I. A szigetelő ellenállásának feszültségromlásának "elsődleges tettese": Felszíni átvillanási jelenség
Az alumínium-oxid szigetelők egyszerre töltenek be elektromos szigetelést és mechanikai támogatást a nagy{0}}teljesítményű berendezésekben és a nagy-vákuum/elektromos vákuumeszközökben, így nélkülözhetetlen kulcselemekké válnak. Nagy vákuum és nagy térerősség esetén azonban az ellenállási feszültség szűk keresztmetszete gyakran nem az ömlesztett anyagban, hanem a felületi folyamatokban rejlik – a legjellemzőbb a felületi kisülési lebomlás (azaz a felületi villanás). A felszíni flashover azt a jelenséget jelenti, amikor erős elektromos tér hatására a szilárd szigetelő felülete és a vele szomszédos közeg (gáz/folyadék; vákuumban, felületi deszorbeált gáz és elektronemisszió kíséretében) ionizálódik vagy vezetőképessé válik. A szilárd felület mentén kisülési csatorna alakul ki, amely átíveli az elektróda hézagát, és végül áttöréshez és szigetelési hibához vezet. Ez a jelenség nemcsak jelentősen gyengíti a nagyfeszültségű dielektromos berendezések feszültségállóságát és működési megbízhatóságát, ami potenciális gazdasági veszteséget okoz, hanem szűk keresztmetszetként is szolgál, amely korlátozza a tömör szigetelők tömörségét és miniatürizálását. Küszöb-összehasonlítás szempontjából a felületi áttörés iniciációs feszültsége/térerőssége jellemzően sokkal alacsonyabb, mint az ömlesztett törés vagy a tiszta dielektromos hézagok áttörési szintje. Például: ha vákuumot használnak szigetelő közegként, a kritikus áttörési térerősség körülbelül 35 kV/mm; az alumínium-oxid kerámia mint ömlesztett szigetelőközeg esetében a kritikus térfogati áttörés térerőssége általában 30–40 kV/mm; míg a timföld-vákuumszigetelő rendszerben az alkalmazott térerősség gyakran ezeknek a kritikus értékeknek csak egytizedét-tizedét éri el, mielőtt felületi felvillanást váltana ki a szigetelőn, ami akár helyi károsodást is okozhat az Al2O3 felületen.
II. A felületi átcsapó feszültséget befolyásoló tényezők
A kutatások azt mutatják, hogy a felületi áttörést befolyásoló tényezők elsősorban a következők: az alkalmazott elektromos tér hullámalakja és amplitúdója, a vákuum szintje és a maradék gáz összetétele, az elektródák szerkezete és anyaga, a szigetelő geometriája és méretei, a szigetelő anyaga és felületi jellemzői (érdesség, tisztaság, adszorpció/szennyeződés, bevonat), felület elő{0}}elgázosítása és egyéb előgázosodása/feltöltése adszorpció. Anyagkutatási szempontból a hangsúly a vákuumelektronikában használt kerámiák összetételére, alakjára és felületi jellemzőire helyeződik. A felületi áttörést befolyásoló legfontosabb elektromos paraméterek közé tartozik az ε dielektromos állandó, az elektromos vezetőképesség σ és a δ szekunder elektronemissziós együttható (SEE). Általánosságban: ① A magasabb dielektromos állandó hajlamos fokozni az elektromos tér torzítását az elektróda–szigetelő–vákuum hármas csomópontnál, csökkentve a felületi áttörési küszöböt. ② Megfelelő tartományon belül a megnövekedett felületi vezetőképesség felgyorsítja a felületi töltés disszipációját és gátolja az iniciációt, de a túlzottan magas vezetőképesség növeli a szivárgási áramot, és termikus instabilitáshoz vezethet, ami káros a feszültségállóságra. ③ A SEEA modell szerint a felületi másodlagos elektronemissziós együttható csökkentése elnyomja az elektronszaporodást, ezáltal növeli a felületi átvillanási feszültséget.
Ami a SEEA-t (SEE{0}}alapú kisülési mechanizmus modell) illeti: A Secondary Electron Emission Avalanche (SEEA) modellt először Anderson és Brainard amerikai tudósok javasolták. Ez a modell azt sugallja, hogy az alkalmazott nagy feszültség alatt az elektróda–szigetelő–vákuum hármas átmenetből kibocsátott kezdeti elektronok energiát nyernek, felgyorsulnak, és bombázzák a szigetelő felületét. Amikor ezeknek a becsapódó elektronoknak az energiája elér egy bizonyos küszöböt, másodlagos elektronemisszió lép fel, egyidejűleg pozitív töltéseket hagyva a szigetelő felületén. Ezek a másodlagos elektronok az elektromos tér hatására ismét bombázzák a szigetelő felületét, több másodlagos elektront generálva. Ez a folyamat megismétlődik, végül másodlagos elektronlavinához vezet.
III. Felületi áttörés elleni technikák alumínium-oxid kerámiákhoz
A szilárd szigetelőanyagok szigetelési teljesítményének javításának kulcsa az ömlesztett szigetelési tulajdonságok megőrzésében rejlik, miközben törekszünk a felületi áttörési feszültség növelésére. A meglévő mechanizmusok alapján a fejlesztés főbb útjai két kategóriába sorolhatók: ① Csökkentsük a felületi másodlagos elektronemissziós együtthatót δ az elektronszaporodás visszaszorítása érdekében; ② Tervezze meg a felületi ellenállást egy megfelelő ablakon belül, hogy felgyorsítsa a felületi töltés disszipációját, elkerülve ezzel a túlzott helyi térkoncentrációt és a termikus instabilitást. Ezzel a két "anyag-elektromos paraméter" megközelítéssel párhuzamosan a mérnöki tudományok gyakran alkalmaznak egy kiegészítő geometriai/téreloszlás-szabályozási intézkedést, hogy csökkentsék a hármas -elágazás térerősségét és a késleltetett csatorna kialakulását. Például a timföldkerámia szigetelők felületén lévő periodikus hullámok (vagy barázdák) megmunkálása növelheti a kúszási távolságot, kisimíthatja az ekvipotenciális vonalakat, csökkentheti a tangenciális térerősséget a hármas csomópontban a külső méretek növelése nélkül, miközben megszakítja az elektronok visszatérési útját és csökkenti az effektív SEE erősítést, ezáltal késlelteti a csatornaképződést és a villanó túlfeszültséget. A hullámok bordáit le kell kerekíteni, hogy elkerüljük az új éles éleknél a helyi térerősítést.