氣體的放電現象

一、 電子碰撞氣體引起的電離

電子與氣體分子或原子碰撞時，如果電子能量很低，往往不能引起分子或原子狀態的變化，電子本身的能量變化亦很小，這就是彈性碰撞的情況。當電子能量足夠高時，則碰撞會以某一機率引起氣體分子或原子的激發或電離，這就是非彈性碰撞的情形。所謂激發，就是將原子或分子的一個外部價電子躍遷到較高的能級去的過程。在分子的情況，還可能是改變了它的轉動能級或振動能級。所謂電離，就是一個或多個價電子脫離原子或分子的過程。原子電離後形成原子離子。分子電離後除了形成分子離子外，也有將分子離解而形成原子離子的。結構複雜的分子在遭受電子碰撞後常常分解為較簡單的分子。

足以引起氣體電離的電子能量叫電離能。電離能所對應的電位稱電離電位。在電離電位以上，也並不是每次碰撞都能引起電離，而僅僅有一部分能引起電離。引起電離的碰撞數與總數碰撞數之比，就稱為電離機率。電離機率與電子能量有關，通常先隨電子能量增高而增大，達到最大值後逐漸下降。

二、 氣體放電

所謂氣體放電，就是當氣體原子或分子受到某種外界能量作用而形成荷電粒子（電子、正離子、負離子），氣體變成導體，當有電場存大時，帶電粒子便定向運動，產生了氣體放電現象。

1． 氣體放電的特點

1）氣體本身不存在可以參與導電的帶電粒子。氣體導電是由於自然界存在的各種輻射線（紫外線、宇宙射線、放射性元素放射的γ射線等）的光子與氣體分子碰撞，或參與導電的電子和正離子通過氣體時和氣體分子碰撞，而使氣體分子電離的結果。

2）在恆定溫度下，氣體的電導率由電子密度和平均自由程決定，它是隨外界條件、電場強度、氣體壓力等變化而變化的變量。

3）電子從電場中獲得的能量，主要可以轉化為以下四種形式的能量：

A．通過和氣體分子的彈性碰撞轉化為分子熱運動的能量；

B．通過激發碰撞轉化為激發能；

C．通過電離碰撞轉化為電離能；

D．通過和電極碰撞將能量轉交給電級。

2．著火電壓和巴邢定律

當加在陰極與陽極之間的電壓增大到某一數值時，放電從非自持放電轉變為自持放電，放電電流會大幅度增大，我們把非自持放電過渡到自持放電的突變過程稱為崩潰（著火或點燃），對應的電壓稱為著火電壓。著火電壓先隨氣體壓力、兩極間距離的值增加而降低，當達到一個最小值後又隨氣體壓力、兩極間距離的值增加而增加。

3． 輝光放電

輝光放電是在滿足著火條件後立即發生的一種自持輝光放電。它的顯著特點是從陰極至負電輝區有幾百伏左右的電位變化。

輝光放電分正常輝光放電和異常輝光放電。放電開始時，輝光只覆蓋一部分陰極表面，這就是正常輝光放電。隨著放電電流的增加，輝光逐漸擴展到整個陰極表面，這就是異常輝光放電。

輝光放電的整個放電空間為明暗相間的光層所分隔，而最大多數的光層分布在緊靠陰極的地方。

輝光放電空間可分為幾個區域：

區域I—阿斯頓暗區，不發生電離和激發；

區域II—陰極輝區，氣體分子激發發光；

區域III---陰極暗區，產生很強電離，具有很高正離子濃度，有較強的空間電荷；

區域I、區域II、區域III總稱陰極位降區，是輝光放電的特徵區域；

區域IV—負輝區，光度最強，有較強的負空間電荷；

區域V—法拉弟暗區，電離和激發都很小；

區域VI—正柱區，等離子區；

區域VII—陽極區，該區的存在與否決定於外線路電流大小、陽極面積和形狀。

輝光放電的應用很廣，如利用輝光作光源（日光燈、霓虹燈、鈉光燈），利用輝光放電奇異的伏—安曲線作成各種輝光電真空器件（穩壓管、整流管、閘流管、放電保險管等），利用輝光放電中正離子轟擊陰極現象做鍍膜機的蒸發熱源及其它陰極濺射設備，利用輝光放電的理論基礎而發展的輝光離子氮化技術（真空離子氮化爐）。

