气体的放电现象

一、 电子碰撞气体引起的电离

电子与气体分子或原子碰撞时，如果电子能量很低，往往不能引起分子或原子状态的变化，电子本身的能量变化亦很小，这就是弹性碰撞的情况。当电子能量足够高时，则碰撞会以某一几率引起气体分子或原子的激发或电离，这就是非弹性碰撞的情形。所谓激发，就是将原子或分子的一个外部价电子跃迁到较高的能级去的过程。在分子的情况，还可能是改变了它的转动能级或振动能级。所谓电离，就是一个或多个价电子脱离原子或分子的过程。原子电离后形成原子离子。分子电离后除了形成分子离子外，也有将分子离解而形成原子离子的。结构复杂的分子在遭受电子碰撞后常常分解为较简单的分子。

足以引起气体电离的电子能量叫电离能。电离能所对应的电位称电离电位。在电离电位以上，也并不是每次碰撞都能引起电离，而仅仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞数与总数碰撞数之比，就称为电离几率。电离几率与电子能量有关，通常先随电子能量增高而增大，达到最大值后逐渐下降。

二、 气体放电

所谓气体放电，就是当气体原子或分子受到某种外界能量作用而形成荷电粒子（电子、正离子、负离子），气体变成导体，当有电场存大时，带电粒子便定向运动，产生了气体放电现象。

1． 气体放电的特点

1）气体本身不存在可以参与导电的带电粒子。气体导电是由于自然界存在的各种辐射线（紫外线、宇宙射线、放射性元素放射的γ射线等）的光子与气体分子碰撞，或参与导电的电子和正离子通过气体时和气体分子碰撞，而使气体分子电离的结果。

2）在恒定温度下，气体的电导率由电子密度和平均自由程决定，它是随外界条件、电场强度、气体压力等变化而变化的变量。

3）电子从电场中获得的能量，主要可以转化为以下四种形式的能量：

A．通过和气体分子的弹性碰撞转化为分子热运动的能量；

B．通过激发碰撞转化为激发能；

C．通过电离碰撞转化为电离能；

D．通过和电极碰撞将能量转交给电级。

2．着火电压和巴邢定律

当加在阴极与阳极之间的电压增大到某一数值时，放电从非自持放电转变为自持放电，放电电流会大幅度增大，我们把非自持放电过渡到自持放电的突变过程称为崩溃（着火或点燃），对应的电压称为着火电压。着火电压先随气体压力、两极间距离的值增加而降低，当达到一个最小值后又随气体压力、两极间距离的值增加而增加。

3． 辉光放电

辉光放电是在满足着火条件后立即发生的一种自持辉光放电。它的显著特点是从阴极至负电辉区有几百伏左右的电位变化。

辉光放电分正常辉光放电和异常辉光放电。放电开始时，辉光只覆盖一部分阴极表面，这就是正常辉光放电。随着放电电流的增加，辉光逐渐扩展到整个阴极表面，这就是异常辉光放电。

辉光放电的整个放电空间为明暗相间的光层所分隔，而最大多数的光层分布在紧靠阴极的地方。

辉光放电空间可分为几个区域：

区域I—阿斯顿暗区，不发生电离和激发；

区域II—阴极辉区，气体分子激发发光；

区域III---阴极暗区，产生很强电离，具有很高正离子浓度，有较强的空间电荷；

区域I、区域II、区域III总称阴极位降区，是辉光放电的特征区域；

区域IV—负辉区，光度最强，有较强的负空间电荷；

区域V—法拉弟暗区，电离和激发都很小；

区域VI—正柱区，等离子区；

区域VII—阳极区，该区的存在与否决定于外线路电流大小、阳极面积和形状。

辉光放电的应用很广，如利用辉光作光源（日光灯、霓虹灯、钠光灯），利用辉光放电奇异的伏—安曲线作成各种辉光电真空器件（稳压管、整流管、闸流管、放电保险管等），利用辉光放电中正离子轰击阴极现象做镀膜机的蒸发热源及其它阴极溅射设备，利用辉光放电的理论基础而发展的辉光离子氮化技术（真空离子氮化炉）。

