深入探讨气体放电理论

气体放电理论最初是在低气压、短距离的条件下进行放电实验的基础上建立起来的。随着电气设备电压等级的提高、物理实验技术的进步，高电压、长间隙条件下气体放电实验研究逐渐发展起来。在这些实验基础上总结出气体放电理论，但还不够完善，正处于进一步研究之中。下面以比较均匀的电场放电发展过程为例，介绍气体放电基本理论。

1.汤逊气体放电理论

20世纪初，汤逊根据均匀电场低气压条件下的试验研究结果，提出了比较系统的放电理论，其实质如下：

实验装置原理图如图1-11a所示，当在平板电极间加上直流电压，逐渐升高电压时，间隙就有电流通过，均匀电气中气体的伏安特性如图1-11b所示。由于外界影响（光照射），间隙中总是存在少量的带电粒子（主要是电子），当间隙电压由零逐渐升高时，这些带电粒子就开始沿着电场方向运动，其运动速度随着电压的升高而加大（带电粒子能量加大），间隙中电流也就逐渐增大，如图1-11b的OA段所示；当电压进一步增大，由于外界因素产生的带电粒子数基本上没有变化，故电流趋于饱和，如图1-11b的AB段所示。当电压增至U_B时，由于极间电场已足够强，使电子在向阳极运动中积聚了足以引起碰撞游离的动能。碰撞游离后产生的新电子和原有电子一起又将从电场中获得动能，继续引起碰撞游离，这个过程将越来越剧烈，像雪崩似的发展，故称为“电子崩”。因此，电流增长很快，如图1-11b的BC段所示。此时间隙仍未击穿，逸出阴极表面的电子主要是依靠外界因素影响，当外界因素影响消失后，原始电子崩中的电子到达并进入阳极，间隙中没有继续引起碰撞游离的电子存在，所以放电就停止。这种需要外界能量支持的放电称为非自持放电。若再继续增大电压至U_C即C点时，放电达到自持，即取消外界游离因素的作用，间隙中的放电也能继续进行。放电之所以能自持下去，是由于正离子到达阴极表面的游离作用所致，即强烈的碰撞游离产生了很多正离子，而正、负离子的质量比电子大得多，受电场作用的运动速度慢，和电子相比，可视为静止不动。它们在向阴极移动的过程中，有不少积聚在阴极附近，形成阴极表面游离，假使有n₀个电子从阴极脱离出来，这些电子向阳极运动时，由于碰撞游离在间隙中出现的正离子回到阴极能使阴极至少释放出n₀个电子。从而抵偿了间隙中进入阳极的电子，新产生的n₀个电子将在电场作用下向阳极运动，产生碰撞游离，发展新的电子崩。这样不依靠外界能量支持的放电，称为自持放电。放电转入自持后，间隙中电流猛增，间隙击穿，如图1-11b中C点以后直线所示。

图1-11 气体间隙的伏安特性

a）实验装置原理图 b）均匀电气中气体的伏安特性

由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压。如果电场比较均匀，则起始放电电压就是间隙击穿电压。如果电场极不均匀，起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高得多。

根据上面的讨论，由自持放电的条件，可得出击穿电压的计算公式如下：

U_j＝f（pd）（1-8）

即当气体和电极材料一定时，间隙击穿电压是气体压力p与两电极间距离d乘积的函数。

这个规律在碰撞游离学说提出之前，就已从实验中总结出来，称为巴申定律。巴申定律可由碰撞游离学说加以阐明。图1-12所示为均匀电场中几种气体击穿电压和pd关系的实验曲线，从曲线中可见pd的变化，击穿电压有一极小值。这是因为当d一定时，压力增大，气体密度随之增大，电子在向阳极运行的过程中极易与气体分子相碰撞，平均每两次碰撞之间的自由行程缩短，每次碰撞时由于电子积聚的功能不足以使气体分子游离，因而使气体击穿电压升高；反之，气体压力减小，气体密度也随之减小，电子在运动过程中与气体分子碰撞的机会减小，只有增加电子的能量才能产生足够的碰撞游离而使气体击穿，因而击穿电压也会升高。若p一定时，增大极间距离，间隙电场强度减弱，击穿电压升高；反之，缩小极间距离，间隙中电子碰撞次数减小，击穿电压也将升高。因此，击穿电压具有极小值。

图1-12 均匀电场中几种气体击穿电压和pd关系的实验曲线(www.xing528.com)

