2.14　氣體中的放電現象

2.14.1　氣體的電離

電子與氣體分子或原子碰撞時，如果電子能量很低，則不能引起分子或原子狀態的變化，只是彈性碰撞。當電子能量足夠高時，則碰撞會以某一概率引起氣體分子或原子的激發或電離，這就是非彈性碰撞。

所謂激發，是原子或分子的一個外部價電子躍遷到較高的能級去的現象。激發，還可能改變了分子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現象。原子電離后形成原子離子。分子電離后除了形成分子離子外，也有將分子離解而形成原子離子的。結構復雜的分子在遭受電子碰撞后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。表2-32列出了一些氣體（蒸氣）的電離電位。

電子與氣體分子碰撞，并不是每次碰撞都能引起電離。引起電離的碰撞數與總碰撞數之比，就稱為電離概率。電離概率與電子能量有關，通常先隨電子能量增高而增大，達到最大值后逐漸下降。一些氣體電離概率的實驗曲線見圖2-19與圖2-20。

在真空技術中，利用氣體電離原理制成電離規、冷規、B-A規用于真空測量中。

2.14.2　氣體放電

所謂氣體放電，即當氣體原子或分子受到外界某種能量作用而形成荷能粒子（電子、正離子、負離子）。氣體變成導體，當有電場存在時，帶電粒子便產生定向運動。

（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。氣體導電是由于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在恒定溫度下，氣體的電導率由電子密度n及平均自由程決定。它是隨外界條件、電場強度E、氣體的壓力p等變化而變化的變量。

③電子從電場中獲得的能量，主要可以轉化為分子熱運動的能量；

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極。

（2） 氣體放電的伏-安特性

放電管內平板電極之間氣體放電的伏-安特性曲線，見圖2-21。

特性曲線：OA段是空間的自然帶電粒子在電場作用下向電極移動時形成的電流；AB段是原始帶電粒子全部到達電極時電流出現飽和的情況；BD段是繼續增加電壓，原始帶電粒子的速度不斷增大，這些粒子和中性分子碰撞，使之電離而產生繁衍過程亦即繁流（雪崩）放電；D點處管內電流突增，電壓隨即降低，管內出現可見光輝，D點稱崩潰或著火點；在EF段，不論增加電壓或減小電阻而使電流增加時，管壓保持恒定，這是正常輝光放電；在FG段，電流增大時管壓隨之增加，這是異常輝光放電；GH段是放電電流增加到一定值后，電流繼續增加，管壓又一次迅速降低，且電流增加很大，這就是弧光放電，在弧光放電中具有負電阻效應。從放電的自持情況來看，OC段屬非自持放電；CD段雖然開始滿足了自持放電條件，但還是不穩定的自持放電；DE段為過渡區；從E點開始，以后都是穩定的自持放電。

（3） 著火電壓和帕邢定律

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。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。

發生崩潰的條件是

（2-105）

或

（2-106）

式中　α——電離系數，即1個電子在電場方向經過1cm的路程中發生的電離碰撞數；

        Vs——著火電壓；

        E——電場強度；

        d——兩極間距離；

        γ——二次發射系數。

著火電壓相當于放電伏-安曲線上D點的電壓，數值上決定于氣體的壓力p、極間距離d，即

（2-107）

這就是帕邢定律，即著火電壓是氣體壓力p與極間距離d的乘積的函數。不論p與d本身的數值大小如何，只要pd的乘積不變，Vs也不會改變。部分氣體的帕邢曲線如圖2-22所示。

由帕邢曲線可知，著火電壓先隨pd值的增加而降低，當達到一個最小值后又隨pd值的增加而增加。各種不同電極材料在各種氣體情況下最低的著火電壓與相關的pd值見表2-33。

2.14.3　輝光放電

輝光放電是在滿足著火條件后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，而大多數的光層分布在緊靠陰極的位置。圖2-23示出了輝光放電的形貌及各種參量的分布情況。

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、Ⅱ、Ⅲ總稱陰極位降區，是輝光放電的特征區域；

區域Ⅳ——負輝區，光度最強，有較強的負空間電荷；

區域Ⅴ——法拉第暗區，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于外線路電流大小、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-安曲線做成各種輝光電真空器件；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他陰極濺射設備；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）。

2.14.4　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后，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后，溫度升高并產生陰極蒸發，在陰極附近窄的范圍內產生很高的氣壓，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，放電管中將出現耀眼的弧光，這就是弧光放電。由于弧光放電的電子發射率很高，很小的發射面積就能產生很大的電流。發射電子只是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。輝點電流密度高達數千安每平方厘米以上。某些陰極弧光放電時輝點電流密度見表2-34。表中“真空”實際上是在該陰極材料的蒸氣中。

