气体放电

气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式：1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。但在足够大的外界能量作用下，电子(也许还不只一个)就会挣脱原子核的吸引，脱离原子成为自由电子，中性原子由于失去了电子而成为正离子，原来的一个中性原子分成了电子和正离子，这一过程称为游离。游离产生的电子、正离子就是带电质点。因此，带电质点是由游离产生的，而要产生游离则必须要有足够的外界能量作用。由于外界能量种类的不同，存在以下几种游离形式：(1)碰撞游离高速运动的质点(电子、离子等)与中性原子碰撞，使中性原子游离，产生更多的带电质点，这种由碰撞(动能)而产生的游离叫碰撞游离。显然．运动质点的速度越高、动能越大，就越容易产生碰撞游离。与离子相比，电子质量小、速度快，因此碰撞游离主要是由电子与气体中性原子碰撞引起的。需要注意的是，既不是所有的碰撞都能产生碰撞游离，也不是碰撞次数越多就越容易产生碰撞游离；也有只碰撞不游离的，并且碰撞越频繁、消耗的能量越多，越不容易产生碰撞游离。归根结蒂，能否产生碰撞游离决定于碰撞时的动能是否足够。(2)光游离由光辐射引起的气体分子游离叫光游离。能够产生较强光游离的有x射线和γ射线等。(3)热游离由气体热状态（高温）引起的游离叫热游离。这种游离一般要在数千度高温下才会发生，在室温下游离的可能性极小。以上3种游离形式都是气体中性原子产生游离，即气体中性原子在动能、光能或热能的作用下变成电子、正离子的过程。(4)金属表面游离在外界能量的作用下，电子从金属表面和电极上发射出来叫金属表面游离。外界能量可以来自电极加热、质点碰撞、强光照射或强电场作用等。2．带电质点的消失气体中产生带电质点的同时，还伴随着相反的过程——带电质点的消失。气体中带电质点的消失主要有3种方式：(1)定向运动在外电场作用下，电子、负离子向阳极运动，正离子向阴极运动，形成电流，带电质点消失于电极。(2)扩散当气体中带电质点分布不均匀时，则会由浓度高处向浓度低处移动，使其趋于均匀，这一过程称为扩散。扩散是由热运动造成的，与气体状态(压力、温度)有关。例如游离强烈的区域带电质点的浓度就较高，在热的作用下，这些带电质点会从浓度高的区域向浓度低的区域移动，形成扩散。（3）复合正、负带电质点相遇，电荷彼此中和而还原为中性原子，这一过程称为复合。复合过程中将以光辐射的形式释放能量，这种光又有可能使中性原子发生光游离。影响复合过程的因素主要是正、负带电质点的浓度和相对运动速度。正、负带电质点的浓度越大，越容易发生复合，复合过程就越强烈；而正、负带电质点的相对运动速度越快，越不容易发生复合，因此正、负离子之间的复合概率比正离子与电子之间的复合概率更大。气体放电气体放电的现象,又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。在气体电离的同时，还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。这3个过程中，电离、复合二者与外电场无关，后者则与外电场有关。随着外电场的增强，离子定向速度加大，复合逐渐减少以致不起作用，因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上，于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。当电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加，即使撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或点燃，相应的电压叫做击穿电压。撤去电离剂后，仍有许多带电粒子参与导电。首先，正负离子特别是电子在电场中已获得相当动能，它们与中性分子碰撞使之电离，这种过程连锁式地发展下去，形成簇射，产生大量带电粒子。其次，获得较大动能的正离子轰击阴极产生二次电子发射。此外，当气体中电流密度很大时，阴极会因温度升高产生热电子发射。气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多因素有关，而且往往有发声、发光等现象伴随发生。自持放电因条件不同，而采取不同的形式。见辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电。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。激发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Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有eVe＝Em－E1电位Ve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。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。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。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。消电离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。扩散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。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us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。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