Durchschlag im Vakuum
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Durchschlag in Vakuum Folie 1 Durchschlag im Vakuum Übersicht 1. Mechanismen 2. Feldemissionsdurchschlag 3. Partikeldurchschlag 4. Festigkeit von Vakuum Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 2 1. Mechanismen Im Vakuum existieren ‚keine‘ Teilchen, welche ionisiert werden können und einen Durchschlag auslösen. auslösen Durchschlag wird von der Kontaktoberfläche initiiert. 2 Mechanismen: Feldemissionsdurchschlag Partikeldurchschlag Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 3 2. Feldemissionsdurchschlag F ld i i Feldemission Das el. Feld reduziert die potentielle Energie welche die Elektronen zum verlassen des Metalls (Kathode) aufbringen müssen. Mit dem quantemechanisch begündeten Tunneleffekt können Elektronen dieses Potential durchtunneln und d werden d zur Anode A d hin hi beschleunigt Emissionsstrom. (Küchler S. 234) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 4 2. Feldemissionsdurchschlag F ld i i Feldemission Stromdichte durch Feldemission Feldemissionsstromdichte beschrieben durch die Fowler-NordheimFowler Nordheim Gleichung: 1.541 10 6 E 2 J E 2 t y y 6.831 10 9 3 2 υ(y) exp E 3.795 105 E Feldemission ab ~1000 kV/mm J = Stromdichte E = elektr. Feldstärke = Austrittarbeit (einige eV)) (y) und t(y) sind tabellierte Funktionen von Feldstärke und Austrittsarbeit. Feldüberhöhungen Wegen mikroskopischen Spitzen sind schon viel geringere Feldstärken für Feldemission ausreichend (ab 1…10 1 10 kV/mm) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 5 2. Feldemissionsdurchschlag Typen •Cathode initiated breakdown mechanism g Der Feldemissionsstrom bewirkt an seinem Entstehungsort (Kathode) durch die hohe Stromdichte eine lokale Aufheizung, die zur Verdampfung von Metall und damit zum Durchschlag führt. •Anode initiated breakdown mechanism Die Kathode wird mit den beschleunigten Elektronen „bombardiert bombardiert“. Deren kinetischen Energie wird in Wärme umgewandelt Verdampfung von Metall Durchschlag D h hl Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 6 2. Feldemissionsdurchschlag K diti i Konditionierung der d Oberfläche Ob flä h Bei häufigem Auftreten von Durchschlägen werden die mikroskopischen Unebenheiten der Elektrodenoberflächen abgetragen und damit der Feldverstärkungsfaktor verringert höhere Durchschlagspannungen bei weiteren Versuchen. Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 7 3. Partikeldurchschlag 1. Voraussetzung - Metallpartikel im Vakuumgefäss - aufgespritzte, erkaltete Metalltröpfchen von vorangegangenen Schalthandlungen - Eingeschlossene Partikel aufgrund einer unsauberen Fertigung 2. Ablösung/Bewegung der Partikel - elektrostatische Kräfte - mechanische Bewegung (Vibrationen von Schaltantrieben) 3. Beschleunigung der Partikel im elektrischen Feld Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 8 3. Partikeldurchschlag 4. Einleitung des Durchschlags: • Trigger discharge breakdown mechanism Bei der Annäherung des Partikels zur gegenüberliegenden Elektrode findet eine Triggerentladung statt. (Latham S. 94) q • Particle vaporisation breakdown mechanism Das Partikel wird im Flug von einem Emissionsstromstrahl getroffen und verdampft. (Latham S. S 97) – Vorlesung Hochspannungstechnologie + FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 9 3. Partikeldurchschlag 4. Einleitung des Durchschlags: • Single l transit impact phenomena h Das Partikel verursacht bei seinem Auftreffen ein Emissionszentrum, welches einen FeldemissionsstromDurchschlag auslöst. • Multi transit impact phenomena Das Partikel wird bei Annäherung an die Elektrode durch Emissionströme auf die umgekehrte Polarität aufgeladen und abgestossen. Das wiederholt sich mit zunehmender Aufheizung solange, bis die Energie zum Verdampfen des Teilchens ausreicht. Vorlesung Hochspannungstechnologie (Latham S. 105) FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 10 4. Festigkeit von Vakuum Bereiche Bei geringen Elektrodenabständen (einige mm): • Durchschlag durch Feldemission • Konstante Durchschlagfeldstärke Bei zunehmenden Elektrodenabständen (grösser ~10 mm): • Durchschlag h hl durch d h Partikel k l (grössere Beschleunigungsstrecken!) • Nichtlineare Zunahme der Durchschlagspannung mit dem Abstand (Küchler S. 234) Wechsel- (Ueff) und Blitzstossfestigkeit (U) im Vakuum Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Vakuum Folie 11 Literatur Kapitel Küchler: N° Titel Kommentar 3.5 Vakuumdurchschlag wichtig Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09
