真空绝缘闪络的电子触发极化松弛理论

图 1 介 质中陷阱电荷的产生部位及相应的闪络发生形式 Fig.1 Three different localizations of charges trapped in insulators
假设一半径为 rb , 极化率为 χb 的球形 区域被 包围在极化率为 χ的介质中 , χb <χ。 如球形区域 中心为一负电荷(图 2a), 由式(1)可知 , 两种不同极 化率的介质交界处会产生一正极化电荷 。于是一个 负电荷会自陷在势阱中 , 其势能为 :
研究发现 , 最初入射介质材料的高能电子中绝 大部分均被陷阱捕获在接近于渗透极限的区域内 , 表层深度约几 μm 。 这些电荷陷阱逐步构成一个负 电荷层且密度不断增长 , 并随着后续电子的加入厚 度向介质表面加宽 , 二次电子则在已入陷空间电荷 的斥力作用下散开 。 当空间电荷的退斥能接近于入 射电子的加速能时后者便被横向驱散 , 导致介质表 面电荷的扩展 。 一直径 <1 μm 、能量 20 keV 的电子 束可沿入射电子束方向产生 几 μm 厚的空间电荷 , 在介质表面散开的空间电荷面积可达 1 mm2 。 需注 意 :相对高密度空间电荷的建立是介质极化的结果 , 若无介质极化 , 电荷进入介质时便会被驱散 , 除非它 们被束缚在能级达到几 eV 的较深势阱中 。 1.4 空间电荷的平衡被打破
这一现象说明了极化子被陷阱化的事实 。
通过研究介于两 电极之间绝缘体击穿特性发
现 , 绝缘体 表面同样产生正电 荷 , 且随 着时间的推
移 , 同负电荷一样保持非常好的稳定性 。 正电荷与
介质中空穴的存在直接相关 , 同样使介质发生极化 。
正电荷稳定性好是因为介质中存在的极化子陷阱能
够捕获并且稳定这些在价带中游移的空穴 。至此可
0 引 言
真空绝缘的闪络过程可大致分为初始 、发展和 最后贯穿阶段 , 其中间阶段即闪络现象的微观发展 机理 , 目前尚无能解释所有物理现象的公认理论[ 1] 。 上世纪 90 年代前的众多假说中以电子崩理论最具 代表性。 然而, 随着研究的深入, 法国科学家 G . Blaise 和 C .Le Gressus 发现 , 虽然电子轰击能导致绝 缘闪络发生 , 但特定下条件下 , 即使绝缘体上未施加 外部电压也同样发生闪络 , 必须从新的角度重新探 讨闪络的发生机理 。 他们认为尽管电子崩理论有其 存在的合理性 , 但它的支持者忽略了一个引发闪络 的重要能量来源即介质的极化能 。 最终他们提出了 基于极化能量释放导致闪络的新假说 , 即电子触发 极化松弛理论 。
1 电子触发极化松弛理论
1.1 假说提出的实验依据 介质材料在电子扫描显微镜发射的电子束扫描
轰击下被充电后 , 在无外加电场作用下发生闪络的 实验表明 , 陷阱电荷是其根源 , 同时还发现 , 闪络的 形式随着空间电荷位置的不同呈现不同的风格 。 如
果介质表面被一层污物覆盖 , 陷阱电荷主要存于污 物层或介质交界面中 , 此时发生闪络会驱散介质表 层的污物(图 1a 、a' );对新制备介质材料 , 陷阱电荷 主要产生于介质的晶粒内部 , 闪络将导致晶粒熔化 (图 1b 、b' );
Wb =-2E R(χ-χb)/ n(1 + χ)(1 + χb), (3) 式中 , ER =1Rydberg =13 .5 eV 。
与负电荷情况相似 , 球形区域的中心同样可为 正电荷并构建一个陷阱(图 2b)。可假设电 荷陷阱 化后的介质特性表现为 :无论在介质内部抑或表面 , 电荷陷阱化的发生与极化率梯度之间密切相关 。 换 言之 , 位于高极化率介质材料中的低极化率区域易 形成陷阱 , 且正负电荷均可陷阱化 。
真空绝缘闪络的电子触发极化松弛理论
高 巍1, 2 , 孙广生1 , 严 萍1 , 邵 涛1 , 2 (1.中国科学院电工研究所 , 北京 100080 ;2.中国科学院研究生院 , 北京 100039)
摘 要 :从实验依据 、电荷陷阱化过程 、电介质充电机理 、空间电荷 稳定性被破 坏以及沿面 闪络发生 等多角度系 统 地论述了基于极化能量释放导致沿面闪络的新假说 , 即电子触发极化松弛理论(ETPR)。 根据 ETPR 分析得出 :电压 性能优良的介质应包含尽量少的极化子陷阱 , 以 减小空间电荷(正负电荷)的密度 。 小结了 该假说的 局限性即无 法 对真空绝缘体承受高压后能在几 ns 内发生闪络这一物理现象作出合理解释 。 关键词 :陷阱 极化子 缺陷 极化能 中图分类号 :TM85 文献标 识码 :A 文章编号 :1003-6520(2004)08-0003-03
图 3 介质受电子辐射时电荷分布 建立过程的定性描述
Fig.3 Qualitative representation of the construction of a negative space charge inside a dielectric material bombarded with high energy electron
2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China)
Abstract :The electron triggered polarization relaxation theory (ETPR), postulated by Blaise and Gresus, is summarized from several aspects, such as experimental evidence , traps related to dielectric medium, mechanism of electron charging of dielectric , destabilization of the space charge , initiation of the surface breakdown and so on, Based on ETPR, the specification of a good dielectric material is formulated and a conclusion is give :a good dielectric is one which contains the smallest number of polaron traps , so as to reduce the density of the space charge (positive or negative).The limitation of ETPR is discussed , it can' t give an explanation for the cases of flashover with ns pulses . Key words:trap polaron defect polarization energy
DO I :10.13336/j .1003 -6520.hve .2004.08.002
2第00340年卷 第 88
期 月
高 电 压 技 术 High Voltage Engineering
VAuolg..30 N2o0. 084
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Electron Triggered Polarization Relaxation Theory for Flashover of Insulators in Vacuum
GAO Wei1 , 2 , SUN Guangsheng1 , YAN Ping1 , SHAO Tao1, 2 (1.Institute of Electrical Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China ;
如果介质材料已老化 , 陷阱电荷则主要存于晶 粒交界处 , 此处特点是杂质发生了分离 , 故闪络使晶 粒从介质中脱离 。实验结果还显示 , 老化介质中闪 络的部位是晶界处而非晶粒体内部(图 1c 、c' )。
1.2 陷阱 电子触发极化松弛理论认为陷阱电荷是闪络的
根源 , 需先说明电荷如何陷阱化 。 极化电荷体密度 ρxyz 与介质极化强度向量 P 的散度成正比 , 自由电荷 体密度 ρf 等于电位移 D 的散度 , 即有
形成多存在于以下几种情况 :介质中的杂质微粒或 界能必须大小适度 。首先 , 边界能必须足够大以保
2004 年 8 月 高 电 压 技 术 第 30 卷第 8 期 · 5 ·
证电荷稳定 ;其次 , 边界能还必须足够小 , 以保证电 荷在受到各种扰动(温度变化 、外加电场作用 、机械 应力改变等)时能发生迁移 。 尽管目前尚缺乏充足 的实验依据说明电子发射所致 的空间电荷平 衡问 题 , 仍可就平衡问题作如下说明 :①因陷阱化极化子 间斥力较弱 , 故空间电荷密度可保持在较高程度 ;② 电荷分布的空间梯度必须保持足够低的水平 , 以避 免内部电场过强导致电荷退陷阱化 。 经综合考虑 , 可设想出介质受到电子辐射时 电荷分布的建 立过 程 , 图 3 即为其定性描述 。 图中的点划线代表入射 电子的入陷深度 , 箭头表明空间电荷的发展方向朝 向介质表面 ;实划线表明电荷的横向扩展趋势 ;圆点 密度代表空间电荷密度 。
ρxyz =- · P =-ε0E · χ-ε0 χ · E ,
ρf = · D =ε0 χ· E +ε0(χ+1) · E 。
消去式中因子 ·E , 得介质内 ρxyz 的普通表达式 : ρxyz =-ρfχ/(χ+1)-ε0 χE/(χ+1), (1)
式(1)中 , 右边第一项是自由电荷引起的极化电荷 , 若介质内无自由电荷则该项恒为零 。 右边第二项是 极化率梯度 χ和电场强度E 相互作用而引起的极
图 2 极化率 χb 较小 介质被极化率
χ较大介质包围 Fig.2 Material composed of a medium of susceptibility χb smaller than the susceptibility χof the surrounding
根据电子扫描显微镜获得的图像已印证了上述 假设 , 即空间电荷的变化的确与局部极化率的非均 匀性有关[ 5] 。研究证实 , 介质材料中存在的缺陷 , 无 论是结构性的还是发射导致的 , 是电子碰撞使绝缘 体表面充电的关键因素 。 一般介质中电荷陷阱化的
分子聚集点 、因无序或添加剂原因而产生的微小缺 陷 、位错或晶界所构成的缺陷等等 。 1.3 电介质充电机理
在 Blaise 和 Gresus 的实验中 , 介质充电过程通 过电子碰撞实现 , 电子束 来源是电子扫描 显微镜 。 实验结果表明 , 陷阱化电荷的分布深度与电子渗透 限度有关 , 即电子陷阱化区域主要取决于介质材料 , 它们不仅已存在于介质内且密度较高 , 但此前学界 一直认为介质缺陷主要由电子碰撞所导致 。注入电 子与极化介质共同构成一种准粒子 , 称作极化子 , 在 此可简单地把它视为由极化介质构成的势阱中的负 电荷 。需特别说明 :极化子是运动的即在自己的能 带中跳跃或传导 。同时 , 介质能携带稳定的负电荷
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Aug.2004 High Voltage Engineering Vol .30 No .8
化电荷 。假设不含自由电荷的电介质处于电场 E 中 ,
如介质极化率 χ非均衡 , 则局部 ρxyz 的表达式为
ρxyz =-ε0 χE/(1 +χ)
(2)
由(2)式可知 , 极化电荷由 χ和 E 相互作用而引 起 , 其极性由 χ·E 的作用结果而定 , 即介质的局 部极化电荷密度与介质的极化率直接相关 。
假设 , 极化子陷阱的存在能同时捕获并稳定正负两 种电荷 。 于是 , 当介质被置于电场中或受到带电粒 子辐射时 , 能以一种非常平衡的方式描述介质的充 电及电极化现象 。 上述平衡观点可用于解释沿面击 穿现象所存在的一些共性特征 , 如空间电荷的存在 、 真空气压的上升 、绝缘体表面处理等等 。 实验研究 还表明 ,来自百度文库入陷于介质中的电荷密度取决于材料的本 质特性 , 这与极化子陷阱的存在也同样取决于材料 的本质特性相一致 。需特别指出 :极化子陷阱的边