I. Ο "πρωταρχικός ένοχος" της υποβάθμισης τάσης του μονωτή: Φαινόμενο επιφανειακής ανάφλεξης
Οι μονωτές αλουμίνας διαδραματίζουν ταυτόχρονα ρόλους ηλεκτρικής μόνωσης και μηχανικής υποστήριξης σε εξοπλισμό υψηλής ισχύος-και συσκευές υψηλής-κενού/ηλεκτρικού κενού, καθιστώντας τα απαραίτητα βασικά εξαρτήματα. Ωστόσο, υπό συνθήκες υψηλού κενού και υψηλής έντασης πεδίου, το σημείο συμφόρησης στην τάση αντοχής συχνά δεν βρίσκεται στο χύμα υλικό αλλά στις επιφανειακές διεργασίες – η πιο χαρακτηριστική είναι η διάσπαση της επιφανειακής εκφόρτισης (δηλαδή, η επιφανειακή ανάφλεξη). Η επιφανειακή ανάφλεξη αναφέρεται στο φαινόμενο όπου, κάτω από ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, η επιφάνεια ενός στερεού μονωτήρα και το παρακείμενο μέσο του (αέριο/υγρό, στο κενό, συνοδευόμενο από επιφανειακά εκροφημένο αέριο και εκπομπή ηλεκτρονίων) ιονίζονται ή γίνονται αγώγιμα. Ένα κανάλι εκκένωσης αναπτύσσεται κατά μήκος της στερεής επιφάνειας, εκτείνεται στο διάκενο του ηλεκτροδίου και τελικά οδηγεί σε διαρροή και αστοχία μόνωσης. Αυτό το φαινόμενο όχι μόνο αποδυναμώνει σημαντικά την τάση αντοχής και τη λειτουργική αξιοπιστία του διηλεκτρικού εξοπλισμού υψηλής{{8}τάσης, προκαλώντας πιθανές οικονομικές απώλειες, αλλά χρησιμεύει επίσης ως βασικό σημείο συμφόρησης που περιορίζει τη συμπαγή και τη σμίκρυνση των στερεών μονωτών. Από μια προοπτική σύγκρισης κατωφλίου, η τάση εκκίνησης/ισχύς πεδίου για την επιφανειακή αναρρόφηση είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη από το επίπεδο διάσπασης για τη μαζική διάσπαση ή τα καθαρά διηλεκτρικά κενά. Για παράδειγμα: όταν χρησιμοποιείται το κενό ως μονωτικό μέσο, η κρίσιμη ένταση του πεδίου διάσπασης είναι περίπου 35 kV/mm. Για το κεραμικό αλουμίνας ως το χύμα μονωτικό μέσο, η κρίσιμη ένταση πεδίου διάσπασης όγκου είναι γενικά 30–40 kV/mm. ενώ σε ένα{14}}σύστημα μόνωσης κενού αλουμίνας, η ένταση του εφαρμοζόμενου πεδίου φθάνει συχνά μόνο το ένα-δέκατο έως ένα κλάσμα αυτών των κρίσιμων τιμών πριν από την ενεργοποίηση της επιφανειακής λάμψης στον μονωτήρα, προκαλώντας ενδεχομένως ακόμη και τοπική ζημιά στην επιφάνεια του Al2O3.
II. Παράγοντες που επηρεάζουν την επιφανειακή τάση ανάφλεξης
Η έρευνα δείχνει ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν την επιφανειακή αναρρόφηση περιλαμβάνουν κυρίως: κυματομορφή και πλάτος του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, επίπεδο κενού και σύνθεση υπολειπόμενου αερίου, δομή και υλικό ηλεκτροδίου, γεωμετρία και διαστάσεις μονωτή, υλικό μονωτή και χαρακτηριστικά επιφάνειας (τραχύτητα, καθαριότητα, προσρόφηση/μόλυνση, επίστρωση), προφόρτιση/φόρτιση, προφόρτιση και διάλυση επιφάνειας και επιφανειακή προσρόφηση αερίων. Από την σκοπιά της έρευνας υλικών, η εστίαση δίνεται στη σύνθεση, το σχήμα και τα χαρακτηριστικά επιφάνειας των κεραμικών που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά κενού. Οι βασικές ηλεκτρικές παράμετροι που επηρεάζουν το φλας στην επιφάνεια περιλαμβάνουν τη διηλεκτρική σταθερά ε, την ηλεκτρική αγωγιμότητα σ και τον συντελεστή δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων δ (SEE). Γενικά: ① Μια υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά τείνει να ενισχύει την παραμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου στην τριπλή διασταύρωση ηλεκτροδίου-μονωτή-κενού, μειώνοντας το κατώφλι επιφανειακής ανάφλεξης. ② Μέσα σε ένα κατάλληλο εύρος, η αυξημένη επιφανειακή αγωγιμότητα επιταχύνει τη διάχυση του επιφανειακού φορτίου και αναστέλλει την εκκίνηση, αλλά η υπερβολικά υψηλή αγωγιμότητα αυξάνει το ρεύμα διαρροής και μπορεί να οδηγήσει σε θερμική αστάθεια, η οποία είναι επιζήμια για την αντοχή στην τάση. ③ Σύμφωνα με το μοντέλο SEEA, η μείωση του συντελεστή δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων στην επιφάνεια καταστέλλει τον πολλαπλασιασμό των ηλεκτρονίων, αυξάνοντας έτσι την επιφανειακή τάση ανάφλεξης.
