气体放电过程

气体放电过程的分析干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。暗放电暗放电主要是非自持放电（但自持放电的某些区域中有暗放电存在）。关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进，又能引起分子的电离，电子数目便雪崩式地增长。这称为电子繁流（图2）。S2电予畫说示愈图 吕林诂出气体放电汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n为U效益费用比二式中气为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；a为汤生第一电离系数。上式表明，电子数目随距离d指数增长。在一些光电器件中，特意充入一些惰性气体，使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流，以得到光电流的放大，提高器件的灵敏度。放电中产生的正离子最后都抵达阴极。正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射;这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。r过程使放电出现新的特点，这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。如果同一时间内，由于r过程产生的电子数，恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。辉光放电低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。若电极是安装在玻璃管内，在气体压力约为100帕且所加电压适中时，放电就呈现出明暗相间的8个区域（图4）。图中下方的曲线表示光强的分布，按从阴极到阳极的顺序分为7个区。圏斗迁需譯疋贡电的性枕最垄先去命冲气体放电阿斯顿暗区：它是阴极前面的很薄的一层暗区，是F.W.阿斯顿于1968年在实验中发现的。在本区中，电子刚刚离开阴极，飞行距离尚短，从电场得到的能量不足以激发气体原子，因此没有发光。阴极辉区：紧接于阿斯顿暗区，由于电子通过阿斯顿暗区后已具有足以激发原子的能量，在本区造成激发而形成的区域，当激发态原子恢复为基态时就发光。阴极暗区：又称克鲁克斯暗区。抵达本区域的电子，能量较高，有利于电离而不利于激发，因此发光微弱。负辉区；紧邻阴极暗区，且与阴极暗区有明显的分界。在分界线上发光最强，后逐渐变弱，并转入暗区，即后述的法拉第暗区。负辉区中的电子能量较为分散，既富于低能量的电子也富于高能量的电子。法拉第暗区：负辉区到正柱区的过渡区域。在本区中，电子能量很低，不发生激发或电离，因此是暗区。正辉柱区:与法拉第暗区有明显的边界，是电子在法拉第暗区中受到加速，具备了激发和电离的能力后在本区中激发电离原子形成的，因发光明亮故又称正辉柱。正辉柱区中电子、离子浓度很高（约1015〜1016个/米3），且两者的浓度相等，因此称为等离子体。正柱区具有良好的导电性能；但它对放电的自持来说，不是必要的区域。在短的放电管中，正柱区甚至消失；在长的放电管中，它几乎可以充满整个管子。正柱区中轴向电场强度很小，因此迁移运动很弱，扩散运动（即乱向运动）占优势。阳极辉区和阳极暗区：只有在阳极支取的电流大于等离子区能正常提供的电流时才出现。它们在放电中不是典型的区域。异常辉光放电辉光放电中，如果整个阴极已布满辉光，再增大支取的电流，则出现异常辉光放电。此时阴极位降很大，且位降区的宽度减小。阴极位降大和电流密度大，会导致阴极材料的溅射。在放电器件中，溅射的吸气作用降低器件内气体压强并改变其气体成分，而溅射形成的导电膜则降低电极间绝缘。