본질적으로, 진공 상태에서의 아크는 가스가 전도되지 않아도 두 표면 사이에서 대전된 입자가 방출되고 이어서 가속됨으로써 발생합니다. 이러한 파괴는 진공 자체의 실패가 아니라, 그 안에 있는 재료에 의해 시작되는 실패이며, 일반적으로 강한 전기장, 미세한 표면 결함 또는 절연체 위의 오염 물질의 조합에 의해 유발됩니다.
진공은 가능한 최고의 전기 절연체 중 하나입니다. 진공이 실패할 때, 그 결함은 빈 공간에 있는 것이 아니라 그 공간 내의 도체 및 절연체 표면에 있습니다. 따라서 아크를 방지하는 것은 재료, 표면 형상 및 청결도를 관리하는 과정입니다.
"완벽한" 절연체가 실패하는 이유
흔한 오해는 완벽한 진공이 전기를 전도할 수 없다는 것입니다. 진공은 공기와 같은 매질이 없지만, 진공 챔버 내부의 구성 요소(전극, 절연체 및 챔버 벽)가 문제의 원인입니다.
전기장의 역할
강한 전기장은 진공 아크의 주요 원동력입니다. 미터당 볼트로 측정되는 이 필드는 대전된 입자에 강력한 힘을 가합니다.
두 도체 사이의 전압이 충분히 높아지면, 이 힘은 도체 표면의 원자에서 전자를 직접 끌어낼 수 있습니다.
공허가 아닌 표면에 관한 것입니다.
진공 자체는 수동적입니다. 전체 사건은 전기적 스트레스를 받는 재료의 표면에서 발생합니다.
도체 및 절연체에 사용되는 재료의 상태, 모양, 청결도 및 유형이 파괴가 발생하는 전압을 결정합니다.
진공 파괴의 주요 메커니즘
진공 아크는 단일 사건이 아니라 여러 가지 메커니즘에 의해 유발될 수 있는 과정입니다. 실제로는 종종 함께 작동합니다.
전계 방출
이것은 진공 파괴의 가장 근본적인 원인입니다. 고도로 연마된 금속 표면조차도 미세한 날카로운 지점을 가지고 있습니다.
이러한 미세한 지점은 전기장을 집중시켜 국부적인 전기력을 극적으로 증가시킵니다. 이 강한 국부 필드는 금속 표면에서 전자를 끌어낼 수 있으며, 이를 파울러-노르트하임 전계 방출이라고 합니다.
일단 해방된 이 전자들은 필드에 의해 가속되어 반대편 표면에 충돌하고 잠재적으로 연쇄적인 아크를 생성할 수 있습니다.
표면 플래시오버 (오염 파괴)
절연체는 고전압 도체를 분리하는 데 사용됩니다. 그러나 절연체의 표면은 종종 고전압 진공 시스템에서 가장 약한 지점입니다.
진공로와 같은 산업 환경에서 관찰되는 바와 같이, 탄소 또는 금속 먼지와 같은 전도성 물질이 절연체 표면에 쌓일 수 있습니다. 이러한 오염은 전도성 경로를 생성하여 전류가 절연체를 "플래시 오버"하여 단락을 일으킬 수 있습니다.
이것은 점진적인 열화이며, 작은 초기 아크가 더 많은 물질을 기화시켜 다음 사건을 위한 훨씬 더 좋은 전도성 경로를 생성할 수 있으므로 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다.
입자 유도 파괴
미세 입자(또는 "미립자") 먼지 또는 금속은 오염으로 인해 또는 전극에서 떨어져 나와 진공 내에 존재할 수 있습니다.
이러한 입자는 대전되어 전기장에 의해 가속될 수 있습니다. 고속 입자가 전극 표면에 충돌하면 충격 에너지가 소량의 물질을 기화시키기에 충분하여 국부적인 가스 및 플라즈마 분출을 생성하고 즉시 대규모 아크를 유발할 수 있습니다.
일반적인 함정 및 가속 요인
아크를 방지하려면 아크 발생 가능성을 높이는 요인을 이해해야 합니다. 이것들은 상충 관계가 아니라 제어해야 할 중요한 변수입니다.
불량한 표면 마감
거칠거나 가공된 표면은 전계 방출을 가능하게 하는 미세한 날카로운 지점으로 덮여 있습니다. 전해 연마 또는 기타 고급 마감 기술은 더 부드럽고 둥근 표면 프로파일을 생성하는 데 사용되어 시스템이 견딜 수 있는 전압을 크게 증가시킵니다.
재료 선택
낮은 일 함수(전자를 해방하는 데 필요한 에너지)와 높은 증기압을 가진 재료는 아크 발생에 더 취약합니다. 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 재료는 탄력성 때문에 고전압 진공 부품에 자주 선택됩니다.
오염 및 가스 방출
지문, 오일, 세척 잔류물 및 표면에 흡착된 대기 중 물은 파괴 전압을 극적으로 낮출 수 있습니다. 가열되거나 전자에 의해 충돌할 때, 이러한 오염 물질은 가스 방출되어 쉽게 이온화되고 아크의 연료를 제공하는 가스 분자를 방출합니다. 이것이 철저한 청소 및 고온 "베이크아웃"이 표준 절차인 이유입니다.
시스템에서 아크를 방지하는 방법
아크를 방지하기 위한 전략은 시스템 설계, 작동 또는 고장 후 문제 해결 등 주요 책임에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 설계인 경우: 높은 일 함수를 가진 재료를 지정하고, 매끄러운 전해 연마 표면 마감을 의무화하며, 전기장 집중을 최소화하기 위해 크고 둥근 반경으로 부품을 설계하십시오.
- 주요 초점이 작동 및 유지 보수인 경우: 엄격한 청소 프로토콜을 구현하고, 부품이 클린룸 규율에 따라 취급되도록 하며, 고전압을 인가하기 전에 휘발성 오염 물질을 제거하기 위해 베이크아웃을 수행하십시오.
- 주요 초점이 고장 문제 해결인 경우: 오염 흔적 또는 플래시오버 경로의 증거가 있는지 절연체 표면을 꼼꼼히 검사하고, 아크의 시작 지점을 나타내는 구멍 또는 녹은 부분이 있는지 전극 표면을 확대하여 검사하십시오.
궁극적으로 안정적인 고전압 진공 시스템을 달성하는 것은 그 안에 있는 재료 표면을 제어하는 훈련입니다.
요약표:
| 아크 발생 원인 | 주요 메커니즘 | 예방 전략 |
|---|---|---|
| 전계 방출 | 전기장이 날카로운 지점에 집중되어 금속 표면에서 전자를 끌어냅니다. | 전계 집중을 최소화하기 위해 전해 연마된 표면과 둥근 형상을 사용하십시오. |
| 표면 플래시오버 | 전도성 오염 물질(예: 탄소 먼지)이 절연체 위로 전류가 흐르는 경로를 만듭니다. | 엄격한 청소 프로토콜을 구현하고 클린룸 규율에 따라 부품을 취급하십시오. |
| 입자 유도 파괴 | 대전된 먼지 또는 금속 입자가 표면에 충돌하여 물질을 기화시키고 플라즈마를 생성합니다. | 깨끗한 진공 환경을 보장하고 입자 생성을 방지하는 재료를 사용하십시오. |
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