Как при стримерном, так и при лавинном пробое процесс увеличения числа носителей заряда определяется ударными явлениями в промежутке, заполненном газом. Однако при уменьшении давления сокращается частота соударений электронов на пути к аноду. При давлении 10 Па средняя длина свободного пробега составляет уже 40 см (см. п. 7.1.3), т. е. имеет тот же порядок, что и расстояние между электродами в технических устройствах. Поэтому механизм пробоя в этих условиях должен измениться.
При достаточной напряженности электрического поля из катода могут выходить электроны. Для автоэлектронной эмиссии требуется высокая напряженность поля. Впрочем, необходимо иметь в виду, что за счет неоднородностей на электродах вблизи поверхности существенно повышается микрополе (см. п. 7.5.5) и поэтому в зависимости от характера неоднородностей уже при локальных напряженностях от 300 до 1000 кВ/см наступает электронная эмиссия. К этому добавляется выход электронов из катода за счет естественного излучения.
Освободившиеся электроны приобретают энергию qeU и соударяются с анодом. При достаточно большой энергии из анода выбиваются положительные ионы и фотоны. Ионы затем движутся к катоду и вместе с фотонами усиливают эмиссию электронов. Эмиссия ионов с анода и энергия квантов, излучаемых с анода, зависят от энергии электронов, полученной от поля. Пробой наступает, если под действием указанных процессов, как и при самостоятельном разряде в газах, происходит усиление эмиссии электронов с катода.
Подробное математическое рассмотрение пробоя в вакууме невозможно, так как невозможно количественно описать сопровождающие процессы. Однако можно пояснить следующие характеристики пробоя.
Результирующее увеличение числа носителей энергии становится более интенсивным с возрастанием энергии частиц, т. е. по мере увеличения напряжения. При увеличении расстояния между электродами разрядная напряженность падает (рис. 7.64).
Рис. 7.64. Разрядные напряжение Ud и напряженность Ed вакуумных промежутков с однородным полем в зависимости от расстояния s между электродами
Так как роль ударной ионизации в промежутке при малой плотности частиц невелика, то начиная с определенного значения на разрядные характеристики давление не влияет.
Большое влияние на процесс пробоя оказывает конфигурация электродной системы, что является следствием влияния плотности излучения на катоде. С увеличением площади анода разрядное напряжение падает.
На электрическую прочность влияет прежде всего материал анода, так как при различных материалах сильно различается энергия, необходимая для эмиссии ионов, — гораздо в большей степени, чем энергия выхода электронов применяемых на практике металлов. Поскольку на аноде, как и при плавлении, молекула должна покинуть молекулярную структуру анода, уменьшается вероятность выхода ионов с возрастанием температуры плавления материала. Например, электрическая прочность вакуумного промежутка возрастает при замене электродов в такой последовательности: медь, железо, вольфрам.
Освободившиеся в процессе пробоя ионы и электроны образуют плазму с повышающейся температурой. В конце концов между электродами возникает дуга, горящая в парах материала испаряющихся электродов. После гашения дуги пар металлов конденсируется, и в промежутке снова устанавливается первоначальный вакуум. Остаточные газы, содержащиеся в металле в процессе изготовления электродов, могут вызвать ухудшение вакуума. Поэтому в вакуумных выключателях необходимо использовать металлы или сплавы высокой чистоты.