阴极溅射现象也可用作材料涂覆的一种手段，这就是溅射镀膜。电弧放电如将辉光放电的限流电阻减小，则放电电流增大，并转入电弧放电。电弧放电的特点是电流密度大而极间电压低，其自持依赖于新的电子发射机制，即热发射和冷发射。热发射是因正离子轰击阴极出现局部高温而产生的;冷发射则是因阴极表面存在局部强电场而引起的。前者称为热电子电弧，后者称为冷阴极电弧。作为强光源的碳极电弧就是热电子电弧；电力工业用的汞弧整流管则利用冷阴极电弧。电弧放电的一个重要特点是阴极上有阴极辉点。热电子电弧的辉点一般是固定不动的；冷阴极电弧如汞弧整流管液汞表面上的辉点是跳跃移动的。阴极辉点是电子发射的来源,其电流密度高达数百至数千安／厘米2。电弧放电的伏安特性随电极材料、气体种类、压力而异。大气中的碳极电弧呈现出典型的负阻特性，因此外电路中必须串有限流电阻，以稳定电流。电弧放电产生强烈的辐射，其强度随气体压力和电流密度而增大。放电区中温度最高点在一个大气压下约为4200K,在10个大气压下为6520K,在几十或几百大气压下达10000K。电晕放电在气压较高而极间距离大时，不易得到自持放电。但是，如果一个或两个电极很尖（即曲率半径很小）,形成很强的局部电场,则能导致气体的强烈激发和电离,并出现发光的薄层,称电晕层；电晕层外的区域,电场不足以激发和电离,呈黑暗状,称电晕外区。这种放电称电晕放电,是一种不完全击穿的自持放电。负离子发生器就是电晕放电的一种应用。火花放电这是在电源电压较高,足以击穿气体,但电源功率不够大,不能维持持续放电时产生的一种放电。它仍然是一种自持放电,但瞬即熄灭,待电源电压恢复后,又重新放电。放电时电极间有丝状火花跳过电极空间,其路程则是随机的。自然界中的雷电,是一种大范围的火花放电,但在火花放电之前大多先出现电晕放电。火花放电的过程比汤生放电还要迅速。关于这种放电的理论,较为成功的是条带理论。这种理论认为：在强电场作用下,由外界催离素所产生的某一个电子,向阳极运动时将引起强烈的电离及激发,并形成电子繁流。这种单个电子形成的繁流称为负条带。形成负条带的同时,出现强烈的短波辐射,在空间引起光电离；光电离产生的光电子,又能发展成一些较小的负条带。当条带较多时,便汇成一个强大的负条带,迅速向阳极飞去。详细的分析表明,还存在从阳极飞往阴极的条带,即正条带。正负条带造成两电极间的导电通路,使强大的电流脉冲得以通过气体,这就是火花放电的着火。高频放电与微波放电通常,如果放电管电极的电极性改变,放电的方向也改变。但这仅是在频率很低的情况下才如此。如50赫市电点燃荧光灯时就是这样。但当频率提高时,放电来不及熄灭,因而呈现为稳定放电的形式：正辉柱位于两电极中间,正辉柱两边均有法拉第暗区,然后是两个负辉区紧邻两个电极。这就是高频放电。高频放电中,带电粒子来回运动，损失的速度很慢，因此无需r过程也能维持放电，故可将电极移至管壳之外，仅借助电场就可在管内引起放电。若将通有高频电流的线圈套在管外,借助交变电磁场的作用也能激起高频放电。频率在几百兆赫至几百吉赫的高频放电，属于微波气体放电。依据微波放电原理制成的天线开关管，广泛应用在雷达工程中。高频放电离子源，是核物理、等离子体化学的重要研究工具。微波放电线光谱辐射源、连续光谱辐射源等，应用于物理学、化学的研究工作中。在近代微电子技术中，利用高频溅射的方法可避免静电荷的影响。在可控核聚变研究中，微波放电可用作初始等离子体源，微波放电还可作为介质，用以研究波的传播、转化、吸收、等离子体稳定性、扩散、紊流等过程。脉冲放电在脉冲电压作用下引起的气体放电，就是脉冲放电。脉冲放电视脉冲电源的具体型式分为单脉冲放电、重复脉冲放电和高频脉冲放电等，高频脉冲放电时，通过气体的脉冲电流的曲线是变幅高频交流振荡曲线的包络线。最简单的脉冲放电是由一电容储能电路击穿一个火花隙而得到的；放电装置则串接在火花隙中，火花隙击穿时装置中亦就得到了脉冲放电。脉冲放电的过程，可以分成三个阶段：①脉冲形成阶段，即火花隙间