I. Yalıtkanın Gerilim Düşüşüne Dayanmasının "Birincil Suçlusu": Yüzey Parlaması Olayı
Alümina izolatörler, yüksek-güçlü ekipmanlarda ve yüksek-vakum/elektrikli vakum cihazlarında aynı anda elektrik yalıtımı ve mekanik destek rollerini üstlenerek onları vazgeçilmez temel bileşenler haline getirir. Bununla birlikte, yüksek vakum ve yüksek alan gücü koşulları altında, dayanım voltajındaki darboğaz genellikle dökme malzemede değil yüzey işlemlerinde yatmaktadır; en tipik olanı yüzey deşarjının bozulmasıdır (yani yüzey parlaması). Yüzey parlaması, güçlü bir elektrik alanı altında, katı bir yalıtkanın yüzeyinin ve bitişik ortamın (gaz/sıvı; vakumda, yüzeyden emilen gaz ve elektron emisyonunun eşlik ettiği) iyonize veya iletken hale geldiği olguyu ifade eder. Katı yüzey boyunca bir deşarj kanalı gelişir, elektrot boşluğunu kaplar ve sonuçta arızaya ve yalıtım arızasına yol açar. Bu olay, yüksek-voltajlı dielektrik ekipmanın dayanım voltajını ve operasyonel güvenilirliğini önemli ölçüde zayıflatarak potansiyel ekonomik kayıplara yol açmakla kalmaz, aynı zamanda katı izolatörlerin kompaktlığını ve minyatürleşmesini sınırlayan temel bir darboğaz görevi de görür. Eşik karşılaştırması perspektifinden bakıldığında, yüzey parlaması için başlatma voltajı/alan gücü, tipik olarak toplu bozunma veya saf dielektrik boşluklar için bozulma seviyesinden çok daha düşüktür. Örneğin: yalıtım ortamı olarak vakum kullanıldığında, kritik arıza alanı kuvveti yaklaşık 35 kV/mm'dir; toplu yalıtım ortamı olarak alümina seramik için kritik hacimsel bozulma alanı kuvveti genellikle 30–40 kV/mm'dir; oysa bir alüminyum-vakum yalıtım sisteminde, uygulanan alan kuvveti genellikle yalıtkan üzerinde yüzey parlamasını tetiklemeden önce bu kritik değerlerin yalnızca-biri ila onda birine ulaşır ve hatta potansiyel olarak Al₂O₃ yüzeyinde yerel hasara neden olur.
II. Yüzey Flashover Gerilimini Etkileyen Faktörler
Araştırma, yüzey parlamasını etkileyen faktörlerin öncelikle şunları içerdiğini göstermektedir: uygulanan elektrik alanının dalga biçimi ve genliği, vakum seviyesi ve artık gaz bileşimi, elektrot yapısı ve malzemesi, yalıtkan geometrisi ve boyutları, yalıtkan malzemesi ve yüzey özellikleri (pürüzlülük, temizlik, adsorpsiyon/kirlenme, kaplama), ön-deşarj/pişirme ve diğer ön işlemlerin yanı sıra yüzey şarj durumu ve yüzey gaz adsorpsiyonu. Malzeme araştırması perspektifinden bakıldığında, vakum elektroniğinde kullanılan seramiklerin bileşimi, şekli ve yüzey özelliklerine odaklanılmaktadır. Yüzey parlamasını etkileyen temel elektriksel parametreler arasında dielektrik sabiti ε, elektriksel iletkenlik σ ve ikincil elektron emisyon katsayısı δ (SEE) yer alır. Genel olarak: ① Daha yüksek bir dielektrik sabiti, elektrot-yalıtkan-vakum üçlü bağlantısındaki elektrik alanı distorsiyonunu artırma eğiliminde olup yüzey parlama eşiğini düşürür. ② Uygun bir aralıkta, artan yüzey iletkenliği, yüzey yükü dağılımını hızlandırır ve başlatmayı engeller, ancak aşırı yüksek iletkenlik, kaçak akımı artırır ve dayanım voltajına zarar veren termal dengesizliğe yol açabilir. ③ SEEA modeline göre, yüzey ikincil elektron emisyon katsayısının azaltılması elektron çoğalmasını bastırır, dolayısıyla yüzey parlama gerilimini artırır.
SEEA (SEE-tabanlı deşarj mekanizması modeliyle ilgili olarak): İkincil Elektron Emisyonu Çığ (SEEA) modeli ilk olarak Amerikalı bilim adamları Anderson ve Brainard tarafından önerildi. Bu model, uygulanan yüksek voltaj altında, elektrot-yalıtkan-vakum üçlü birleşiminden yayılan başlangıç elektronlarının enerji kazandığını, hızlandırıldığını ve yalıtkan yüzeyini bombaladığını ileri sürmektedir. Çarpan bu elektronların enerjisi belirli bir eşiğe ulaştığında, ikincil elektron emisyonu meydana gelir ve aynı anda yalıtkan yüzeyinde pozitif yükler kalır. Bu ikincil elektronlar, elektrik alanının etkisi altında, yalıtkan yüzeyi yeniden bombalayarak daha fazla ikincil elektron üretir. Bu süreç tekrarlanır ve sonuçta ikincil bir elektron çığına yol açar.
III. Alümina Seramikler için Yüzey Flashover Bastırma Teknikleri
Katı yalıtım malzemelerinin yalıtım performansını geliştirmenin anahtarı, yüzey parlama gerilimini artırmaya çalışırken toplu yalıtım özelliklerini korumaktır. Mevcut mekanizmalara dayanarak, iyileştirmeye yönelik ana yollar iki kategoriye ayrılır: ① Elektron çoğalmasını baskılamak için yüzey ikincil elektron emisyon katsayısını (δ) azaltın; ② Yüzey yükünün dağılımını hızlandırmak için yüzey direncini uygun bir pencere içinde tasarlayın, böylece aşırı yerel alan konsantrasyonunu ve termal kararsızlığı önleyin. Bu iki "maddi elektriksel parametre" yaklaşımına paralel olarak mühendislik, üçlü -bağlantı alanı gücünü azaltmak ve kanal oluşumunu geciktirmek için sıklıkla tamamlayıcı bir dizi geometri/alan dağıtım kontrol önlemi kullanır. Örneğin, alümina seramik izolatörlerin yüzeyindeki periyodik olukların (veya olukların) işlenmesi, kaçak mesafesini artırabilir, eş potansiyel çizgileri düzleştirebilir, dış boyutları arttırmadan üçlü bağlantıdaki teğetsel alan gücünü azaltabilir, aynı zamanda elektron dönüş yollarını kesintiye uğratabilir ve etkili SEE kazancını azaltabilir, böylece kanal oluşumunu geciktirebilir ve yüzey parlama voltajını yükseltebilir. Yeni keskin kenarlarda yerel alan iyileştirmesinden kaçınmak için olukların tepeleri yuvarlatılmalıdır.