什么是气体放电?

什么是气体放电?

[拼音]：qiti fangdian

[外文]：gas discharge

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?邮购笳叩缋氲墓獭Ｕ庵止讨挥性谘俏仍拥难俏鹊缥桓哂谥行苑肿拥牡缋氲缥唬ㄈ缒实难俏仍优鲎搽苍樱┦辈趴赡艹鱿帧Ｕ飧龉坛莆四вΑ?

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）。

汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目nu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。

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。

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。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

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（图1中 BE段）。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（图1中CDF段）。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。

碳极电弧是最早的强光光源。各种高气压放电灯如高气压汞灯、氙灯、钠灯，是在管泡内进行电弧放电的光源。电弧焊接、电弧切割在工业上有广泛应用；电弧的高温可作为电炉的热源。

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。

火花放电使电极材料受到严重的烧蚀，利用这一现象制成的电火花加工设备，能对金属进行切割、抛光等加工。火花放电时，不仅击穿气体，还能击穿其通路上的薄片绝缘材料，电火花打孔的加工技术就是利用这一现象的。依据火花放电现象制成的触发管和火花放电器，常用于脉冲调制电路中。

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，即火花隙间加上电压，气体电离及击穿并使放电充满整个装置；

（2）维持阶段，此时电容器中的能量继续通过放电通道，放电空间出现强烈的电离和激发；

（3）放电熄灭阶段，即随着电容器上电压的降低，放电逐渐衰弱，最后不能自持时，放电就自行熄灭。

脉冲放电时激发和电离很强烈，各种过程导致的辐射及粒子数反转现象极其丰富，可用于制造各种脉冲气体激光器。微波工程中的天线开关管、作为固体激光器光泵用的脉冲氙灯、脉冲离子源和摄影用闪光灯，都是脉冲放电的应用。

参考书目

杨津基编著：《气体放电》，科学出版社，北京1983。

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