I. Isolatorens "Primære Synder" modstår spændingsnedbrydning: Overfladeoverslagsfænomen
Alumina isolatorer fungerer samtidig elektrisk isolering og mekanisk støtte i høj-effektudstyr og høj-vakuum/elektrisk vakuumenheder, hvilket gør dem til uundværlige nøglekomponenter. Under højvakuum og høje feltstyrkeforhold ligger flaskehalsen i modstå spænding imidlertid ofte ikke i bulkmaterialet, men i overfladeprocesser - den mest typiske er overfladeudladningsnedbrydning (dvs. overfladeoverslag). Overflade flashover refererer til det fænomen, hvor overfladen af en fast isolator og dets tilstødende medium (gas/væske; i vakuum, ledsaget af overfladedesorberet gas og elektronemission) bliver ioniseret eller ledende under et stærkt elektrisk felt. En udledningskanal udvikler sig langs den faste overflade, spænder over elektrodegabet og fører i sidste ende til gennembrud og isolationsfejl. Dette fænomen svækker ikke kun væsentligt modstandsspændingen og driftssikkerheden af højspændingsdielektrisk udstyr, hvilket forårsager potentielle økonomiske tab, men fungerer også som en kerneflaskehals, der begrænser kompaktheden og miniaturiseringen af solide isolatorer. Fra et tærskelsammenligningsperspektiv er initieringsspændingen/feltstyrken for overfladeoverslag typisk meget lavere end nedbrydningsniveauet for bulknedbrud eller rene dielektriske mellemrum. For eksempel: når vakuum bruges som det isolerende medium, er den kritiske nedbrydningsfeltstyrke ca. 35 kV/mm; for aluminiumoxidkeramik som bulkisoleringsmediet er den kritiske volumennedbrydningsfeltstyrke generelt 30-40 kV/mm; hvorimod i et vakuumisoleringssystem af aluminiumoxid, når den påførte feltstyrke ofte kun en-tiendedel til en brøkdel af disse kritiske værdier, før den udløser overfladeoverslag på isolatoren, hvilket potentielt endda forårsager lokal skade på Al₂O₃-overfladen.
II. Faktorer, der påvirker overfladeoverslagsspænding
Forskning peger på, at de faktorer, der påvirker overfladeoverslag primært omfatter: bølgeform og amplitude af det påførte elektriske felt, vakuumniveau og restgassammensætning, elektrodestruktur og -materiale, isolatorgeometri og dimensioner, isolatormateriale og overfladekarakteristika (ruhed, renhed, adsorption/forurening, belægning), for{0}}for-{0}}såvel overflade- og forladning og overfladegas samt anden overfladeafladning/bagning. adsorption. Fra et materialeforskningsperspektiv er der fokus på sammensætningen, formen og overfladeegenskaberne af keramik brugt i vakuumelektronik. Vigtige elektriske parametre, der påvirker overflade flashover, omfatter dielektrisk konstant ε, elektrisk ledningsevne σ og sekundær elektronemissionskoefficient δ (SEE). Generelt: ① En højere dielektricitetskonstant har en tendens til at forstærke elektrisk feltforvrængning ved elektrode-isolator-vakuum-trippelforbindelsen, hvilket sænker overflade-overslagstærsklen. ② Inden for et passende område accelererer øget overfladeledningsevne spredning af overfladeladning og hæmmer initiering, men for høj ledningsevne øger lækstrømmen og kan føre til termisk ustabilitet, hvilket er skadeligt for at modstå spænding. ③ Ifølge SEEA-modellen undertrykker reduktion af overfladens sekundære elektronemissionskoefficient elektronmultiplikation og øger derved overfladeoverslagsspændingen.
Med hensyn til den SEEA (SEE-baserede udledningsmekanismemodel): Den sekundære elektronemission lavine (SEEA)-modellen blev først foreslået af amerikanske forskere Anderson og Brainard. Denne model antyder, at under en påført højspænding, får initiale elektroner, der udsendes fra elektrode-isolator-vakuum triple junction, energi, accelereres og bombarderer isolatoroverfladen. Når energien af disse påvirkende elektroner når en vis tærskel, sker der sekundær elektronemission, som samtidig efterlader positive ladninger på isolatoroverfladen. Disse sekundære elektroner, under påvirkning af det elektriske felt, bombarderer igen isolatoroverfladen og genererer flere sekundære elektroner. Denne proces gentager sig, hvilket i sidste ende fører til en sekundær elektron lavine.
III. Overfladeoverslagsdæmpningsteknikker til aluminiumoxidkeramik
Nøglen til at forbedre isoleringsydeevnen af faste isoleringsmaterialer ligger i at bevare bulkisoleringsegenskaberne, mens man stræber efter at forbedre overfladeoverslagsspændingen. Baseret på eksisterende mekanismer falder hovedvejene til forbedring i to kategorier: ① Reducer overfladens sekundære elektronemissionskoefficient δ for at undertrykke elektronmultiplikation; ② Design overfladeresistiviteten inden for et passende vindue for at fremskynde spredning af overfladeladning og derved undgå overdreven lokal feltkoncentration og termisk ustabilitet. Parallelt med disse to "materiale elektriske parameter"-tilgange anvender teknik ofte et komplementært sæt af kontrolforanstaltninger for geometri/feltfordeling for at reducere den tredobbelte-forbindelsesfeltstyrke og forsinkelse af kanaldannelse. For eksempel kan bearbejdning af periodiske korrugeringer (eller riller) på overfladen af keramiske aluminiumoxidisolatorer øge krybeafstanden, udjævne ækvipotentiallinjer, reducere den tangentielle feltstyrke ved det tredobbelte kryds uden at øge de ydre dimensioner, samtidig med at elektronreturvejene afbrydes og den effektive SEE-forstærkning reduceres, og derved forsinkes overfladespændingskanalen. Korrugeringernes toppe bør være afrundede for at undgå at indføre lokal feltforstærkning ved nye skarpe kanter.