真空间隙中Si和Cu阴极在发生故障前的电塑性现象

《Vacuum》：Pre-breakdown electro-plastic phenomena on Si and Cu cathodes of vacuum gap

　　E.V. Nefyodtsev | D.A. Zuza
俄罗斯科学院西伯利亚分院高电流电子研究所，Akademichesky大街2/3号，托木斯克634055，俄罗斯联邦

**摘要**
本研究的目的是尝试在真空火花发展的最早阶段就将其抑制，以便检测和研究击穿前的微弱信号。为此，采用了一种基于高电阻阳极的技术来稳定真空间隙阴极表面的击穿前状态。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了镜面光滑阴极表面的初级击穿形态结构。根据获得的数据，可以推测真空火花的起始可能与线性缺陷周围的微观冷电塑性现象有关。

**引言**
真空绝缘材料的性能已经研究了一个多世纪。真空被用作电子管、X射线管、电子显微镜、表面分析仪器、带电粒子加速器及分离器等设备中的绝缘介质，在这些设备中，使用其他绝缘材料在功能上是不可行的[1]。理论上，真空应该具有理想的绝缘性能，至少在电场强度约为3×10^9 MV/cm时仍能保持这种性能[2]，但实际中，毫米级和厘米级平面真空间隙的击穿电场强度远低于这一理论极限。

真空间隙（VG）中的电击穿是由电极表面发生的物理过程引起的。传统上，认为击穿的原因在于电极表面存在微小突起、孔洞、介电夹杂物、颗粒或其他明显的不均匀性，这些因素会导致微小区域内电场能量的释放，从而引发电极材料的局部升华[1, 2]。需要区分击穿的起始阶段和随后与等离子体填充VG相关的不可逆放电电流增长阶段（即真空火花阶段）。研究表明，无论初始因素的性质如何，等离子体现象首先发生在阴极上，并通过爆炸性电子发射机制进一步发展[3]。自从提出爆炸性电子发射的概念后，关于真空击穿机制的讨论减少了。事实上，根据统计数据[4]，20世纪60年代科学期刊上关于真空绝缘的论文数量激增，随后在90年代降至最低点，减少了2.5倍。这种科学兴趣的下降部分可以用人们对爆炸性电子发射实际应用的关注增加来解释。因此，许多独特的脉冲过电压设备被开发出来，包括紧凑型脉冲X射线管和电子管、高功率微波和X射线脉冲发生器、高电流真空和等离子体填充的电子枪及离子枪等。这些脉冲设备的稳定运行在很大程度上得益于先前脉冲作用下形成的侵蚀微坑边缘的尖锐突起。阴极表面被设计成一系列尖端或边缘，也有助于引发这些设备工作间隙中的真空击穿。在原本干净光滑的平面电极表面引发首次击穿的问题，在本研究的范围内似乎有些不合时宜。

进入21世纪后，科学界对真空绝缘的研究兴趣出现了新的高峰：2000年代和2010年代，相关论文的数量相对于前一个十年分别增加了两倍和三倍[4]。由于真空的介电强度有限，无法总是通过增大高压真空设备的尺寸来补偿这一限制，因此VG承受最高电场的能力问题再次变得紧迫。这在现代线性粒子加速器[5, 6, 7]、高功率微波源[8]、自由电子激光器[9]和实验性聚变设施[10]的设计中尤为突出。尽管使用现代清洁方法努力确保电极表面的清洁度和完美度，但效果相对有限[11]。例如，使用宽束高电流电子束对电极表面进行脉冲熔化处理（深度约为微米级）[12]。在这种处理后，电极表面的不均匀性被消除，因此毫米级（约10 cm2）VG在首次击穿前的脉冲电场强度范围为（0.8–1.5）×10^8 V/m，这一数值取决于电极的材料[13, 14]，比传统上通过多次击穿处理后的电场强度高出数倍[14]。

