8气体放电 和放电特性

放电特性（discharge characteristic）是指在切断供电电流后，二次场电位差（△U2）随放电时间（t）的变化关系：当充电一定时间后断电，二次场电位差（△U2）随时间缓慢衰减，开始较快，以后逐渐减慢，最后趋于零。

放电特性和极化体的物质成分、离子扩散等因素有关。

[1]气体放电英文名称：gas discharge 定义：气体中流通电流的各种形式的统称。

包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。

所属学科：电力（气体放电一级学科）；高电压技术（二级学科） :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。

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，它就气体放电变为电的导体。

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。

气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。

基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。

编辑本段激发现象荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。

这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。

要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为E m的状态,就必须给予(E m-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eV e，则有eVe＝Em－E1电位V e称为激发电位。

实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。

引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。

原因受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的气体放电状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。

气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。

在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态,这时便称为处于亚稳状态,处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。

亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子,升到更高的能级,然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。

另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能,它本身回到常态。

亚稳原子的寿命约为10-4～10-2秒；由于它寿命较长,在放电中常常起重要的作用。

基态时当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。

这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。

电离电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。

与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。

Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。

同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。

引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。

如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。

电离过程在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。

这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。

这个过程称为潘宁效应。

编辑本段方式如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。

消电离的方式有三种:①电子先与中性原子结合成为负离子,然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。

②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。

③电子与正离子直接复合。

迁移在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。

经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比 u＝KE系数K称为电子（离子）迁移率。

对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数,而与电场强度E有关。

编辑本段扩散扩散现象复杂当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。

带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。

扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。

多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。

其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况，这时出现所谓双极性扩散。

这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散,其基本特征是:电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。

结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。

两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。

电子运动速度快在管壁附近,双极性扩散受到管壁的影响。

此时,电子运动速度快，先附于管壁，使管壁带负电位。

负电位阻止后来电子的抵达，但吸引正离子，在其附近形成正电荷鞘层。

在鞘层中，电子的浓度随着接近管壁而递减，最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。

气体放电的重要形式最早研究的气体放电形式是低气压（1～100帕）直流放电，即在气体中置入两个电极,通以直流电压而得到的放电。

为使电流不致过大,回路中串联一个电阻（即限流电阻）。

若将电源电压逐渐提高,通过气体的电流就随之增大（图1，纵坐标为跨于两电极上的电压）。

当极间电压提高到u s时，电流突然急剧增加，放电变为明亮的形式，这称为着火，也称为击穿。

着火之后，放电转入自持放电，在开始一段（SB段）为正常辉光放电，极间电压比着火前为低，且其数值不随电流增大而变化，呈现恒电压特性。

当电流增大到某一数值（B点）时,极间电压又随电流而增大，这一段（BE段）属异常辉光放电。

电流增大到E点时就转入电弧放电,此时极间电压将随电流增大而下降，呈现出负阻特性（ECDF段）。

气体放电气体放电的着火是一种突变现象。

闸流管、计数管、气体放电开关管等器件便利用这种突变特性。

利用正常辉光放电的恒电压特性即可制成气体放电稳压管。

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。

编辑本段物理描述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）。

气体放电电子数目汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n u为式中n0为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；α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。

自持放电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。

气体的着火电压取决于一系列因素。

1889年，L.C.帕邢发现，对于平行平板电极系统，在其他条件相同时，着火电压是气体压力p与电极距离d乘积的函数，通称为巴邢定律。

图3表示一些气体的着火电压与pd值的关系。

由图可见，着火电压有一最低值。

在最低值右边（右支），着火电压随pd的增大而提高，在其左边（左支），则随pd的减小而提高。

在高电压设备中,各电极间的距离须足够大（即d值应足够大），有时还充以高压强（即取大的p值）的绝缘气体,以提高设备的耐压，就是利用右支的特性。

反之，在真空电容器一类器件中，常将其内部抽至良好的真空（即达到小的p值），以提高其耐压，这是利用左支的特性。

气体放电编辑本段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。

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。

辉光放电各区域中最早被利用的是正柱区。

正柱区的发光和长度可无限延伸的性质被利用于制作霓虹灯。

作为指示用的氖管、数字显示管，以及一些保护用的放电管，也是利用辉光放电。

在气体激光器中，毛细管放电的正柱区是获得激光的基本条件。

近代微电子技术中的等离子体涂覆、等离子体刻蚀，也是利用辉光放电过程。

从正柱区的研究发展起来的等离子体物理，对核聚变、等离子体推进、电磁流体发电等尖端科学技术有重要意义。

辉光放电中的负辉区，由于电子能量分布比正柱区的为宽，近年来被成功地用于制作白光激光器。