4． 弧光放電

弧光放電是一種低電壓，大電流的放電。它是當異常輝光放電達到峰值以後，如果電流繼續增加，放電電壓將迅速降低。當電流增加到1A以上時，電壓將下降到40V左右，這時，陰極遭到離子的強烈轟擊後，溫度升高並產生陰極蒸發，在陰極附近極薄的範圍內產生很高的汽壓，形成極強的正空間電荷層，因而產生熱電子發射或強電場發射，放電管中將了現耀眼的弧光，這就是弧光放電。由於弧光放電的電子發射很有效，只要很小的發射面積就能產生很大的電流，因此，發射電子只是溫度最高、電場最強或逸出功最低的很小陰極部分，因而，弧光放電有一很小而極亮的輝點。輝點電流密度高達幾KA/cm2以上。

弧光放電時的電位分布和輝光放電時的電位分布很相似。兩者的差別在於：弧光放電時陰極位降區的寬度比輝光放電時小很多（一般只有幾個平均自由程），負輝區和法拉弟暗區已消失，陰極位降區直接向正柱區過渡。弧區的溫度很高，氣體分子的電離和激發很強，形成電荷密度較大的等離子區。陽極位降區的電位降比輝光放電時大。

根據陰極釋放電子的方式不同，弧光放電可分為熱電弧光、場致弧光和熱電子弧光三類。熱電弧光是由難熔金屬（如鎢）陰極，在離子的轟擊下達到很高的溫度後產生的熱電子發射引起的；場致弧光是利用蒸發溫度低的物質作陰極（如汞陰極），陰極受高速下離子的轟擊後引起大量陰極物質的蒸發，因而在陰極表面形成強電場，在強電場的作用下，使陰極表面產生場致發射，所以又叫冷電弧。熱電子弧光則是將陰極改用熱陰極（氧化物陰極），當陰極加熱時獲得大量的熱電子發射而產生弧光放電，這种放電稱為熱電子弧光。

弧光放電有三個特點：A.有很高的溫度。利用它可做為熱源來溶化金屬、焊接金屬；

B.有很強烈的弧光。利用它可製做成各種電光源用於照明、顯示、防空等；

C.大電流、小電壓，有負電特性。利用這一原理可製造電弧爐等設備。

5．高頻放電

高頻放電就是當兩個電極間有高頻交變電場存在時所引起的放電形式。

當放電管兩端加上交變電壓時，氣體中的電子和正離子便在交變電場作用下產生附加的諧振動。因正離子質量比電子大得多，諧振動振幅很小。當頻率較低，諧振動的振幅遠大於兩極間的距離時，電子在每個半周期中都經過崩潰、放電、熄滅的全過程，這時的放電情況和直流情況一樣。當頻率較高時，諧振動的振幅遠小於兩極間的距離時，由於電子不斷地來回運動，其電離能力將大大加強。因電子諧振動的振幅很小，進入電極的電子數量獎大大減少。這樣，保證氣體自持放電的電子將不再由電極產生的二次電子來提供，而是由電子來回運動時則電離產生的電子來提供。這時雖然也有少量正離子、光子轟擊電極產生二次電子，但由於兩個電極的極性不斷發生變化，二次電子的振動方向有時與進入電極的電子流方向相同，有時相反。因此它對保證自持條件並不有利。

這種高頻放電，只要有高頻電場便可形成，不一定需要電極，所以一般又稱無極放電。無極放電不僅能在交變的電場下形成，而且可以在交變磁場下形成。因交變磁場能產生渦旋電場，氣體中由於殘餘電離產生的電子在渦旋電場的作用下圍繞磁力線作加速運動，由此產生大量電離。當磁場方向沿放電管的軸線方向時，渦旋電場將沿半徑方向逐漸減弱，電子的電離能力也沿半徑方向減弱，因而形成了沿半徑方向的電子與離子的農度梯度。在濃度梯度的作用下，電子和離子從軸線向管壁擴散。由於電子擴散比離子快，擴散結果，在軸線處出現正電位，在管壁處出現負電位，這樣又產生了由軸線指向管壁的靜電場。因此，放電管中存在兩種電場，一種是圍繞磁力線的渦旋電場，一種是從軸線指向管壁的靜電場。電子在這兩個電場的同時作用下，一面圍繞軸線運動，一面向管壁擴展，結果形成一系列的同心光環。由於不同半徑上電子的能量不同，激發的能級和數量不同，因此半徑不同的光環，具有不同的顏色。

高頻放電時的差火電壓是放電發生時加在電極上的交變電位差的振幅。這個電壓的振幅比直流放電的著火電壓低。高頻擊穿電場強度與氣壓有關。氣壓愈高，擊穿電場強度也愈大，擊穿時的頻率也愈高。

高頻放電在雷達和脈衝技術方面有廣泛的應用。