爆炸性电子发射坑的形成需要阴极表面某一微小区域被电流过热，电流密度超过10^11–10^12 A/m2[1, 2, 3]。在描述单次热加热和电子发射（ecton）循环的模型中，必须假设存在一个自加热场微发射源，其有效高度与基底比至少为50–100[1, 2, 3]，以及高压等离子体（超过10^8 Pa）[3, 16, 17]，这为VG提供了导电性并使阴极表面获得足够高的热流（超过10^12 W/m2）[16, 18]。然而，在未经火花处理的干净光滑电极的真空间隙中，没有明显的突起或等离子体现象。试图将爆炸性电子发射理论[3]扩展到亚微安级别的击穿前电流，需要将发射区域形式上缩小到亚原子尺度，这与金属中电子散射的焦耳效应性质相矛盾。因此，在这些条件下，初级击穿过程是“冷”的，并遵循自身的规律，直到导致表面微损伤，进而进入“热”击穿阶段。早期研究已经证实，在电场强度超过0.5×10^8 V/m的作用下，电极上会出现微小突起[19, 20, 21]，其出现伴随着微安级别的电流峰值[20]。研究者[20]提出了两种可能性：一种是材料在固态下的表面分层，另一种是表面局部区域转变为液态，随后在电场作用下金属从电极中析出。

高电压真空设备和粒子加速器的运行经验表明，无论金属表面多么光滑干净，当置于电场强度E > 10^8 V/m的环境中时，都会随时间发生结构变化，最终导致突然击穿[22, 23, 24, 25]。这表明，限制真空间隙电场强度的“最终”因素不仅应关注电极表面本身，还应考虑材料纳米和原子尺度上的近表面结构[11]。

分子动力学建模显示，电极上微突起的热力学平衡生长需要沿电极表面存在显著的电场不均匀性。这需要电极上初始突起足够高[25]，或者需要一个尖锐的对电极[26]。无论哪种情况，都需要超过10^9 V/cm的电场强度。

最近提出的理论基于间接证据，认为真空击穿的初始因素可能还包括晶体结构中的线性缺陷，尤其是位错[27, 28, 29, 30, 31]，它们是固体中冷塑性变形的基本载体。“位错假说”提出了许多假设性的真空击穿机制，但这些机制尚未得到直接可靠的实验验证。例如，电场产生的相对较小的机械应力可以在材料中的孔洞或次生相夹杂物处集中，从而在表面本身引起塑性位移和局部变形[32, 33, 34]。有人尝试将位错现象与某些经验观察结果联系起来，如真空间隙的规律性电场条件[35, 36]、在局部磁场存在下形成的成对相关爆炸性发射侵蚀坑的链状排列[37]，以及通过选择性化学蚀刻标记的单晶表面上的击穿坑分组[38]。

由于真空击穿与电极表面状态相关，因此从研究电场对金属样品机械性能影响的角度来探讨这一问题具有重要意义。例如，研究表明，即使是微小的电场（几伏特）也能使金属的显微硬度改变10–15%[39]，这一现象难以仅用电场对表面的机械作用来解释。这种电塑性效应最常见的解释与金属的比表面能变化有关，这影响了压头穿透过程中变形缺陷的成核和运动条件[40]。效应的大小取决于金属的物理化学性质，特别是其霍尔常数的绝对值[39]。这表明该效应与材料中的电子-空穴过程直接相关。效应不受电极电位的符号影响，但其大小和方向（硬化或软化）取决于金属的类型和电子特性。此外，研究电场垂直于横向作用时低截面金属样品的拉伸变形过程中的机电效应也很有趣[41]。研究发现，强度约为10^6 V/m的电场显著影响了各种材料的屈服强度（通常使其增加），使应力-应变曲线升高5–20%（取决于材料和样品几何形状）。同时，在常规变形和电场作用下的变形过程中，形成的位错结构在大小和特征上存在明显差异。这些实验还显示出极性效应，表明这种电塑性现象不仅与电场对样品外部机械载荷的附加贡献有关，还与其对金属电子子系统的直接影响有关。

在我们的实验中，使用的电场强度远高于上述实验中的电场。这些电场通过“真空密封”施加到样品（阴极）上，且不需要外部力来激活样品表面的局部塑性变形。另一个区别是，电场及相关应力场直接作用于研究对象——样品表面。由于电场在阴极中的穿透深度较浅，每个表面晶格缺陷都可以被视为应力集中器。值得注意的是，激活表面位错源所需的机械应力远低于激活体源所需的应力[42]。

研究VG电极表面击穿前电塑性现象（PEP）的痕迹时遇到的一个困难是这些现象会因爆炸性侵蚀而自我破坏，这种侵蚀受到VG电容中储存能量的影响。在本研究中，采取了措施通过在高电阻阳极体内耗散大部分释放的能量来抑制真空火花的产生。本研究的目标是检测镜面光滑的单晶金属和半导体样品表面最基本的初级击穿结构。