Ионизационный пробой¶

Ионизационный пробой — это явление резкого увеличения электрической проводимости газа или другого диэлектрика под действием электрического поля, приводящее к образованию проводящего канала (искры, дуги или тлеющего разряда) и, как следствие, к потере изоляционных свойств среды. В основе процесса лежит лавинообразное размножение свободных носителей заряда (электронов и ионов) за счёт ударной ионизации нейтральных атомов или молекул. Ионизационный пробой является фундаментальным физическим процессом, определяющим работу газоразрядных приборов, ограничивающим напряжение в высоковольтной технике и лежащим в основе ряда природных явлений, таких как молния.

¶Механизм ионизационного пробоя

¶Ударная ионизация

Основным механизмом ионизационного пробоя в газах является ударная ионизация. При приложении к газовому промежутку электрического поля напряжённостью, превышающей некоторое критическое значение, свободные электроны, всегда присутствующие в газе (например, из-за космического излучения или естественной радиоактивности), начинают ускоряться полем. Приобретая кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтрального атома или молекулы (обычно 10–20 эВ для большинства газов), электрон сталкивается с ним, выбивая ещё один электрон. В результате образуются два медленных электрона, которые вновь ускоряются полем и ионизируют новые атомы. Этот процесс лавинообразно нарастает, формируя электронную лавину.

¶Лавина Таунсенда

Классическое описание развития электронной лавины дано в теории Таунсенда (Джон Сили Таунсенд, начало XX века). Согласно этой теории, число электронов в лавине растёт экспоненциально с расстоянием, пройденным в поле. Первый коэффициент Таунсенда (α) характеризует число ионизаций, производимых одним электроном на единице пути. Второй коэффициент (γ) описывает эмиссию вторичных электронов с катода под действием бомбардировки положительными ионами, фотонами или возбуждёнными атомами. Когда произведение α·d (где d — длина промежутка) достигает определённого значения, начинается самоподдерживающийся разряд — пробой.

¶Роль вторичных процессов

Для перехода от лавины к пробою необходимо, чтобы в промежутке появились новые свободные электроны взамен ушедших на анод. Это обеспечивается вторичными процессами:

• Фотоионизация: возбуждённые атомы в лавине излучают фотоны, которые могут ионизировать нейтральные молекулы вдали от лавины, создавая новые электроны.
• Ионно-электронная эмиссия: положительные ионы, ускоренные полем, бомбардируют катод, выбивая из него электроны.
• Фотоэффект на катоде: фотоны, излучаемые лавиной, могут выбивать электроны из катода.

¶Виды ионизационного пробоя

¶Пробой в газах

Наиболее изученный вид. Характеризуется напряжением пробоя, которое зависит от состава газа, давления, расстояния между электродами, формы электродов и полярности. Эмпирически описывается законом Пашена: напряжение пробоя в однородном поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами (pd). Для каждого газа существует минимум этой функции (минимум Пашена), при котором пробой происходит при наименьшем напряжении.

¶Пробой в жидкостях

В жидких диэлектриках (трансформаторное масло, деионизированная вода) пробой может быть как ионизационным, так и тепловым. Ионизационный пробой в жидкостях часто связан с наличием газовых пузырьков или примесей, в которых развивается локальный газовый разряд, переходящий в жидкость. Чистые жидкости обладают значительно более высокой электрической прочностью, чем газы при том же давлении.

¶Пробой в твёрдых диэлектриках

В твёрдых телах (полимеры, керамика, стекло) ионизационный пробой обычно происходит в результате развития электронных лавин в микронеоднородностях или по поверхности. Однако чаще разрушение твёрдой изоляции связано с тепловым пробоем, при котором нагрев приводит к необратимым изменениям (плавлению, обугливанию). Чисто ионизационный пробой в твёрдых диэлектриках наблюдается при импульсных напряжениях с длительностью, меньшей времени развития тепловых процессов.

¶Условия и параметры пробоя

¶Напряжение пробоя

Ключевая характеристика — минимальное напряжение, при котором происходит пробой газового промежутка. Для воздуха при нормальных условиях (атмосферное давление, 20 °C) и расстоянии 1 мм между плоскими электродами напряжение пробоя составляет около 3 кВ. Для расстояния 1 см — около 30 кВ. Для игольчатых электродов (неоднородное поле) напряжение пробоя может быть в 2–3 раза ниже.

¶Закон Пашена

Для однородного поля напряжение пробоя (Uпр) описывается функцией: Uпр = f(p·d) где p — давление газа, d — расстояние между электродами. Эта функция имеет минимум (для воздуха при p·d ≈ 0,5–1 мм·атм, Uпр ≈ 300–400 В). При малых pd (вакуум) пробой затруднён из-за малого числа частиц, при больших pd — из-за частых неупругих столкновений, препятствующих набору энергии электронами.

¶Влияние формы электродов

В неоднородном поле (например, остриё — плоскость) пробой начинается в области с максимальной напряжённостью, и напряжение пробоя ниже, чем для однородного поля. В таких конфигурациях часто наблюдается коронный разряд — предшествующая пробою стадия, при которой ионизация происходит только вблизи острия.

¶Применение и значение

¶Высоковольтная техника

Ионизационный пробой является основным фактором, ограничивающим рабочее напряжение линий электропередачи, трансформаторов, конденсаторов и кабелей. Для предотвращения пробоя используются изоляторы (стеклянные, фарфоровые, полимерные), изоляционные масла и элегаз (SF6). Расчёт изоляции основан на знании вольт-секундных характеристик и напряжения пробоя для конкретных условий.

¶Газоразрядные приборы

Ионизационный пробой лежит в основе работы:

• Газоразрядных ламп: неоновые лампы, люминесцентные лампы, лампы-вспышки.
• Газовых лазеров: He-Ne, CO2, эксимерные лазеры.
• Искровых разрядников: для защиты от перенапряжений (например, в линиях связи).
• Плазменных панелей: каждый пиксель представляет собой микроразрядную ячейку.

¶Природные явления

• Молния: гигантский искровой разряд в атмосфере, возникающий при пробое воздуха между облаками или между облаком и землёй. Напряжение пробоя в грозовом облаке может достигать сотен миллионов вольт.
• Огни святого Эльма: коронный разряд на острых предметах (мачты кораблей, вершины гор) в сильном электрическом поле перед грозой.

¶Интересные факты

• В вакууме (давление менее 10⁻⁴ мм рт. ст.) пробой невозможен из-за отсутствия частиц для ионизации. Однако при очень высоких напряжениях (сотни киловольт) возможен вакуумный пробой за счёт эмиссии электронов с катода и ионизации паров материала электродов.
• В 1745 году Питер ван Мушенбрук при проведении опытов с лейденской банкой (прообраз конденсатора) впервые наблюдал ионизационный пробой в виде искры.
• Закон Пашена был открыт в 1889 году немецким физиком Фридрихом Пашеном.
• В технике сверхвысоких напряжений (500 кВ и выше) для предотвращения пробоя воздушных линий применяют расщеплённые провода (по 2–4 провода в фазе), что снижает напряжённость поля на поверхности провода.
• Ионизационный пробой в газах используется в детекторах ионизирующего излучения (счётчики Гейгера-Мюллера), где импульс тока от лавины регистрирует попадание частицы.

¶Источники

• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987.
• Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме. — М.: Гостехиздат, 1950.
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 2.
• Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: Физматлит, 2001.