真空介质放电机理的概述

真空介质中的放电现象有着十分复杂的成因和许多未知因素，自1920年以来，已有不少研究者从事试验研究工作，试图合理地解释从预放电开始到间隙的击穿过程。但由于真空中剩余气体的种类、电极材料和表面状况，以及附着杂质的不同，这些因素敏感地影响了放电电压的变化，所以至今仍未寻求到一套能完整地阐述真空中放电现象的理论。在此期间推出了一些理论并经试验验证，也只能分析局部的或特定条件下的放电现象。尽管这些理论的解释方法不尽相同，但它们对灭弧室的设计和制造都有着重要的参考意义和实用价值。以下仅介绍其中比较有重要意义的两种理论。

1.电子发射理论

电子发射理论包括增强热电子发射理论和冷电子发射理论。

Schottky增强热电子发射理论是最早解释自由电子的出现及其发射过程与温度、电场相关的理论。即在阴极中，电子能量大部分很低，在阴极被加热以后电子增加了动能，如果再处于外施电场107V/mm或更高的场强中，该电场降低了阴极金属材料的势垒高度，使电子脱离金属表面所需的逸出功变小，即高压电场增强了热电子的发射效应。但是，以后的试验证明，在温度1000K以下的场致发射与温度大小无关。

Fowler和Nordheim经研究后认为，阴极金属材料中电子能量分布在具有最大值的一条费米能带上，高压电场的作用使金属中的电子势垒在费米能带处的宽度减小、高度降低。如果电场强度达到109V/mm，则电子具备了足够的发射能量。这一理论得到用场致发射显微镜试验验证的支持。该试验使用一针状阴极，它制造得非常精细和理想，排除了影响放电的电极表面微观几何形状、吸附的气体和附着的杂质等因素。经测量发射电流的密度和用高速摄影机记录，证实了电子发射确实来自冷阴极表面。

2.二次电子发射理论

二次电子发射理论认为，阳极对阴极的相互吸引作用使阴极产生二次电子发射，从而引起间隙的击穿。研究者用试验进行了验证，其方法是分别仔细测量由Cr、Cu制成的两个电极开始出现原子辐射的时间和辐射强度，结果发现阴极金属开始辐射的时间总是比阳极开始辐射的时间迟，而且是在阳极辐射几十毫秒并衰退以后，阴极辐射才开始增强并由它发射的蒸气维持放电。还有的研究者在试验中发现另一种现象，即当阴极发射的电子束以很大的能量轰击阳极上很小的一块面积时，阳极释放出离子再去碰撞阴极，然后引起阴极在低于阴极表面有焦耳热作用的电压下发射大量的电子，最后导致间隙击穿。

虽然上述理论都只能从不同的角度解释真空中放电发生的机理，但从它们研究的过程中得到了影响放电特性与电极构造、金属材料、几何尺寸等相关的重要因素，这对真空灭弧室的设计和特性研究都有非常重要的指导意义。这些因素主要概括如下：

（1）电极材料与表面状态。在真空中进行的大量试验研究得到的结论是：击穿电压与电极材料的逸出功大小无关，而材料的硬度、微观光洁度以及附着杂质的种类和它们的形状却对击穿电压有着极大的影响。

金属电极的间隙等于定值时，材料的硬度越大，击穿电压越高。表1-1是Trump测量的几种电极材料在间隙均为1mm时按工频击穿电压高低排列的数字。其中只有铝是例外，其硬度比铜低，但击穿电压却比铜高，原因尚不清楚。其他研究者测得的具体数字与表1-1虽然不同，但规律是一致的，这与硬度大，在加工中可能出现的微观凸起较少有关。另外，金属本身特性、表面氧化程度、熔点和蒸气压力确定的最高去气温度、杂质种类及含量等都对间隙的击穿电压有一定影响。(www.xing528.com)

表1-1　不同电极材料在间隙为1mm时的工频击穿电压

（2）间隙距离。在距离小于几毫米时，击穿电压随极距的增大而升高，与极距呈近似的线性关系；极距增大，这一关系呈非线性。随着极距再增大，击穿电压的增量越来越少，近似地呈饱和状态。例如，在图1-3中，铜电极间隙为12mm固定值，工频击穿电压与空气压力变化之间的实测关系曲线呈现了在高真空状态下，气体压强达到10-2Pa（10-7bar）时，放电电压不再随真空度的提高而增加。这一现象显然与空气中放电的规律不同，因而也证实真空中击穿放电发生的机理有着它的特殊性。

图1-3　铜电极间隙（固定为12mm）耐受电压与真空度的关系曲线

图1-4　在不同介质中，极距和冲击击穿电压的关系曲线

图1-4还绘出了在其他几种介质中冲击击穿电压与极距的关系曲线。作为对比，可观察到真空介质比其他几种介质具有更优异的绝缘强度，同时也可了解真空灭弧室不能像其他介质的灭弧室那样以简单地增长断口（电极间隙）的尺寸来提高额定电压的原因。

（3）电场的不均匀程度。电极之间的电场状况，尤其是边缘和棱角处的几何形状影响着电场的不均匀程度，也显著地影响着间隙的击穿电压。这些部位的曲率半径越小，局部电场越不均匀，间隙的击穿电压越低。