Σχετικά με το μοντέλο μηχανισμού εκφόρτισης SEEA (SEE-με βάση το μοντέλο): Το μοντέλο Secondary Electron Emission Avalanche (SEEA) προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Αμερικανούς μελετητές Anderson και Brainard. Αυτό το μοντέλο προτείνει ότι κάτω από μια εφαρμοζόμενη υψηλή τάση, τα αρχικά ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την τριπλή διασταύρωση ηλεκτροδίου-μονωτή-κενού αποκτούν ενέργεια, επιταχύνονται και βομβαρδίζουν την επιφάνεια του μονωτή. Όταν η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων πρόσκρουσης φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, λαμβάνει χώρα δευτερογενής εκπομπή ηλεκτρονίων, αφήνοντας ταυτόχρονα θετικά φορτία στην επιφάνεια του μονωτή. Αυτά τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια, υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου, βομβαρδίζουν ξανά την επιφάνεια του μονωτή, δημιουργώντας περισσότερα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται, οδηγώντας τελικά σε μια δευτερεύουσα χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων.
III. Τεχνικές καταστολής φλας επιφανειών για κεραμικά αλουμίνας
Το κλειδί για τη βελτίωση της απόδοσης μόνωσης των στερεών μονωτικών υλικών έγκειται στη διατήρηση των ιδιοτήτων μόνωσης όγκου, ενώ προσπαθείτε να ενισχύσετε την τάση ανάφλεξης στην επιφάνεια. Με βάση τους υπάρχοντες μηχανισμούς, οι κύριες οδοί βελτίωσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: ① Μειώστε τον συντελεστή εκπομπής δευτερογενών ηλεκτρονίων στην επιφάνεια δ για να καταστείλετε τον πολλαπλασιασμό των ηλεκτρονίων. ② Σχεδιάστε την ειδική αντίσταση της επιφάνειας μέσα σε ένα κατάλληλο παράθυρο για να επιταχύνετε τη διάχυση του επιφανειακού φορτίου, αποφεύγοντας έτσι την υπερβολική συγκέντρωση τοπικού πεδίου και τη θερμική αστάθεια. Παράλληλα με αυτές τις δύο προσεγγίσεις «υλικών ηλεκτρικών παραμέτρων», η μηχανική χρησιμοποιεί συχνά ένα συμπληρωματικό σύνολο μέτρων ελέγχου της γεωμετρίας/κατανομής πεδίου για να μειώσει την ισχύ του πεδίου τριπλής-διασταύρωσης και τον σχηματισμό καναλιών καθυστέρησης. Για παράδειγμα, η μηχανική κατεργασία περιοδικών αυλακώσεων (ή αυλακώσεων) στην επιφάνεια κεραμικών μονωτών αλουμίνας μπορεί να αυξήσει την απόσταση ερπυσμού, να ομαλοποιήσει τις γραμμές εξισορρόπησης δυναμικού, να μειώσει την εφαπτομενική ένταση πεδίου στην τριπλή διασταύρωση χωρίς να αυξήσει τις εξωτερικές διαστάσεις, ενώ επίσης να διακόψει τις διαδρομές επιστροφής ηλεκτρονίων και να μειώσει το αποτελεσματικό κέρδος SEE, καθυστερώντας έτσι τον σχηματισμό του καναλιού αναλαμπής και υπερβολής. Οι κορυφές των αυλακώσεων θα πρέπει να είναι στρογγυλεμένες για να αποφευχθεί η εισαγωγή τοπικής ενίσχυσης πεδίου σε νέες αιχμηρές άκρες.