Как с вискера начинается вакуумный пробой

Пусть в вакуум введены через изоляторы два электрода, подключенные к источнику напряжения (рис. 32). Если измерить ток, протекающий в цепи, то прибор покажет ток утечки по изоляторам, но этот ток весьма мал. Что ж, это естественно — ток есть там, где есть подвижные носители заряда и электрическое поле. Поле в вакууме есть, но подвижных носителей заряда там нет, так как молекулы остаточных газов нейтральны.

Если увеличивать напряжение, то при напряженности поля порядка 10⁷ В/м появится так называемый «предпробойный ток», но вести он себя будет как-то странно — то увеличиваться, то уменьшаться, то в течение какого-то времени оставаться постоянным. Напряженность поля, при которой мы заметим этот ток, зависит от чувствительности прибора. Но если продолжать увеличивать напряженность, то начнут происходить резкие возрастания (броски) тока, и чем дальше, тем чаще, и, наконец, в некоторый момент ток сильно возрастет, а напряжение между электродами уменьшится — ток будет настолько велик, что значительная часть напряжения будет падать на балластном сопротивлении.

Явление сильного уменьшения сопротивления диэлектриков при определенном напряжении называется электрическим пробоем диэлектрика. Аналогичное явление в вакууме называется «вакуумным пробоем». Конечно, это пробой не вакуума. А чего?

Перед пробоем в вакууме не было ни твердой, ни жидкой среды, следовательно, это пробой в газе. Откуда газ берется в вакууме? Посредством десорбции и испарения. Но для удаления атомов с поверхности нужна энергия. Источник ее имеется — электроны, пролетающие через зазор («предпробойный ток»), бомбардируют анод, который при этом разогревается, и с него начинается десорбция газа, да и его собственный материал испаряется. Но откуда берутся электроны, летящие через вакуумный зазор?

Носители заряда могут попасть в вакуум только из электродов. Процессы выхода электронов из электродов называются эмиссией. Чтобы выйти, электронам необходимо преодолеть потенциальный барьер. Его высота называется работой выхода. Если внешнее электрическое поле велико (порядка 1О¹⁰ В/м), то потенциальный барьер становится «тонким», и электрон, чуть-чуть (примерно на 3-Ю^-10 м) отлетевший от тела, подхватывается полем и дальше уже только ускоряется им. Действительно, при поле 1О¹⁰ В/м на расстоянии 3-10“¹⁰ м потенциальная энергия электрона изменяется на ЗВ — порядка высоты потенциального барьера (рис. 33). Такая эмиссия называется автоэлектронной, и она сильно зависит от напряженности электрического поля. Так, если катод сделан из меди, никеля, молибдена или вольфрама, то при увеличении поля лишь в 3 раза (от 10⁹ до 3 10⁹ В/м) эмиссия возрастает на 12 порядков (примерно одинаково для всех этих металлов).

Но как создать такие большие поля? В технике практически не работают с напряжениями более нескольких миллионов вольт, так что, казалось бы, вызвать заметную автоэмиссию при больших вакуумных зазорах невозможно. Но предпробой-ные токи все-таки текут, и если микро-, а зачастую и миллиамперметр показывает наличие тока, то приходится в него верить.

Мы уже знаем, что на поверхности могут расти вискеры. А тот факт, что электрическое поле концентрируется сильнее около остриев, выступов, кромок и т. п., известен нам из школьного учебника физики. Именно по этой причине молниеотвод острый, чтобы большее поле вызвало стекание зарядов в атмосферу, а электрофорная машина заканчивается шариками, чтобы накопленный заряд не стек в атмосферу преждевременно и аудитория могла полюбоваться искусственной молнией.

Усиленное на вискерах поле вызывает автоэлектронную эмиссию. Ток, протекающий по вискеру, разогревает его, те же электроны бомбардируют анод, разогревают и его, вакуум заполняется десорбированным с электродов газом и испаренным материалом электродов, и в этой среде происходит электрический пробой. Итак, пробой вакуумного промежутка — это процесс, в результате которого этот промежуток заполняется газом (затем следует пробой в газе).