4． 弧光放电

弧光放电是一种低电压，大电流的放电。它是当异常辉光放电达到峰值以后，如果电流继续增加，放电电压将迅速降低。当电流增加到1A以上时，电压将下降到40V左右，这时，阴极遭到离子的强烈轰击后，温度升高并产生阴极蒸发，在阴极附近极薄的范围内产生很高的汽压，形成极强的正空间电荷层，因而产生热电子发射或强电场发射，放电管中将了现耀眼的弧光，这就是弧光放电。由于弧光放电的电子发射很有效，只要很小的发射面积就能产生很大的电流，因此，发射电子只是温度最高、电场最强或逸出功最低的很小阴极部分，因而，弧光放电有一很小而极亮的辉点。辉点电流密度高达几KA/cm2以上。

弧光放电时的电位分布和辉光放电时的电位分布很相似。两者的差别在于：弧光放电时阴极位降区的宽度比辉光放电时小很多（一般只有几个平均自由程），负辉区和法拉弟暗区已消失，阴极位降区直接向正柱区过渡。弧区的温度很高，气体分子的电离和激发很强，形成电荷密度较大的等离子区。阳极位降区的电位降比辉光放电时大。

根据阴极释放电子的方式不同，弧光放电可分为热电弧光、场致弧光和热电子弧光三类。热电弧光是由难熔金属（如钨）阴极，在离子的轰击下达到很高的温度后产生的热电子发射引起的；场致弧光是利用蒸发温度低的物质作阴极（如汞阴极），阴极受高速下离子的轰击后引起大量阴极物质的蒸发，因而在阴极表面形成强电场，在强电场的作用下，使阴极表面产生场致发射，所以又叫冷电弧。热电子弧光则是将阴极改用热阴极（氧化物阴极），当阴极加热时获得大量的热电子发射而产生弧光放电，这种放电称为热电子弧光。

弧光放电有三个特点：A.有很高的温度。利用它可做为热源来溶化金属、焊接金属；

B.有很强烈的弧光。利用它可制做成各种电光源用于照明、显示、防空等；

C.大电流、小电压，有负电特性。利用这一原理可制造电弧炉等设备。

5．高频放电

高频放电就是当两个电极间有高频交变电场存在时所引起的放电形式。

当放电管两端加上交变电压时，气体中的电子和正离子便在交变电场作用下产生附加的谐振动。因正离子质量比电子大得多，谐振动振幅很小。当频率较低，谐振动的振幅远大于两极间的距离时，电子在每个半周期中都经过崩溃、放电、熄灭的全过程，这时的放电情况和直流情况一样。当频率较高时，谐振动的振幅远小于两极间的距离时，由于电子不断地来回运动，其电离能力将大大加强。因电子谐振动的振幅很小，进入电极的电子数量奖大大减少。这样，保证气体自持放电的电子将不再由电极产生的二次电子来提供，而是由电子来回运动时则电离产生的电子来提供。这时虽然也有少量正离子、光子轰击电极产生二次电子，但由于两个电极的极性不断发生变化，二次电子的振动方向有时与进入电极的电子流方向相同，有时相反。因此它对保证自持条件并不有利。

这种高频放电，只要有高频电场便可形成，不一定需要电极，所以一般又称无极放电。无极放电不仅能在交变的电场下形成，而且可以在交变磁场下形成。因交变磁场能产生涡旋电场，气体中由于残余电离产生的电子在涡旋电场的作用下围绕磁力线作加速运动，由此产生大量电离。当磁场方向沿放电管的轴线方向时，涡旋电场将沿半径方向逐渐减弱，电子的电离能力也沿半径方向减弱，因而形成了沿半径方向的电子与离子的农度梯度。在浓度梯度的作用下，电子和离子从轴线向管壁扩散。由于电子扩散比离子快，扩散结果，在轴线处出现正电位，在管壁处出现负电位，这样又产生了由轴线指向管壁的静电场。因此，放电管中存在两种电场，一种是围绕磁力线的涡旋电场，一种是从轴线指向管壁的静电场。电子在这两个电场的同时作用下，一面围绕轴线运动，一面向管壁扩展，结果形成一系列的同心光环。由于不同半径上电子的能量不同，激发的能级和数量不同，因此半径不同的光环，具有不同的颜色。

高频放电时的差火电压是放电发生时加在电极上的交变电位差的振幅。这个电压的振幅比直流放电的着火电压低。高频击穿电场强度与气压有关。气压愈高，击穿电场强度也愈大，击穿时的频率也愈高。

高频放电在雷达和脉冲技术方面有广泛的应用。