Электрическая прочность монокристаллов твердых растворов щелочно-галоидных солей с замещенным галоидом

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 91 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ СОЛЕЙ С ЗАМЕЩЕННЫМ ГАЛОИДОМ

А. М. ТРУБИЦЫН

Повышение электрической прочности твердых диэлектриков имеет большое значение для современной практической электротехники. Известно, что механическую прочность металлов можно увеличить введением определенных присадок. Наука располагает рядом теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению возможности применения этого метода для электрического упрочнения твердых диэлектриков.

На основании своей теории электрического пробоя твердых диэлектриков Фрелих [1, 2] произвел количественный расчет изменения электрической прочности ионных кристаллов в результате введения примесей в их структуру. При этом Фрелих исходил из предположения, что в твердых диэлектриках поведение электронов, участвующих в электрическом пробое, можно рассматривать аналогично поведению электронов в металлах, и воспользовался разработанным Моттом методом расчета дополнительного рассеяния электронов инородными атомами в металлах. Укорочение длины свободного пробега электронов из-за дополнительного рассеяния затрудняет накопление электроном энергии, достаточной для ионизации. Таким образом, по Фрелиху, при введении примесей должно наблюдаться увеличение электрической прочности ионных кристаллов.

С точки зрения квантовых теорий электрического пробоя твердых диэлектриков примеси и другие нарушения структуры твердого диэлектрика изменяют энергетический спектр кристаллической решетки, вызывают возникновение дискретных уровней в запретной зоне. Наличие дозволенных энергетических уровней, расположенных близко к зоне проводимости, может облегчить переход электронов в эту зону и тем самым привести к пробою при меньшем приложенном напряжении.

Согласно теории А, А. Воробьева и Е. К. Завадовской, кроме этих двух явлений, имеющих место в диэлектрике одновременно, необходимо учитывать изменение взаимодействия между узлами кристаллической решетки. Если введение примеси сопровождается ослаблением связи частиц в твердом диэлектрике, то есть если энергия решетки уменьшается, можно ожидать уменьшения электрической прочности твердого диэлектрика. Если же примеси усиливают взаимодействие частиц в твердом диэлектрике, то есть увеличивают энергию решетки, можно ожидать электрического упрочнения диэлектрика.

Таким образом, теории электрического пробоя, по-разному учитывая влияние примесей, приходят к противоречивым результатам.

Результаты экспериментальных исследований также противоречивы. По данным Хиппеля и его сотрудников [3, 4], добавка примерно пяти молекулярных процентов АдС1 приводит к увеличению электрической прочности №С1 от 1,7'106 до 2,8* 106 в/см; у системы твердых растворов КС1—ИЬС! изменение электрической прочности с химическим составом

выражается кривой с максимумом в оэласти 20-^-30 мол°/0 ИЬС1; добавки КС1 к ;КВг и КВг к КС1 заметно увеличивают электрическую прочность относительно чистых кристаллов.

Исследования Н. Б. Богдановой [5] показывают, что у системы твердых растворов КЛ—КВг график зависимости электрической прочности химического состава имеет вид кривой с минимумом при средних процентных содер-

Рис. 1. Осциллограмма импульса высокого напряжения.

жаниях. Систематическое уменьшение электрической прочности КЛ наблюдалось Н. Б. Богдановой при введении в КЛ до 40 мол% ЫаЛ.

У нас сложилось впечатление, что противоречивость экспериментальных данных обусловлена несовершенством ранее применявшейся методики

Рис. 2. Осциллограмма напряжения при пробое образца.

измерения электрической прочности. Анализируя возможность влияния вторичных эффектов на электрическую прочность монокристаллов, мы выбрали такие условия опытов, в которых эти влияния отсутствуют или сведены к минимуму.

Образцы пробивались на фронте одиночного импульса высокого напряжения. Время повышения напряжения до пробивного не превышало 4,3 мксек. Образцы с лункой диаметром 10 мм против плоскости изготовлялись из монокристаллов, выращенных из расплава солей с помощью охлаждаемой затравки. Электроды наносились испарением металла в вакууме. Испытания производились в трансформаторном масле при комнатной температуре. Применение осциллографической техники с фотозаписью осциллограмм пробоя позволило увеличить точность измерения напряжения и ввести объективную оценку качества экспериментов. На рис. 1 представлена осциллограмма импульса высокого напряжения, на рис. 2—типичная осциллограмма пробоя образца.

I

? 6 ^ о

ж в а

и

0.5

1.0

Толщина ооразцо$ ош-о. 15дм*

и

2.0

Толщина образцоб а.ш-о.т мы

Е пр

$ и

2.0

25

Толщина оЬрази,о$ о гоьош

Л----- £ пр

1.0 8 М 2.0 & * Толщина оврвзцоВ о /00 - 0Ш

Е пр

1.0

1.5

го

¥

Электрическая прочность в ю В/см.

Рис. 3. Распределение образцов из монокристаллов №С1 по их электрическим прочностям.

В результате экспериментов мы получили такие же диаграммы распределения образцов по их электрическим прочностям (рис. 3), как и при измерении механической прочности на разрыв по данным других авторов [6].

Измеренные значения электрической прочности монокристаллов чистых солей приведены в табл. I.

Таблица 1

Материал образца

Электрическая прочность в 106 в\см

средняя

максимальная

Толщина образца в мм, имеющего максимальную прочность

N301

№Вг

КС1

КВг

КЛ

0,93 0,74 0,75 0,86 0,48

2,4 1,29 1,99 1,68 0,89

0,104 0,138 0,111 0,143 0,183

Результаты измерения электрической прочности на отожженных и не-отожженных образцах находятся в одной и той же области разброса.

