I. "Primární viník" degradace napětí odolávajícího izolátoru: Fenomén povrchového flashoveru
Hliníkové izolátory současně hrají elektrickou izolaci a mechanickou podporu ve vysoce{0}}výkonových zařízeních a vysokovakuových/elektrických vakuových zařízeních, díky čemuž jsou nepostradatelnými klíčovými součástmi. Za podmínek vysokého vakua a vysoké intenzity pole však úzké hrdlo výdržného napětí často nespočívá v sypkém materiálu, ale v povrchových procesech – nejtypičtějším je průraz povrchovým výbojem (tj. povrchový vzplanutí). Povrchový flashover označuje jev, kdy se pod silným elektrickým polem povrch pevného izolátoru a jeho přilehlého média (plyn/kapalina; ve vakuu, doprovázený povrchovou desorbovanou emisí plynu a elektronů) ionizuje nebo vodí. Výbojový kanál se vyvíjí podél pevného povrchu, překlenuje mezeru mezi elektrodami a nakonec vede k průraznému průrazu a selhání izolace. Tento jev nejen výrazně oslabuje výdržné napětí a provozní spolehlivost vysokonapěťových dielektrických zařízení, což způsobuje potenciální ekonomické ztráty, ale také slouží jako úzké hrdlo jádra omezující kompaktnost a miniaturizaci pevných izolátorů. Z hlediska prahového srovnání je iniciační napětí/síla pole pro povrchový přeskok obvykle mnohem nižší než úroveň průrazu pro hromadné průrazy nebo čisté dielektrické mezery. Například: když se jako izolační médium použije vakuum, kritická intenzita pole průrazu je přibližně 35 kV/mm; pro aluminovou keramiku jako objemové izolační médium je kritická objemová průrazná intenzita pole obecně 30–40 kV/mm; zatímco u hliníkového-vakuového izolačního systému aplikovaná intenzita pole často dosahuje pouze jedné- desetiny až zlomku těchto kritických hodnot, než spustí povrchový přeskok na izolátoru, což může dokonce způsobit místní poškození povrchu Al₂O₃.
II. Faktory ovlivňující povrchové přeskokové napětí
Výzkumy ukazují, že mezi faktory ovlivňující povrchový flashover patří především: tvar vlny a amplituda aplikovaného elektrického pole, úroveň vakua a složení zbytkového plynu, struktura a materiál elektrod, geometrie a rozměry izolátoru, materiál izolátoru a vlastnosti povrchu (drsnost, čistota, adsorpce/kontaminace, povlak), před-vybíjení/vypalování a další předúpravy povrchu a povrchové nabíjení. Z hlediska materiálového výzkumu je kladen důraz na složení, tvar a povrchové vlastnosti keramiky používané ve vakuové elektronice. Mezi klíčové elektrické parametry ovlivňující povrchový výboj patří dielektrická konstanta ε, elektrická vodivost σ a emisní koeficient sekundárních elektronů δ (SEE). Obecně: ① Vyšší dielektrická konstanta má tendenci zvyšovat zkreslení elektrického pole na trojitém spoji elektroda–izolátor–vakuum, čímž se snižuje práh povrchového přeskoku. ② V rámci vhodného rozsahu zvýšená povrchová vodivost urychluje rozptyl povrchového náboje a brání iniciaci, ale příliš vysoká vodivost zvyšuje svodový proud a může vést k tepelné nestabilitě, což je škodlivé pro odolnost vůči napětí. ③ Podle modelu SEEA snížení emisního koeficientu povrchových sekundárních elektronů potlačuje násobení elektronů, čímž se zvyšuje povrchové napětí přeskoku.
Pokud jde o SEEA (model výbojového mechanismu založený na SEE{0}}): Model sekundární elektronové emise Avalanche (SEEA) byl poprvé navržen americkými vědci Andersonem a Brainardem. Tento model naznačuje, že pod aplikovaným vysokým napětím získávají počáteční elektrony emitované z trojitého spojení elektroda–izolátor–vakuum energii, jsou urychlovány a bombardují povrch izolátoru. Když energie těchto dopadajících elektronů dosáhne určité prahové hodnoty, dojde k emisi sekundárních elektronů a současně zanechá kladné náboje na povrchu izolátoru. Tyto sekundární elektrony pod vlivem elektrického pole opět bombardují povrch izolátoru a generují další sekundární elektrony. Tento proces se opakuje, což nakonec vede k sekundární elektronové lavině.
III. Techniky potlačení přeskoku povrchu pro keramiku z oxidu hlinitého
Klíč ke zlepšení izolačních vlastností pevných izolačních materiálů spočívá v zachování vlastností objemové izolace při snaze o zvýšení povrchového přeskokového napětí. Na základě existujících mechanismů spadají hlavní cesty zlepšení do dvou kategorií: ① Snížení koeficientu povrchové emise sekundárních elektronů δ pro potlačení násobení elektronů; ② Navrhněte povrchový odpor ve vhodném okně, abyste urychlili rozptyl povrchového náboje, čímž se zabrání nadměrné místní koncentraci pole a tepelné nestabilitě. Paralelně s těmito dvěma přístupy „materiálových elektrických parametrů“ inženýrství často využívá komplementární sadu opatření pro řízení geometrie/rozložení pole, aby se snížila intenzita pole trojitého-přechodu a tvorba zpožďovacího kanálu. Například obrábění periodických zvlnění (nebo drážek) na povrchu keramických izolátorů z oxidu hlinitého může zvýšit povrchovou vzdálenost, vyhladit ekvipotenciální čáry, snížit intenzitu tangenciálního pole na trojitém spoji bez zvětšení vnějších rozměrů a zároveň přerušit zpětné dráhy elektronů a snížit efektivní zisk SEE, čímž se zpomalí tvorba kanálu a zvýší se povrchové napětí přeskoku. Hřebeny zvlnění by měly být zaoblené, aby se zabránilo zavedení místního zvýraznění pole na nových ostrých hranách.