流注放电的光电离理论-大气压非平衡等离子体射流(1)

1900年，J.S.Townsend[1]针对低气压下的放电，提出了气体放电汤逊理论。该理论假定一个初始自由电子在电场的作用下往阳极漂移。如果该电场足够强，它在电场中获得足够能量以至于在与分子碰撞时能够引起分子的电离，此时两个自由电子往阳极运动同时继续从电场中获得能量，当它们获得足够多的能量后再次引起电离，产生4个自由电子。然后这些电子继续同样的过程，形成电子崩。假定单位长度上的电离数为α，那么第一个电子运动距离x后到达阳极的总的电子数为exp（αx）。与此同时，雪崩过程产生的正离子数为exp（αx）-1。当一个正离子达到阴极与阴极碰撞可能会产生一个自由电子，假定其概率为γ，那么汤逊自持放电的条件是γ[exp（αx）-1]＞1。该理论在均匀场强、气压p较低、间距d较小时与实验结果可以很好地吻合。

但在后来的研究中发现，pd＞200Torr·cm时汤逊理论不再适用。研究发现此时：放电击穿时间远小于汤逊理论所预测的时间；在许多情况下击穿电压和阴极材料无关；大气压下的放电通常为丝状，呈现之字形和分叉，等等，而这些现象是汤逊放电理论无法解释的。

因此，十九世纪三四十年代，H.Raether[2]和J.M.Meek[3]提出了流注放电理论，该理论的主要内容包括以下几个方面：初始电子来源于宇宙射线或其他电离源；正流注推进过程中，流注头部的光电离是二次电子崩的主要电子来源；电子碰撞电离是主要的电离机制；空间电荷引起的局部电场与外加电场具有可比性，从而引起电场畸变。该理论中光电离机制的提出可以解释许多高气压放电下汤逊理论不能解释的现象，例如上面提到的放电时间短、阴极材料影响小等。(www.xing528.com)

针对气体放电中光电离的具体机制，近80年来，众多研究者从理论和实验方面入手进行了大量的研究。

理论方面，1953年，J.Dutton[4]提出了关于空气放电光电离机制的假设，认为激发态氮分子是可电离辐射的光子来源，它电离氧分子/原子，并且认为这一过程所需的光子能量在15eV（对应约80nm）左右。1982年，M.B.Zheleznyak等[5]总结已有的理论和实验结果，提出了较为完整的空气放电光电离假设，并且沿用至今。该假设认为，在空气等N2/O2混合气体放电中，辐射来源主要是氮分子三种激发态b1Πu、和在98～102.5nm范围内的辐射，上限102.5nm考虑到氧分子的电离能对应的波长，下限考虑氮分子的吸收。但是对于大气压空气放电来说上述理论一直停留在假设阶段。这主要是由于该波段的光在大气压空气中会被快速吸收，且现在所有的透光材料的透光波长下限是105nm，因此很难对该波段的发射光谱进行测量，目前已有的实验只能采用间接测量的方法对光电离假设进行说明[6-9]。