Механизмы пробоя газов

В нормальном состоянии молекулы газа нейтральны. Для того, чтобы через газ начал проходить электрический ток, необходимо, чтобы появились заряженные частицы. В газах возможно появление носителей заряда – отрицательных и положительных ионов, а так же электронов.

Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, погло­щенная атомом, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ).

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц — рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов — ионизации и рекомбинации — устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется опре­деленной степенью ионизации газа, т. е. отношением концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц

(1.5)

где К_ион — коэффициент степени ионизации газа; n_ион — концентрация ионизированных частиц; N— общая концентрация частиц (N ~ 10²² атомов на см³ ).

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, называется плазмой

Различают объемную и поверхностную ионизации. Объемная ионизация — образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация — излучение (эмиссия) заряженных час­тиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется:

1) на ударную ионизацию;

2) ступенчатую ионизацию;

3) фото ионизацию;

4) термоионизацию.

Ударная ионизация — соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость

V = kE, (1.6)

где V— скорость, м/с; k— коэффициент пропорциональности, получивший название "подвиж­ность" (скорость дрейфа заряженной частицы в электрическом поле с Е = 1 В/см, [см²/(В×с) — размерность подвижности к]):

для электронов подвижность равна 400 см² /(В×с), для ионов 2 см² /(В×с)

При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

Кроме ионизации молекул электронами возможна фотоионизация, термоионизация и автоионизация. Фотоионизация - выбивание электронов фотонами при энергии фотона не меньше чем энергия ионизации. Термоионизация - появление свободных электронов и ионов за счет тепловой энергии. Она имеет заметные скорости при температуре несколько тысяч градусов. Автоионизация - вырывание электрона из молекулы за счет действия сильного электрического поля. Она начинает играть заметную роль в появлении электронов в полях более 10 МВ/см. В реальной электрической изоляции всегда следует учитывать контакт диэлектрика с электродами. При этом возможно зарождение новых носителей заряда из электрода фактически с помощью тех же процессов, т.е. фотоэффекта, автоионизации, выбивания электрона положительным ионом.

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации.

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация.

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих актов:

1) освобождения электрона при соударениях между атомами и мо­лекулами при высоких температурах;

2) фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации.

Поверхностная ионизация(эмиссия электронов) осуществляется за счет:

1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами — вторичная электронная эмиссия

2) фотоэмиссии, т. е. лучистой энергии, облучающей катод, напри­мер, ультрафиолетового света, рентгеновского излучения, излучения возбужденных атомов и молекул в объеме газа между электродами

3) нагрева поверхности катода — термоэлектронная эмиссия

4) энергии внешнего электрического поля — авто электронная или холодная эмиссия возможна при напряженности электрического поля более 300 кВ/см.

Как развиваются ионизационные процессы в материале? Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой, проходит определенное расстояние, называемое длиной свободного пробега.

Длина свободного пробега, - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до неупругого столкновения с молекулой.

(1.7)

(1.8)

где n- концентрация молекул, r- их радиус, kT - тепловая энергия, p - давление. Поскольку в столкновении энергия теряется, то электрон не может бесконечно ускоряться и для каждого поля устанавливается определенная скорость (1.6). Если энергия на длине пробега достаточна, после первого столкновения в объеме появляются дополнительно 1 электрон и ион, после второго - еще 2 электрона и 2 иона и т.д. Возникает т.н. лавина.

Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами

(1.9)

Коэффициент α называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера α =18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины на катоде снова появился электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд.