Причины появления пробоев в приборах

Источником пробоев могут служить и паразитные емкости электродов. Например, если прибор не имеет внешнего заземленного проводящего покрытия, разрядным конденсатором при пробое может служить емкость между внешним металлическим экраном и внутренним проводящим покрытием.

При прочих равных условиях вероятность пробоя значительно повышается с увеличением температуры изолятора.

На практике часто встречается тепловой пробой стекла горловины кинескопа в зоне под отклоняющей катушкой, это имеет место при неправильной конструкции или неисправности работы отклоняющих систем (наличие в катушке межвиткового замыкания, перегрузка отклоняющей системы, малый зазор между отклоняющей катушкой и горловиной).

Тепловой перегрев приводит к электролизу стекла, т. е. к изменению его однородности и химического состава и, как правило, к снижению электрического сопротивления. Все эти факторы способствуют точечному пробою через толщу стекла с внутренней поверхности горловины (находящейся под наведенным полностью покрывают поверхность изолятора 2 между двумя электродами 1, 3, находящимися над разными потенциалами (рис. 28.2) .

Например, при наличии загрязнения на участке de изолятора разность потенциалов оказывается приложенной не между электродами / и 3, а между электропроводящим загрязнением на изоляторе в точке с и электродом I.

Практически это приводит к уменьшению длины изолятора, снижению электрического сопротивления между электродами и соответственно повышению напряженности поля в промежутке между загрязнением и электродом, т. е. на участке cb изолятора. При отсутствии загрязнения напряженность поля между электродами равна £i= U/ db;

Вероятность пробоя через толщу стекла резко повышается при наличии в стекле пузырей.

Напряженность поля у поверхности электрода не должна превышать критического значения (6—8 • )10⁷ В/м.

Повышение напряженности электрического поля обычно связано с наличием на деталях заусенцев, острых кромок, микроскопических неровностей и нитевидных микроострий.

Эти дефекты особенно опасны на деталях, находящихся под отрицательным потенциалом и при малых расстояниях между электродами, а также на деталях, находящихся при высокой температуре и подвергающихся интенсивной электронной и ионной бомбардировке.

Причинами появления дефектов обычно являются: применение некачественного инструмента или нарушение технологии при штамповке деталей; неоптимальные режимы травления и полировки деталей; попадание на детали брызг и выплесков металла на операциях пайки, сварки внутренней арматуры, распыления газопоглотителя; наличие на деталях пыли, а также нагрев деталей на воздухе или в атмосфере собственных паров при температуре 200—400°С (при этом образуются нитевидные микроострия, так называемые «вискеры», у которых отношение длины к диаметру достигает 100—1000).

Вблизи острия возникает очень большая напряженность электрического поля (в 100—200 раз выше, чем средняя напряженность поля между гладкими электродами). Например, при микронном диаметре острия и напряжении 4 кВ напряженность поля у вершины острия превысит 10⁷ В/мм.

Кроме того, заусенцы, нитевидные и другие острия ориентируются электрическим полем в направлении силовых линий поля — перпендикулярно плоскости детали, что приводит к уменьшению расстояния между электродами и дальнейшему повышению напряженности поля.

При высокой напряженности поля имеет место автоэлектронная (холодная) эмиссия — электрическое поле вырывает электроны с острия и ускоряет их по направлению к аноду и в приборе возникает «паразитный», автоэлектронный ток.

При протекании тока автоэлектронной эмиссии выделяется теплота, микроострия нагреваются до высоких температур (ввиду малой толщины микроострий и плохого отвода от них теплоты локальная температура острий значительно превышает среднюю Температуру поверхности электрода) и начинают испускать не только автоэлектроны, но и термоэлектроны. Таким образом, почти каждое острие становится одновременно и автоэлектронным, и термоэлектронным «паразитным» катодом. Общий ток «паразитной» эмиссии, приводящий к появлению посторонних шумов, засветок и пробоев, слагается из суммы токов автоэлектронной и термоэлектронной эмиссий.

