сек для ионов водорода. Также в плазме присутствуют многозарядные ионы материала диэлектрика. Энергии ионных фракций прямо пропорциональны заряду иона.