Пробой газов - artradiolab.ru

Пробой газов
Воздух является изоляционной средой для различной электронной аппаратуры. В случае
сильных электрических полей физические процессы в воздухе происходят при
нормальном атмосферном давлении. Однако в радиоэлектронике приходится иметь дело с
пробоем при значительном разрежении и повышенном давлении.
Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с
большинством жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха и других газов следует
рассматривать как следствие развития процессов ударной и фотоионизации.
3.2.1. Механизм пробоя газа
Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и
электронов находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом
движении, при воздействии поля получают некоторую добавочную скорость и начинают в
зависимости от знака заряда перемещаться в направлении поля или против. При этом
заряженная частица приобретает дополнительную энергию:
,
где
– заряд;
(3.1)
– разность потенциалов на длине свободного пробега.
Если поле достаточно однородно, то можно считать:
,
(3.2)
где – напряженность поля; – среднее расстояние, пройденное заряженной частицей
без столкновения, т. е. длина свободного пробега.
Подставляя (3.2) в (3.1) получим:
.
(3.3)
Дополнительная энергия заряженных частиц сообщается атомам или молекулам газа, с
которыми эти частицы сталкиваются. Если энергия достаточно велика, происходит
возбуждение атомов, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту
или ионизация молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы.
Условием, определяющим возможность ионизации, является:
,
(3.4)
причем включает в себя и энергию теплового движения, обычно небольшую при
нормальной температуре.
Из выражений (3.3) и (3.4) имеем:
.
(3.5)
Энергию ионизации
обычно характеризуют ионизационным потенциалом
.
Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах 4-25 В, что соответствует
энергии ионизации от 4 до 25 эВ.
При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при
определенном значении напряженности поля, поскольку
постоянны для каждого
газа. Эту напряженность поля
называют начальной напряженностью, а
соответствующее напряжение – начальным.
Наибольшее число актов ионизации приходится на электроны, так как длина свободного
пробега их почти на порядок выше, чем у ионов, и согласно выражению (3.3) они
набирают под воздействием поля большую энергию. Кроме того электроны по сравнению
с ионами обладают в 100 - 1000 раз большей подвижностью. Поэтому за одинаковый
промежуток времени они пройдут в 100-1000 раз большее расстояние и, соответственно,
произведут большее число актов ионизации. Следует учитывать также, что, если
положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим
электроном нейтральной частицы, то условия для ионизации электрона оказываются
неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону
при упругом ударе, мала.
При явлениях разряда положительные ионы высвобождают электроны из металла,
бомбардируя поверхность катода.
В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а
привести ее в «возбужденное состояние» – вызвать изменение в движении электронов,
связанных с молекулой. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою
избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Некоторые из фотонов имеют
энергию, превышающую энергию ионизации молекул. Такие фотоны рождаются за счет
ударного возбуждения электронов, находящихся на внутренних оболочках атомов. При
поглощении фотона, обладающего большой энергией, другой молекулой возможна ее
ионизация. Внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости
распространения излучения приводит к особо быстрому развитию в разрядном
промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.
На рис. 3.2 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала
(стримера) происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке
лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а линиями изображены пути
фотонов. Внутри каждого конуса газ ионизируется ударами электронов. Выбитые
электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа. Так
лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных
ионов, направляющихся к катоду. Начала линий исходят из атомов, которые были
возбуждены ударом электрона и вслед за тем испустили фотон.
Рис. 3.2. Схема развития отрицательного стримера
Двигаясь со скоростью
, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте,
соответствующем концу линии, ионизируют частицу газа. Выбитый здесь электрон,
устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким
образом, пока первая лавина вырастает, допустим, на расстояние, равное длине стрелки
(рис. 3.2), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример,
распространяется на расстояние, равное длине стрелки
.
На следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга,
сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.
Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается
образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц,
направленного к катоду.
Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы, возникновение
и развитие которого схематически показано на рис. 3.3. Электронные лавины оставляют
на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация
которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около
анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения
(близкого к
ионам в
), то, во-первых, обнаруживается интенсивная
фотоионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими
фотоны, притягиваются положительными пространственными зарядами в головную часть
положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация
положительных ионов на пути стримера увеличивается.
Рис. 3.3. Схема возникновения и развития положительного стримера (развитие стадий
разряда показано слева направо)
Из рис. 3.3 видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольшей
концентрации положительных ионов – в головную часть положительного стримера.
Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами,
превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов
положительных частиц на катоде возникает катодное пятно, излучающее электроны. В
результате указанных процессов и возникает пробой газа.
Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее развивается
пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное
напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом
импульса:
,
где
– пробивное напряжение при данном импульсе;
– пробивное напряжение
при постоянном или переменном (частотой 50 Гц) напряжении. Коэффициент импульса
разрядных промежутков с резко неоднородным электрическим полем может доходить до
1,5.
Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором
осуществляется пробой [2].
3.2.2. Пробой газа в однородном поле
Однородное поле реализуется между плоскими электродами с закругленными краями, а
также между сферами, если расстояние между ними не более их диаметра. В таком поле
длительность подготовки пробоя газа (для промежутка
) составляет
при
достижении напряжением строго определенного значения, зависящего от температуры и
давления газа. Между электродами внезапно возникает искра, которая затем переходит в
дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.
Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния
между электродами показана на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами
в случае однородного поля
В нормальных условиях, т.е. при давлении
и температуре
прочность воздуха при расстоянии между электродами в
, электрическая
составляет около
.