Теперь посмотрим, что происходит при протекании тока через вискер. При больших токах вискер нагревается и испаряется, но происходит это настолько быстро и нагревается он настолько сильно, что превращается в кусок плазмы — «факел», расширяющийся со скоростью в десятки километров в секунду. Поле «вытягивает» электроны из плазмы — эта эмиссия называется «взрывной». Такой сильный нагрев, при котором вискер испаряется, вызывает, конечно, и плавление близлежащего материала. Электрическое поле вытягивает из этого расплава сосульки — новые острия.

В поведении вискеров есть много интересного. У конца виске-ра увеличивается напряженность поля, и следовательно, молекула газа поляризуется, а та, которая была полярной (СО₂, Н₂О), поворачивается и — из-за неоднородности поля (чем ближе к острию, тем поле сильнее) — притягивается (рис. 34). Непрерывное поступление на вискер молекул из вакуума ускоряет ход химических реакций на его поверхности. Любопытно также, что при некоторых значениях приложенного поля вискер может начать колебаться в плоскости и вокруг оси. Механизм этого явления не вполне ясен, да и само явление было открыто совсем недавно*). И, наконец, кольцевые кратеры на аноде.

вещества, оказавшийся в зазоре, будет бомбардироваться электронами и нагреваться до превращения в пар. Если нагрев слабый, то кусочек долетит до противоположного электрода и может превратиться в пар, ударившись о него. Поведение кусочка, летящего по зазору, довольно сложно, так как бомбардировка его электронами зависит от его потенциала, потенциал зависит от заряда, а заряд — от предшествующей бомбардировки. И задача эта довольно актуальна — не далек тот час, когда на космических аппаратах начнут устанавливать высоковольтную аппаратуру, кругом вакуум, никаких стенок, объемов и насосов не надо, но в вакууме, хотя он и космический, летают микрометеориты — те самые кусочки, которым ничего не стоит вызвать пробой.

Если при подлете частиц к электроду напряженность поля на частице окажется достаточно высока, то пробой («обычный» вакуумный пробой) возникнет между нею и электродом. В результате пары материала попадут в зазор и начнется вакуумный пробой через весь зазор.

Инициатором «большого» пробоя может быть и другой «маленький» пробой. Например, на катоде могут быть маленькие кусочки изолирующей пленки (окислы или кусочки абразива, которым обрабатывали поверхность). Положительные ионы из зазора прилетают на катод, попадают на эту пленку, застревают на ней — она же диэлектрическая! — заряд все растет и растет. Увеличивается напряженность поля в пленке, происходит пробой этой пленки, ее испарение, пар попадает в зазор и начинается вакуумный пробой.

Заметим, что в данном случае пробой вакуумного промежутка был инициирован пробоем диэлектрика. Пробой диэлектрика мы рассматривать не будем, но вот о пробое по диэлектрику, или о так называемом поверхностном пробое, не сказать нельзя. И не столько потому, что он может инициировать «большой пробой», сколько потому, что физика его — в большей мере — вакуумная.

Итак, пусть кусок диэлектрика зажат между двумя электродами и на них подано напряжение (рис. 37). Из-за высокой напряженности поля начинается автоэлектронная эмиссия с электрода, вторичные электроны, выбитые первичными из диэлектрика, летят направо, опять порождают вторичные, и все это устремляется к аноду, по пути десорбируя с диэлектрика газ. В этом газе и происходит пробой. Заметим, что если к тонкой металлической проволоке, находящейся в вакууме, приложить высокое напряжение, то в процессе быстрого нагрева она десорбирует с себя газ и, если приложенное напряжение большое, успеет произойти разряд в газе вокруг уже испаряющейся проволочки. Этот процесс был изучен сравнительно недавно*).