Кратко резюме причины и практические меры.

Почему при низком среднем поле может случаться пробой у острой точки

Геометрическое усиление поля: на острой вершине радиус кривизны r сильно меньше размеров установки, локальное поле E_loc ≈ V/r $илиE_{l}oc=\beta \cdot E_{с}р,\beta —факторусиления$. Для r ~ 1 μm и V ~ 1 kV получается E_loc ~ 10^9 В/м — вполне достаточное для эмиссии и инициирования разрядов. Микрорельеф $асперитеты,трещины,микрозаусенцы$: каждое микрошероховатое выступление даёт своё локальное β, часто >>1. Адсорбированные микрочастицы $провода,металлическаястружка,пыль$: проводящие частицы выступают как «микроигла», усиливают поле и могут мигрировать/перегреваться, вызывая местную ионизацию и микрорезонансные разряды. Металлические «усики» / whiskers $оловянныеидр.$: самопрорастание тонких проволочек со временем — источник серьёзного усиления. Плёнки/контаминация и адсорбированная влага: изменяют работу выхода, обеспечивают микропроводящие пути, понижая порог и облегчая ионную эмиссию/корону. Тройной контакт $metal–insulator–газ$ и острые границы изолятора: концентрация поля в точке стыка ведёт к локальной ионизации. Поляризация и скопление поверхностных зарядов $ввакуумеилинаизоляторах$ — могут локально увеличивать поле. Тепловая или электронная эмиссия $Fowler–Nordheim$: при высоком локальном поле экспоненциальный рост тока эмиссии вызывает нагрев и «взрывную эмиссию» с последующим разрядом.

Наглядный числовой пример: среднее поле 10^5 В/м, а небольшой выступ радиусом 1 μm даёт усиление β~10^3 → локальное поле ~10^8 В/м — разряд возможен.

Диагностика $чтопроверитьпреждечемменятьконструкцию$

Осмотр поверхности под оптикой/микроскопом/SEM — искать заусенцы, частицы, whiskers. Профилометрия/AFM — измерить микрорельеф, радиусы кривизны. Тест на эмиссионный ток $I–V$ — явная экспоненциальная зависимость указывает на сквозную полевую эмиссию. Мас-спектрометрия/термограмма — проверить выбросы/выделения газов. Высокоскоростная съёмка/детекция фотонов/Рентген — локализация места разряда. Контроль частиц $количествоиразмер$ в окружении $HEPA/cleanroomмонитор$.

Методы предотвращения и снижения риска $практика$

Геометрическое устранение острот
Сглаживание острых краёв и вершин; проектирование с радиусом закругления побольше. Установка экранов/полирующих накладок, полукруглых полос/коронных колец $field-grading/coronarings$. Уменьшение микрорельефа поверхности
Механическая шлифовка + тщательная полировка до зеркального блеска. Электрополировка $electropolishing$ для удаления микрозаусенцев. Химическое травление/обработка для устранения микро-асперитетов. Термальная обработка/отжиг для снятия внутренних напряжений и уменьшения волосков. Покрытия и напыления
Тонкие диэлектрические/конформные покрытия $Parylene,Al2O3,SiO2,ALD-слои$ для «заполнения» нано-неровностей и снижения β. Проводящие или полупроводящие покрытия с контролируемой проводимостью для равномерного распределения поля $снизятлокальныескачки$. Избегать материалов, дающих whiskers $чистыйоловянныйслой$, предпочитать никель/золото/платиновое покрытие с контролем процессов. Очистка и контроль загрязнений
Работа в чистой среде $cleanroom,HEPA-фильтрация$, минимизация контакта руками. Улучшенная очистка: растворители $изопропанол,ацетон$, ультразвук, плазменная очистка, деионизированная вода и сушка. Перед испытаниями продувка чистым сухим газом или вакуумная откачка и отжиг $bake-out$ для удаления влаги и адсорбатов. Использование антистатических мер и ионизирующих фенов для удаления мелких частиц. Предварительное кондиционирование и «выжигание»
Плавное наращивание напряжения / RF- или DC-conditioning: серия контролируемых частичных разрядов «выжигает» слабые выступы. Нужно делать аккуратно — контрольное повреждение возможно. Конструктивные меры
Размещение вспомогательных електродов/экранирующих колец для перераспределения поля. Использование изоляционных прокладок с аккуратно обработанными кромками $скосы,покрытие$, чтобы избежать трипл‑джанкшен. Контроль за расстоянием и геометрией зазора $увеличениезазора,есливозможно$. Материалы и процессы изготовления
Выбирать материалы и технологии покрытия, минимизирующие рост whiskers; термообработка/отливки с контролем напряжений. Контроль качества при пайке/гальванике, чтобы не оставлять проводящих капель и частиц.Управление средой
В газовой среде: регулировать давление/состав газа, влажность; использование инертных или сухих газов. В вакууме: тщательная откачка, баке‑аут, минимизация остаточных газов.

Приоритетный алгоритм действий $рекомендация$

Визуальный/микроскопический осмотр проблемной точки. Очистка поверхности $ултразвук/растворитель/плазма$ + продувка. Если частицы/выступы видны — механическая/химическая/электрополировка; если нет — выполнить SEM/AFM для поиска наноасперитетов. При необходимости — покрытие тонким диэлектриком или проводящим слоем для выравнивания поля. Кондиционирование напряжением под контролем тока/излучения. Организация чистой среды и предотвращение повторной контаминации.

Коротко о важном: даже при небольшом «среднем» поле локальные радиусы кривизны микрометрового/нанометрового масштаба дают экспоненциально большее поле и эмиссию; потому борьба ведётся главным образом на уровне поверхностной чистоты, микрорельефа и защитных покрытий.

Если хотите, могу:

предложить чек‑лист для обследования конкретной точки; порекомендовать параметры полировки/электрополировки и типы покрытий для вашей конкретной конструкции и среды $газ/вакуум$; помочь интерпретировать ваши измерения I–V или фотографии поверхности.