При малых расстояниях между электродами электрическая прочность значительно
увеличивается, что объясняется трудностью формирования разряда.
На рис. 3.5 представлена зависимость пробивного (начального) напряжения от
произведения давления газа на расстоянии между электродами при неизменной
температуре. Следует отметить наличие минимума, отвечающего определенному для
данного газа значению произведения
. Минимальные значения пробивных напряжений
для разных газов составляют
; для воздуха – около
. При неизменном
расстоянии между электродами, равном единице, кривые рис. 3.5 могут характеризовать
зависимость электрической прочности воздуха и водорода от давления, т. е. от плотности
газа, если температура постоянна.
Рис. 3.5. Зависимость пробивного напряжения от произведения давления газа
межэлектродное расстояние для воздуха и водорода
на
При увеличении давления свыше
и, соответственно, повышении
плотности газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше. В
результате этого уменьшается длина свободного пробега электронов и, как следует из
формулы (3.5), электрическая прочность газа возрастает; при расстоянии между
электродами, например, в
она составит более
. При уменьшении давления
ниже атмосферного вначале наблюдается падение электрической прочности (рис. 3.5), но
когда давление доходит до некоторого значения, электрическая прочность начинает снова
возрастать. Это объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема до такого
малого количества, при котором вероятность столкновений электронов с молекулами
значительно уменьшается. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением
«вырывания» электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае
электрическая прочность доходит до весьма высоких значений (порядка
зависит от материала и состояния поверхности электродов.
)и
Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании
высокочастотных вакуумных конденсаторов, предназначенных для повышенных
напряжений.
Пробивное напряжение газа в однородном поле меняется в зависимости от частоты,
особенно при радиочастотах. На рис. 3.6 показана зависимость пробивного напряжения
воздуха от частоты.
Рис. 3.6. Отношение пробивного напряжения воздуха при заданной частоте к пробивному
напряжению при постоянном токе в зависимости от частоты
При небольших частотах амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со
значением пробивного напряжения при постоянном токе; при более высоких частотах
пробивное напряжение несколько уменьшается и доходит до минимума при частоте около
, после чего вновь возрастает и достигает значений, превосходящих пробивное
напряжение при постоянном токе более чем на 1,5 раза.
Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажением поля,
обусловленным образованием объемных зарядов в газе вследствие различной
подвижности положительных ионов и электронов. Протекающие при этом процессы
отражает диаграмма на рис. 3.7. Ионизация газа и прорастание электронных лавин
происходит лишь в те промежутки времени, когда мгновенное значение напряжения
превосходит порог ионизации
(интервалы
и т. п. на рис. 3.7). При
снижении напряжения до уровня ниже порогового, ионизация прекращается и начинается
рассасывание образовавшегося объемного заряда в межэлектродном пространстве.
Скорость рассасывания определяется скоростью дрейфа ионов в направлении к катоду. На
высоких частотах время полупериода настолько мало, что ионы не успевают
нейтрализоваться на катоде. Накопление объемного положительного заряда увеличивает
напряженность электрического поля, что облегчает дальнейшую ионизацию и снижает
напряжение пробоя.
Рис. 3.7. Диаграмма, поясняющая особенности ионизации газа в переменном поле
В области еще более высоких частот продолжительность полупериода изменения поля
становится соизмеримой со временем формирования электронных лавин. Поэтому для
полного развития и завершения процесса ударной ионизации необходимо повысить
напряжение на электродах.
Электрическая прочность в значительной мере зависит от химического состава газа.
Пониженной по сравнению с воздухом электрической прочностью обладают инертные
газы, используемые для заполнения электровакуумных приборов и источников света.
Повышенной электрической прочностью характеризуются некоторые тяжелые газы с
высокой молекулярной массой. К их числу относятся, в частности, элегаз (
(
) и фреон
), у которых пробивная напряженность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха.
3.2.3. Пробой газа в неоднородном поле
Пробой газа в неоднородном и однородном полях заметно различается. Неоднородное
поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами, между
сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы
и т. д.
Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного
разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений,
с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.
В случае несимметричных электродов игла – плоскость и положительной полярности на
игле пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис.
3.8, а). Это объясняется следующим образом. Ионизация газа при любой полярности на
электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие напряженности
электрического поля. В результате ионизации образуются электроны и ионы, причем
электроны быстро нейтрализуются на аноде, а вблизи иглы остаются малоподвижные
положительно заряженные ионы. «Облако» объемного заряда изменяет первоначальное
распределение потенциала. При положительной полярности на игле (рис. 3.8, б) объемный
заряд ослабляет напряженность поля вблизи иглы и, наоборот, усиливает ее в
неионизированной области. Создаются благоприятные условия для дальнейшей
ионизации газа, т. е. дальнейшего прорастания объемного заряда в направлении к катоду.
В рассматриваемом случае объемный заряд фактически является продолжением иглы и
сокращает эффективную длину разрядного промежутка.
Рис. 3.8. Зависимости пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами
в неоднородном поле (а) и модель объемного заряда в разрядном промежутке при
положительной (б) и отрицательной (в) полярности на игле
При отрицательной полярности на игле (рис. 3.8, в) облако положительного заряда
уменьшает напряженность поля в неионизированной области. Поэтому дальнейшая
ионизация газа возможна лишь при более высоком напряжении на электродах. Таким
образом, в данном случае объемный положительный заряд играет роль экрана,
сглаживающего максимальные неоднородности поля в разрядном промежутке.