На рис. 4, 5 и б представлены полученные нами графики изменения; электрической прочности с химическим составом монокристаллов твердых растворов систем NaCl—NaBr, KCl—КВг и KJ—KBr. Из графиков следует» что у всех трех исследованных нами систем твердых растворов:

а) зависимость электрической прочности от химического состава, построенная по максимальным и средним значениям измеренной электрической прочности, выражается кривыми с минимумом в области средних молекулярных процентных содержаний компонентов;

б) нижней границей измеренных значений электрической прочности являются прямые, параллельные оси абсцисс и расположенные в области. 300—400 к в/см.

Отступления от указанного положения наблюдаются только у системы КВг—КЛ. В области малых процентных содержаний КВг в КЛ среднее значение электрической прочности возрастает с увеличением количества примеси КВг.

Измерения производились в течение 3—5 суток после выращивания монокристаллов. Указанное время образцы хранились в эксикаторах. Монокристаллы ЫаВг и ШС1—ЫаВг в присутствии влаги покрываются белым налетом. Для устранения этого явления образцы хранились и обрабатывались в сухом трансформаторном масле. При испытаниях на постоянном напряжении образцов, поверхность которых была покрыта белым налетом, поверхностное перекрытие образца наблюдалось раньше, чем достигалось пробивное напряжение. На импульсах с длиной фронта порядка 10~в сек это явление отсутствовало, а электрическая прочность в некоторых случаях была выше, чем у прозрачных образцов. В системе КЛ—КВг некоторые выращенные кристаллы имели мутнобелый оттенок. Измеренная электрическая прочность таких кристаллов хорошо укладывалась в общую закономерность.

к

0.1

0 W 20 30 W so SO 70 fO SO 100 MÜJ!%Л/ffßt m 30 80 W so SO 40 30 го 10 О лол%На

Рис. 4. Зависимость электрической прочности от состава для монокристаллов системы КаС1—ИаВг.

Результаты наших измерений электрической прочности твердых растворов хорошо согласуются с экспериментами Н. Б. Богдановой (система KJ—КВг) и не подтверждают данные Хиппеля и Бюэля (система KCl—КВг). Электрическая прочность твердых растворов системы NaCl— NaBr измерена впервые нами.

О 10 28 30 40 SO SO 70 SO SO 100 МОЛ% K8% 100 so SO 70 SO SO 40 30 ZO 10 О мол % к се

Рис. 5. Зависимость электрической прочности от состава для монокристаллов системы KCl—КВг.

На основании результатов измерений наших и Н. Б. Богдановой мы пришли к следующему заключению:

1. Введение примесей с образованием твердых растворов хцелочно-га-лоидных солей типа замещения галоида сопровождается уменьшением*

* в

10 — см

п

I

I

1 'S

I

0.2

1 х

я *

г *? *

1 1 Э /

1 > 1 Г" [ _ * X * * л *

<ГУ Ыг-1 » у к' • ( 1

* кя i j - ": Г ! к 1

О 10 ZQ 30 kO SO fO 70 ¡00 SO SO 70 SO SO 40 30

ZO

ju ti/y mw /ij/ ь

10 Q МОЛ % HU

Рис. 6. Зависимость электрической прочности от состава для монокристаллов системы Ю-КВг.

электрической прочности монокристаллов в сравнении с чистыми исходными солями. Минимальную электрическую прочность имеют монокристаллы твердых растворов со средними молекулярными процентными содержаниями компонентов.

2. Теория Фрелиха, подсказывая только упрочнение ионных кристаллов при введении в их структуру примесей, не отображает полностью действительные закономерности, имеющие место при электрическом пробое. Нельзя проводить аналогию между процессами, приводящими к электрическому пробою твердых диэлектриков, и электропроводностью металлических сплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. н. Fröhlich, Ргос. Roy. Soc. A., vol. 172,94, 1939.

-2. H. Fröhlich, Ргос. Roy. Soc. A., vol. 178, 493, 1941.

3. A. von Hippel and С. M. Lee, Phys. Rev. vol. 59, 824, 1941.

4. R. C. Buehl, A. von Hippel, Phys. Rev, vol. 56, 941, 1939.

5. H. Б. Богданова. ЖЭТФ, т. 4, 30, \Ш.

6. В. Л. Кузнецов. Физика твердого тела, т. 2, г. Томск. 1941.

Томский политехнический институт

Стр.

5

9

13

24

50

53

57

64

65

85

111

111

120

135

147

148

204

253

273

2S0

294

282

324

336

337

337

337

338

338

339

340

3-1-7

<j'r /

348

35:)

451

ОПЕЧАТКИ

Напечатано

Следует читать

Зинерман пробивкой напряженности h

е ^ 4 —

2'

рис,

М-

L

~М

df dz

/'-.Т.

h (е2. О — 1 •

к 0,52 . Ю-2

101*.

. 10

производимое™ активизации прочности химического стр...

е = 1000 Up aap. II проб.

КЬВг

- f = 4. Ю-*1 гц; 3 - f = Ю3 гц

KCJ 2103

от 10

таблица стр. 269 [3,4]

¡6] [7] [6]

[9,10] [11,12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[М] л- - Const механический

Зингерман пробивной напряженностью h

е ^ 4 ш рис. 9.

М1

М-

df\

1 —

1 —

1,3 s

(t - /)»

I,

1014

/2 (e3l ex) = lt e -.0,52 . 10~2

10" 2

проводимости активации прочности от химического стр. ИЗ е ~ 1000

иразр. / Unpoö.

RbBr

2 — f = 4.10- гц; 3- Г = 10° г/«

KCl

2.105

от 10--* при f =2.10' до 6 10 таблица 2 стр. 251

[3]

[4]

й

И

[7,8]

И [П]

[¡.я

[M]-v = Const технический