汤逊放电理论是在低气压小间隙的条件下进行放电实验的基础上建立起来的，与大气中的放电现象有不符之处，它们之间的差异可概述如下：

1）放电时间。按汤逊理论，间隙击穿所需时间应该是原始电子崩发展到整个间隙的时间加上正离子返回到阴极的时间，而实测到的数值要比计算值小10～100倍以上。

2）放电外形。按汤逊理论，放电在整个间隙中是均匀连续发展的，但在大气压力下气体击穿时出现的却是有分枝的明亮细通道。

3）阴极材料的影响。按汤逊理论，阴极材料的性质对击穿过程起重要作用，而在大气中实测得到的击穿电压却与阴极材料基本无关。

2.气体击穿的流注理论

流注理论弥补了汤逊理论的不足，它是在电子崩理论的基础上发展的结果。流注理论认为电子的碰撞游离和空间游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷畸变电场的作用。下面就简要的介绍用流注理论来描述均匀电场中气隙的放电过程。

流注的形成与发展示意如图1-13所示，当外电场足够强时，一个由外界游离因素作用从阴极释放出来的初始电子，在奔向阳极的途中，不断地产生碰撞游离，发展成电子崩（称初始电子崩）。电子崩不断发展，崩内的电子及正离子数随电子崩发展的距离按指数规律增长。由于电子的运动速度远大于正离子的速度，故电子总是位于朝阳极方向的电子崩头部，而正离子可近似地看做滞留在原来产生它的位置上，并较缓慢地向阴极移动，相对于电子来说，可认为是静止的。由于电子的扩散作用，电子崩在其发展过程中，半径逐渐增大，电子崩中出现大量的空间电荷，电子崩头部集中着电子，其后直至电子崩尾部是正离子，其外形像一个头部为球状的圆锥体。

初始电子崩发展到阳极时，如图1-13a所示，初始电子崩中的电子迅速跑到阳极上中和电量。留下来的正离子（在电子崩头部其密度最大）作为正空间电荷使后面的电场受到畸变和加强，同时向周围放射出大量的光子。这些光子在附近的气体中导致光游离，在空间产生二次电子。它们在正空间电荷畸变和加强了电场的作用下，又形成新的电子崩，称为二次电子崩，如图1-13b所示。二次电子崩的电子跑向初始电子崩的正空间电荷区，与之汇合成为充满正、负带电质点的混合通道。这个游离通道称为流柱。流柱通道导电性能良好，其端部（这时流注的发展方向是从阳极到阴极，称为阳极流注，它与初始电子崩发展方向相反）又有二次电子崩留下的正电荷，因此大大加强了前方的电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而使流注向前发展，如图1-13c所示。到流注通道把两极接通时，如图1-13d所示，就将导致整个间隙的完全击穿。至于形成流注的条件，需要初始电子崩头部的电荷达到一定的数量，使电场得到足够的畸变和加强并造成足够的空间光游离。而一旦形成了流注，放电就可以转入自持，在均匀电场中即导致间隙的击穿。

图1-13 流注的形成与发展示意图

a）初始电子崩 b）二次电子崩 c）流注的发展 d）完全击穿

当如果外施电压比间隙的击穿电压高出许多，则初始电子崩不需要经过整个间隙，其头部即已积累到足够多的空间电荷，形成了流注，流注形成后，向阳极发展，称为阴极流注。

流注理论虽不能用来精确计算气体间间隙的击穿电压，但它可以解释汤逊理论不能说明的大气中的放电现象。在大气中，放电发展之所以迅速的原因在于多个不同位置的电子崩同时发展和汇合，这些二次崩的起始电子是由光子形成的，光子的运动速度比电子快得多，且它又处在加强的电场中前进，其速度比初始电子崩快，故流注的发展速度极快，使大气中的放电时间特别短。另外，流注通道中的电荷密度很大，电导很大，故其中的电场强度很小，因此，流注出现后，将减弱其周围空间内电场，便加强了流注前方的电场，并且这一作用将伴随着其向前发展而更为增强。故电子崩形成流注后，当由于偶然原因使某一流注发展较快时，将抑制其他流注的形成和发展，这种作用随流注向前推进越来越强，使流注头部始终保持着很小的半径，因此整个放电通道是狭窄的，而且二次崩可以从流注四周不同的方位同时向流注头部汇合，故流注的头部推进可能有曲折和分支，再则根据流注理论，大气条件下，放电的发展不是靠正离子撞击阴极使阴极产生二次电子来维持，而是靠空间光游离产生光电子来维持，故大气中气隙的击穿电压与阴极材料基本无关。