I. «Основний винуватець» зниження напруги, що витримує ізолятор: явище спалаху поверхні
Глиноземні ізолятори одночасно виконують роль електричної ізоляції та механічної підтримки в-потужному обладнанні та високо-вакуумних/електричних вакуумних пристроях, що робить їх незамінними ключовими компонентами. Однак в умовах високого вакууму та високої напруженості поля вузьке місце у витримуваній напрузі часто лежить не в об’ємному матеріалі, а в поверхневих процесах – найбільш типовим є пробій поверхневого розряду (тобто спалах поверхні). Поверхневий спалах відноситься до явища, коли під сильним електричним полем поверхня твердого ізолятора та його прилегле середовище (газ/рідина; у вакуумі, що супроводжується поверхнево десорбованим газом та емісією електронів) стають іонізованими або провідними. Канал розряду розвивається вздовж твердої поверхні, охоплює проміжок між електродами та, зрештою, призводить до пробою та руйнування ізоляції. Це явище не тільки значно послаблює витримувану напругу та експлуатаційну надійність діелектричного обладнання високої-напруги, спричиняючи потенційні економічні втрати, але також є основним вузьким місцем, що обмежує компактність і мініатюрність твердих ізоляторів. З точки зору порогового порівняння, напруга ініціювання/напруженість поля для поверхневого спалаху зазвичай набагато нижчий, ніж рівень пробою для об’ємного пробою або чистих діелектричних проміжків. Наприклад: коли в якості ізоляційного середовища використовується вакуум, критична напруженість поля пробою становить приблизно 35 кВ/мм; для глиноземної кераміки як об’ємного ізоляційного середовища напруженість поля пробою критичного об’єму зазвичай становить 30–40 кВ/мм; тоді як у системі вакуумної ізоляції-з алюмінію напруженість прикладеного поля часто досягає лише однієї-десятої до частки цих критичних значень, перш ніж спровокувати спалах на поверхні ізолятора, потенційно навіть спричиняючи локальне пошкодження поверхні Al₂O₃.
II. Фактори, що впливають на поверхневу напругу спалаху
Дослідження показують, що фактори, які впливають на спалах поверхні, передусім включають: форму хвилі та амплітуду прикладеного електричного поля, рівень вакууму та склад залишкового газу, структуру та матеріал електрода, геометрію та розміри ізолятора, матеріал ізолятора та характеристики поверхні (шорсткість, чистота, адсорбція/забруднення, покриття), попередній-розряд/випікання та інші види попередньої обробки, а також стан заряду поверхні та поверхневий газ адсорбція. З точки зору дослідження матеріалів, увага приділяється складу, формі та характеристикам поверхні кераміки, яка використовується у вакуумній електроніці. Основні електричні параметри, що впливають на спалах поверхні, включають діелектричну проникність ε, електропровідність σ і коефіцієнт вторинної електронної емісії δ (SEE). Загалом: ① Вища діелектрична проникність посилює викривлення електричного поля на потрійному переході електрод–ізолятор–вакуум, знижуючи поріг спалаху на поверхні. ② У межах відповідного діапазону підвищена поверхнева провідність прискорює розсіювання поверхневого заряду та перешкоджає ініціації, але надмірно висока провідність збільшує струм витоку та може призвести до термічної нестабільності, що негативно впливає на витримку напруги. ③ Відповідно до моделі SEEA, зменшення коефіцієнта поверхневої вторинної емісії електронів пригнічує розмноження електронів, тим самим збільшуючи поверхневу напругу спалаху.
Щодо SEEA (модель механізму розряду на основі SEE-): модель лавини вторинної емісії електронів (SEEA) була вперше запропонована американськими вченими Андерсоном і Брейнардом. Ця модель припускає, що під дією високої напруги початкові електрони, випущені з потрійного переходу електрод–ізолятор–вакуум, отримують енергію, прискорюються та бомбардують поверхню ізолятора. Коли енергія цих ударних електронів досягає певного порогу, відбувається вторинна емісія електронів, що одночасно залишає позитивні заряди на поверхні ізолятора. Ці вторинні електрони під впливом електричного поля знову бомбардують поверхню ізолятора, генеруючи більше вторинних електронів. Цей процес повторюється, зрештою призводячи до вторинної електронної лавини.
III. Методи придушення спалаху поверхні для глиноземної кераміки
Ключ до покращення ізоляційних характеристик твердих ізоляційних матеріалів полягає в збереженні об’ємних ізоляційних властивостей, одночасно прагнучи підвищити поверхневу напругу спалаху. Виходячи з існуючих механізмів, основні шляхи вдосконалення поділяються на дві категорії: ① Зменшити поверхневий коефіцієнт вторинної емісії електронів δ для придушення розмноження електронів; ② Розрахуйте поверхневий питомий опір у відповідному вікні, щоб прискорити розсіювання поверхневого заряду, таким чином уникаючи надмірної локальної концентрації поля та термічної нестабільності. Паралельно з цими двома підходами до «електричних параметрів матеріалу» інженерія часто використовує додатковий набір заходів контролю геометрії/розподілу поля, щоб зменшити напруженість поля потрійного-переходу та утворення каналу затримки. Наприклад, механічна обробка періодичних гофрів (або канавок) на поверхні керамічних ізоляторів із оксиду алюмінію може збільшити шлях витоку, згладити еквіпотенціальні лінії, зменшити тангенціальну напруженість поля в потрійному з’єднанні без збільшення зовнішніх розмірів, а також переривати шляхи повернення електронів і зменшувати ефективне посилення SEE, тим самим затримуючи формування каналу та підвищуючи поверхневу напругу спалаху. Гребені гофрів повинні бути округлені, щоб уникнути локального посилення поля на нових гострих краях.