1.3真空中固体介质表面放电物理机制不同电极结构下闪络起始的演化过程Anodeathooe5.4ns7.0ns8.8ns(a)13.0ns37.4ns25.6nsAnode(a)/Cathode7.0ns12.0ns15.6nsCathode阳极(a）背板对称电极（b）背板针尖阳极11.0ns24.4ns33.0ns起始(b)阳极起始闪络发展过程（R<R）Anod10ICathodeCathode12.0ns27.8ns35.2ns3.4ns(c)6.0ns18.8ns(a)(a）对称电极（b）椭圆阴极（c）针尖阴极阴极起始的闪络发展过程（R>R阴极Anod起始/Cathode11.0ns21.6ns15.0ns#EA0o4Cathode7.0ns11.0ns14.0ns27.0ns34.0ns39.6ns(b)椭圆阳极结构下的闪络发展过程（R<R）（a）阳极起始（b）阴极起始针尖阳极结构下的闪络发展过程（R<R）-11-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -11- 1.3 真空中固体介质表面放电物理机制 (a) 对称电极 (b) 椭圆阴极 (c) 针尖阴极 阴极起始的闪络发展过程（RA≥Rc） 不同电极结构下闪络起始的演化过程 椭圆阳极结构下的闪络发展过程（RA<Rc） (a) 阳极起始 (b) 阴极起始 针尖阳极结构下的闪络发展过程（RA<Rc） (a) 背板对称电极 (b) 背板针尖阳极 阳极起始闪络发展过程（RA≤Rc） 阳极 起始 阴极 起始
1.3真空中固体介质表面放电物理机制EL40始电子气体解吸附及电离USSEF引发闪络ETSEE电子注入+阳30阴陷/脱陷怕报放极表面居极20OO入陷/脱陷电子电子陷阱空穴注入绝缘材料O空穴?空穴陷阱10区域I区域IⅢI区域ⅡI闪络博奔模型：闪络总是从绝缘结构薄弱点过渡阳极起始阴极起始起始，取决于局部电场和耐电强度的竞争，可#NC#EC#S#BS#EA#NA#BNA电极-试品结构能始于阴极，也可能始于阳极，但更易于阴极不同电极结构下的真空沿面闪络电压阴极起始在一定范围内，闪络电压随阳极电场的增强舒俊酱冏李爱湟挚+而增加，但当阳极ATJ处电场过度畸变而引发材料体击穿时，闪络电压会再度降低阳极起始：通过电场精细调整，使放电临界于阴/阳极起始阳极等离子诱发阴极发展体区扩展形成闪络可提高耐电强度，对结构设计有重要意义闪络通道的最终形成总是从阴极发展到阳极(G.Q.Su,Y.Lang,J.Y.Zhan,etal.IEEETPS2014)-12-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -12- 1.3 真空中固体介质表面放电物理机制 在一定范围内，闪络电压随阳极电场的增强 而增加，但当阳极ATJ处电场过度畸变而引发 材料体击穿时，闪络电压会再度降低。 闪络博弈模型：闪络总是从绝缘结构薄弱点 起始, 取决于局部电场和耐电强度的竞争, 可 能始于阴极, 也可能始于阳极, 但更易于阴极。 阳极起始: 阴极起始: 电荷 注入 场致电 子发射 闪 络 稳态二次 电子发射 气体解吸 附及电离 阳极等离子 体区扩展 诱发阴极发展 形成闪络 闪络通道的最终形成总是从阴极发展到阳极。 通过电场精细调整，使放电临界于阴/阳极起始 可提高耐电强度，对结构设计有重要意义。 (G.Q. Su, Y. Lang, J.Y. Zhan, et al. IEEE TPS 2014) 不同电极结构下的真空沿面闪络电压
目录研究背景真空中固体介质表面放电现象、2诊断及物理机制电荷固体介质二次电子发射3陷阱、气体解吸附特性基于材料选型和结构优化的表面放电抑制技术-13-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -13- 目 录 固体介质二次电子发射、电荷 陷阱、气体解吸附特性 真空中固体介质表面放电现象、 诊断及物理机制 4 3 2 基于材料选型和结构优化的 表面放电抑制技术 1 研究背景
带电粒子轰击固体介质的绝缘失效机理表面放电介质破坏妈解板驱动机构李生物理现象协同物理效应用暖力200mm微观尺度失效机理入射电子分析二次电子二次电子倍增分析二次电子二次电子真空一次电子1介质表面层电荷nm~umOOt+++++陷阱OO固体介质二次电子?电荷陷阱一次电子电荷入陷、脱陷、输运共性科学问题：真空中带电粒子与固体介质表面作用，产生表面二次电子倍增和内部电荷输运的李生物理现象，协同物理效应导致放电、绝缘失效关键物性参数：二次电子发射、电荷陷阱2个特性参数ZhangelalAppliedesees-14-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -14- 带电粒子轰击固体介质的绝缘失效机理 共性科学问题：真空中带电粒子与固体介质表面作用，产生表面二次电子 倍增和内部电荷输运的孪生物理现象，协同物理效应导致放电、绝缘失效 关键物性参数：二次电子发射、电荷陷阱2个特性参数 Ø 孪生物理现象 Ø 协同物理效应 一次电子 二次电子 ＋＋＋ ＋＋＋＋＋＋ ＋＋＋＋ 二次电子倍增 固体介质 电荷入陷、脱陷、输运 失效机理 分析 表面放电 微观尺度 分析 介质破坏 Zhang et al. Applied Physics Letters, 2012, IEEE TPS 2015 介质 表面层 nm~m
物理概念一二次电子发射和陷特性口二次电子电荷陷阱口一定能量的带电粒子轰击固体（金属/半导体）固体介质中俘获电子或空穴的局域能级绝缘体)表面而发射电子的现象。缺陷、杂质、化学键断裂、重构等入射电子e背散射电子-俄歇电子-X射线真二次电子电子陷阱样品S:21m空穴陷阱缺陷杂质本征原子5.0n=f(Eout)o8-fi(Ein)低密度聚乙烯介质4.5电子陷阱4.0真二次n空穴陷阱弹性3.5S=IJ1pSN=f(E)电子散射电子自03.002.5特征能量损失峰1.5翻俄歇电子M1.0J座0.50~50EmE.E0.0i入射电子能量0.850.900.951.001.051.10二次电子能量随阱能级AEV陷阱密度-能级分布二次电子发射系数二次电子能谱分布-15-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -15- 物理概念 — 二次电子发射和陷阱特性 p 二次电子 一定能量的带电粒子轰击固体(金属/半导体/ 绝缘体)表面而发射电子的现象。 e p 电荷陷阱 固体介质中俘获电子或空穴的局域能级： 缺陷、杂质、化学键断裂、重构等。 =f1(Ein) n=f2(Eout) =Is/Ip e e e 电子陷阱 空穴陷阱 本征原子 缺陷杂质 Nt=f(Et) 二次电子发射系数 二次电子能谱分布 陷阱密度能级分布