Исследование Тонкой Структуры Канала Наносекундного Пробоя В Хлориде Калия

Abstract

Получена картина тонкой структуры канала пробоя с положительного электрода в монокристалле KCl в режиме многоимпульсного воздействия при напряжении до 140 kV. Определены размеры и форма пробойных структур в зависимости от действующего напряжения. Рассчитаны скорости распространения вершины трещины, формирующей пробойную структуру, а также давление в канале пробоя. Показано, что в определенных условиях структура механических разрушений вблизи канала пробоя сохраняется даже после воздействия нескольких десятков импульсов.Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 11-08-01003). DOI: 10.21883/FTT.2017.08.44755.336 ВведениеФормирование канала пробоя является наименее изу-ченным этапом процесса электрического пробоя твер-дых диэлектриков, однако именно этот этап является наиболее интересным с фундаментальной точки зрения. Изучение возникшей в результате пробоя структуры электрического и механического разрушения может дать информацию об элементарных процессах, идущих в канале пробоя. В работах, в которых есть указания на существование внутренней структуры канала [1-4], речь идет, как правило, о каналах, возникших в результа-те действия микросекундных импульсов. В диапазоне напряжений 100−200 kV скорости развития канала в кристаллах составляют ∼ 10 6 −10 7 cm/s [5], так что за время действия импульса длительностью ∼ 10 −7 −10 −6 s пробивается образец длиной порядка нескольких сан-тиметров, а процессы механических разрушений мас-кируют тонкую структуру канала. Поскольку длитель-ность импульсов напряжения в этих работах была гораздо дольше самого процесса формирования кана-ла, либо соизмерима с ней, в таком режиме трудно было пронаблюдать изменения в канале, которые вы-званы подъемами и спадами напряжения на фронтах импульса.В режиме наносекундных импульсов (∼ 10 −9 −10 −8 s), напротив, за время действия отдельного импульса канал не успевает прорасти на всю длину образца с размерами порядка сантиметра. Для завершения процесса пробоя требуется время, равное времени действия нескольких импульсов. Можно предположить, что в относитель-но толстых образцах кристаллов (более 10 mm) при воздействии ультракоротких импульсов будут возни-кать пробойные структуры, сформированные несколь-кими отдельными импульсами из последовательности. Результатов по исследованию тонкой структуры каналов наносекундного пробоя в литературе практически нет, за исключением нескольких работ [6][7][8].Для наблюдения тонкой структуры канала пробоя хорошим модельным объектом является кристалл KCl, поскольку он всесторонне изучен, имеет простую куби-ческую структуру, легко раскалывается для изготовле-ния образцов требуемых размеров. Ранее получено [9], что при напряжении 140 kV и длительности импульса 8 ns скорость развития канала в KCl для относительно тон-ких (1−3 mm) образцов составляет (3−5) · 10 7 cm/s [9]. Однако, учитывая, что время развития канала растет с увеличением толщины кристалла нелинейно [10], в относительно толстом образце при тех же параметрах начального импульса можно ожидать среднюю скорость развития кан...