从根本上说，真空中的电弧是由带电粒子在两个表面之间释放并随后加速引起的，即使没有气体传导它们。这种击穿并非真空本身的故障，而是由其中材料引发的故障，通常由强电场、微观表面缺陷或绝缘体上的污染物共同触发。
真空是最好的电绝缘体之一。当它失效时，问题不在于空旷的空间，而在于该空间内导体和绝缘体的表面。因此，防止电弧是管理材料、表面几何形状和清洁度的一项工作。
为什么“完美”绝缘体也会失效
一个常见的误解是完美的真空不能导电。虽然它缺乏像空气这样的介质，但真空室内的组件——电极、绝缘体和室壁——才是问题的根源。
电场的作用
强大的电场是真空电弧的主要驱动力。这个以伏特/米为单位测量的电场，对带电粒子施加强大的力。
当两个导体之间的电压变得足够高时，这种力可以物理地将电子直接从导体表面的原子中拉出。
关键在于表面，而非空隙
真空本身是被动的。整个事件发生在受电应力材料的表面上。
导体和绝缘体的状况、形状、清洁度和所用材料类型决定了发生击穿的电压。
真空击穿的主要机制
真空电弧并非单一事件，而是一个可以由几种不同机制触发的过程。在实践中，它们通常协同作用。
场致发射
这是真空击穿最根本的原因。即使是高度抛光的金属表面也存在微观的尖点。
这些微观尖点集中了电场，极大地增加了局部电场力。这种强烈的局部电场可以从金属表面拉出电子，这种现象被称为福勒-诺德海姆场致发射。
一旦被释放，这些电子就会被电场加速，撞击对向表面，并可能引发级联电弧。
表面闪络（污染击穿）
绝缘体用于隔离高压导体。然而，绝缘体的表面往往是高压真空系统中最薄弱的环节。
正如真空炉等工业环境中所示，导电材料如碳或金属粉尘会积聚在绝缘体表面。这种污染会形成导电路径，使电流在绝缘体表面“闪络”，导致短路。
这是一种逐渐退化，可能导致灾难性故障，因为小的初始电弧会蒸发更多的材料，为下一次事件创造更好的导电路径。
粒子诱导击穿
灰尘或金属的微观粒子（或“微粒”）可能存在于真空中，无论是来自污染还是从电极上脱落。
这些粒子会带电，然后被电场加速。当高速粒子撞击电极表面时，撞击能量足以蒸发少量材料，产生局部气体和等离子体，这可以立即触发全面电弧。
常见陷阱和加速因素
防止电弧需要了解使其更有可能发生的因素。这些并非权衡取舍，而是必须控制的关键变量。
表面光洁度差
粗糙或机械加工的表面覆盖着微观尖点，这些尖点会产生场致发射。电抛光或其他先进的精加工技术用于创建更光滑、更圆润的表面轮廓，显著提高系统所能承受的电压。
材料选择
具有低功函数（使电子脱离所需的能量）和高蒸汽压的材料更容易发生电弧。钨和钼等材料常被选用于高压真空组件，因为它们具有弹性。
污染和放气
指纹、油污、清洁残留物和吸附在表面的大气水会显著降低击穿电压。当受热或被电子撞击时，这些污染物会放气，释放出容易电离的气体分子，为电弧提供燃料。这就是为什么细致的清洁和高温“烘烤”是标准程序。
如何防止系统中的电弧
您防止电弧的策略取决于您的主要职责，无论是设计系统、操作系统还是在故障后进行故障排除。
- 如果您的主要重点是设计： 指定具有高功函数的材料，强制要求光滑的电抛光表面，并设计具有大而圆润半径的组件，以最大程度地减少电场集中。
- 如果您的主要重点是操作和维护： 实施严格的清洁协议，确保组件以洁净室纪律处理，并在施加高压之前进行烘烤以去除挥发性污染物。
- 如果您的主要重点是故障排除： 仔细检查绝缘体表面是否有污染痕迹或闪络路径的证据，并在放大镜下检查电极表面是否有指示电弧起点的凹坑或熔化点。
最终，实现可靠的高压真空系统是一门控制其中材料表面的学问。
总结表：
| 电弧原因 | 关键机制 | 预防策略 |
|---|---|---|
| 场致发射 | 电场集中在尖点上，将电子从金属表面拉出。 | 使用电抛光表面和圆润几何形状，以最大程度地减少电场集中。 |
| 表面闪络 | 导电污染物（例如碳粉尘）在绝缘体上形成电流路径。 | 实施严格的清洁协议，并以洁净室纪律处理组件。 |
| 粒子诱导击穿 | 带电灰尘或金属粒子撞击表面，蒸发材料并产生等离子体。 | 确保清洁的真空环境，并使用耐粒子生成的材料。 |
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