弧光放電時的電位分布見圖2-24。它和輝光放電時的電位分布很相似。兩者的差別在于：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），負輝區和法拉第暗區已消失，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。

dk—陰極位降區寬度；Vk—陰極位降；Va—陽極位降；V弧—弧區位降

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，達到很高的溫度后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），陰極受高速正離子的轟擊后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，這種放電稱為熱電子弧光。

弧光放電有三個主要特點：

①有很高的溫度，利用它可作為熱源來熔化金屬、焊接金屬。

②有很強烈的弧光，利用它可制作成各種電光源用于照明、顯示、防空等。

③大電流、低電壓，有負電特性，利用這一原理可制造電弧爐等設備。

2.14.5　火花放電

在大氣壓下，由非自持放電向自持放電過渡時，如果電源功率不足以產生和維持穩定的弧光放電時，那么，依不同的放電間隔形狀，就會產生火花放電或電暈放電。而在頻率較高的交變電磁場作用下，將產生高頻放電。如果氣體在電場和磁場聯合作用下，電子在一特定空間作一定軌跡的運動，形成潘寧放電。

火花放電是一束明亮曲折而又分叉的細絲，它們很快地穿過放電間隙，又很快地熄滅，并且總是一個接一個地交替著。發亮的細絲常常在放電間隔中間任意地點中斷而達不到對面的電極。放電的路徑有時從負電極開始發展，有時從正電極開始發展，有時從放電間隔中間某一點開始發展。

火花放電是在很大的氣壓下發生，因此，著火電壓很高。當放電間隔被擊穿后，放電間隔內只有很小的電壓。如果電源沒有足夠的功率，短時間的強大電流脈沖，在火花路徑里通過后放電馬上終止，電極間的電壓又上升到原來的值，此時又重新發生火花放電。火花放電是一種短時間的快速放電，從施加電壓到電火花形成可以不超過10-7s。電壓升高的時間隨火花間隙電極間的電容的增加而加長。

火花放電在工業生產中應用，如：

①火花放電是在一定的高壓下出現的，因此，火花的出現便可作為兩極間的電壓達到某一高壓的標志，在高壓試驗中便可用來測高壓；

②當電極間的距離一定，供給的電功率一定時，兩次火花放電之間的時間間隔是一定的，因此，可利用它來記錄時間；

③當外界帶電粒子在放電氣體中出現時，火花放電會得到加強。利用這一特點可制造測定放射性強度的計數儀等；

④利用火花放電原理制成玻璃真空系統檢漏儀器——火花檢漏儀。

2.14.6　電暈放電

在高的氣壓下，由于一個或兩個電極表面曲率半徑很小，以致放電間隔的電場非常不均勻時就會發生電暈放電。電暈放電發生在靠近曲率半徑小的電極的很薄的一層里，該層稱為電暈層。電暈放電的電流強度決定于加在電極間的電壓、電極形狀和極間距離、氣體種類和密度，不需要外界的電離源來維持放電，所以，電暈放電是一種自持放電。但是，電暈放電的電流不取決于外電路的電阻，而取決于放電外圍區域的電導。電暈有正負電暈之分，在陰極附近形成的電暈稱為負電暈，在陽極附近形成的電暈稱為正電暈。負電暈中的放電過程和輝光放電中陰極位降區的放電過程相似，自持條件是由陰極發射出的二次電子來保證的。正電暈是由繁衍過程所引起的自持放電，而自持條件是由電暈層中激發所產生的光子轟擊電暈外圍原子的光電離來保證的。

電暈放電在工業生產中的應用也不少，如靜電除塵器、電暈放電計數管、電暈放電高壓穩壓管等。

2.14.7　潘寧放電

潘寧放電裝置如圖2-25所示。由陽極筒A和兩片陰極K組成。由宇宙射線或場致發射所產生的初始電子，在電場及磁場的作用下，在兩片陰極板之間作螺旋運動，不斷和氣體分子碰撞，使之電離，這就是潘寧放電的基本原理。電子與氣體分子多次碰撞后，被陽極所吸收。電離產生的離子，由于質量大，其運動不受電磁場的影響，以直線運動方式，打到陰極上，使陰極發射出二次電子，并參與電離氣體過程，如此不斷發展后，建立起穩定的自持放電。一個電子，由于電磁場對其運動的限制，它在空間運動時間很長，即使真空度較高，亦能滿足自持放電條件。

潘寧放電的主要優點是：

①這種放電過程完全不需熱陰極，因而在真空系統中不怕因突然暴露大氣而氧化甚至燒毀；

②沒有高溫鎢絲產生的化學清除效應，因而不會影響真空儀器準確讀數；

③無需控制電子發射；

④放電線路和裝置簡單。

在真空技術中，利用潘寧放電原理制成了冷陰極規以及濺射離子泵。