Особенно большие токи «паразитной» эмиссии наблюдаются при напылении на острые края и заусенцы пленок, имеющих малую работу выхода (например, частиц оксидного покрытия с катода или бария с газопоглотителя и т. д.).

Электроны, вылетающие с острых краев и заусенцев, образуют так называемый предпробойный ток, они бомбардируют электроды внутренней арматуры, находящиеся под положительным потенциалом, поверхности изоляторов и стеклооболочки прибора.

При бомбардировке электронами деталей внутренней арматуры и стеклооболочки прибора происходят следующие процессы, Способствующие возникновению пробоев, приводящих к потере работоспособности приборов.

• 1. Быстрое локальное возрастание температуры деталей, бомбардируемых «паразитными» электронами, приводит к десорбции газов и паров, распылению и испарению металлов и различных загрязнений и соответственно к резкому повышению давления в приборе

• 2. Ионизация газов и паров, «выбитых» из электродов: атомы металлов превращаются в положительные ионы, которые устремляются по направлению к электродам, находящимся под отрицательным потенциалом,— вокруг каждого пучка ионов образуется магнитное поле, фокусирующее и стягивающее ионы в узкий электропроводящий оцкур» с большой плотностью заряженных частиц.

• 3. Ионная бомбардировка электродов, вызывающая интенсивное газовыделение и распыление материала электродов, приводит к лавинообразному возрастанию давления в приборе, концентрации заряженных частиц и возникновению дугового разряда — пробоя между электродами.

• 4. Появление высокого положительного потенциала на внутренней поверхности стеклооболочки, слюде, керамике, стеклянных изоляторах — это объясняется тем, что коэффициент вторичной эмиссии изоляторов при бомбардировке их электронами превышает единицу. Наличие высокого положительного потенциала на изоляторах создает предпосылки для возникновения пробоев между изоляторами и близко расположенными электродами с низким потенциалом (например, между внутренней поверхностью горловины и фокусирующим электродом), а также между отдельными участками изоляторов, приобретающими при работе приборов разные потенциалы.

Следует учитывать, что чем лучше проактивирован катод и выше его эмиссия, тем меньше вероятность пробоя на эмиттирую-щую поверхность катода, так как плотный поток электронов, испускаемый из катода, «гасит» (нейтрализует) положительный заряд ионов и предотвращает лавинообразное возрастание тока разряда — происходит как бы самогашение разряда и пробоя не возникает. Поэтому пробой в высоковольтных приборах обычно наблюдается не между эмиттирующей поверхностью катода и находящимся против нее высоковольтным электродом, а в зазорах между поверхностями этих электродов, не имеющими эмиссионных покрытий (например, на ободке катода, рис. 28.3).

Таким образом, появлению пробоев на катод способствуют любые факторы, снижающие ток эмиссии катода: недостаточный разогрев катода к моменту подачи высоких напряжений на электроды; неоднородность эмиссии на поверхности катода; истощение (снижение эмиссионной способности) прибора.

При низких напряжениях на электродах может возникнуть пробой на катод в виде искрения. Искрение является как бы первой фазой пробоя. При искрении происходит частичное распыление материала катода, однако лавинообразный процесс образования разряда длится очень малое время: разряд успевает погаснуть, не достигнув анода.

Искрение наблюдается при отборе больших токов, когда происходит перегрев током отдельных участков катода (например, при большом сопротивлении запорного слоя, плохом контакте между оксидным покрытием и подложкой, при истощении и возрастании сопротивления оксидного слоя пои большой шероховатости, пористости растрескивании и неоднородности сопротивления оксидного покрытия). Длительность катодных искрений обычно очень мала (0.1—0,02 мкс) и они, в отличие от пробоев, не сопровождаются заметным спадом напряжения на электродах.

На рис. 28.4 показаны функциональные взаимосвязи различных процессов, непосредственно или косвекнс .приводящих к понижению электрической прочности и возникновению пробоя междуэлектродных промежутков ЭВП.