氣體放電的性質(zhì)

氣體放電的性質(zhì)

氣體泄漏的任何特征與放電的能耗、力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)密切相關(guān)。有了變化，放電條件變化很大。在研究放電現(xiàn)象時(shí)，人們經(jīng)常將放電分為兩類(lèi)：一類(lèi)是獨(dú)立放電，另一類(lèi)是自氧化物放電。第一類(lèi),非持放電;它只能是存在外致電離源的條件下放電才能維持的現(xiàn)象.第二類(lèi),自持放電;它是在去掉外致電離源的條件下放電仍然能夠維持的現(xiàn)象.湯生放電區(qū)域的伏-安特性曲線如圖1所示可分為T(mén)0,T1和T2三部分.在T0區(qū)域,作用在電極間的電壓很低,氣體中流過(guò)的電流也很小,如圖所示從0開(kāi)始上升,然后趨于飽和,這是剩余電離(由于宇宙射線和地殼中放射性元素的輻射作用,任何時(shí)刻,任何地點(diǎn)的任何氣體中均具有一定量的電子和離子,這種現(xiàn)象叫剩余電離)下的帶電粒子在電場(chǎng)作用下作定向遷移的結(jié)果.在沒(méi)有外場(chǎng)的情況下,這些帶電粒子和氣體分子一樣在空間作雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng).當(dāng)放電管兩端加上較低的電壓時(shí),電子和離子在場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng),于是電流從0開(kāi)始逐漸增加;當(dāng)極間電壓足夠大時(shí).所有的帶電離子都可到達(dá)電極,這時(shí)電流達(dá)到某一最大值.剩余電離產(chǎn)生的帶電粒子密度一般很小,所以T0區(qū)域中飽和電流值仍很小(約10-12量級(jí)).在T1區(qū)域里:從陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)作用下獲得足夠的能量,它們與氣體分子碰撞產(chǎn)生并產(chǎn)生電離,導(dǎo)致帶電粒子的增加,放電電流隨之上升.在T2區(qū)域里:電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生的正離子,從較高電場(chǎng)中獲得的能量已足以在與氣體分子碰撞時(shí)使之電離,從而使放電電流進(jìn)一步增大.湯生放電中,T1和T2區(qū)域中的電流都是從陰極發(fā)射出的最原始的電子引起的,這些電子是某種光電效應(yīng)產(chǎn)生的,如果這種光電效應(yīng)突然消失,那么湯生放電T1和T2區(qū)域中的電流會(huì)立刻中斷,所以這種放電屬于非自持放電.當(dāng)作用在電極間的電壓大于某一臨界值Vs時(shí),放電管的電流會(huì)突然迅速上升.這時(shí)即使移去外界電離源,放電同樣可以正常維持,氣體中出現(xiàn)了的自持放電.這時(shí)稱(chēng)氣體產(chǎn)生了擊穿或著火,其臨界電壓值Vs稱(chēng)為擊穿電壓或著火電壓.根據(jù)上述的放電基本過(guò)程,湯生在其放電理論中引入三個(gè)系數(shù)α,β和γ來(lái)描述由電子和正離子產(chǎn)生氣體電離的機(jī)理.這三個(gè)系數(shù)通常叫做湯生第一電離系數(shù)α、湯生第二電離系數(shù)β和湯生第三電離系數(shù)γ.湯生第一電離系數(shù)α表示一個(gè)電子從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)單位路程與中性氣體粒子作非彈性碰撞所產(chǎn)生的電子-離子對(duì)數(shù)目,或所發(fā)生的電離碰撞數(shù).這種電離過(guò)程也稱(chēng)為α過(guò)程.湯生第二電離系數(shù)β表示一個(gè)正離子從陽(yáng)極到陰極經(jīng)過(guò)單位路程與中性氣體粒子作非彈性碰撞所產(chǎn)生的電子-離子對(duì)數(shù)目,即由離子所產(chǎn)生的電離碰撞數(shù),這是湯生早期為解釋圖1中T2區(qū)域內(nèi)電流的增長(zhǎng)而提出的,這種電離過(guò)程稱(chēng)β過(guò)程.湯生第三電離系數(shù)γ表示一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)平均從陰極表面逸出的電子數(shù)目(二次電子發(fā)射),這種電離過(guò)程稱(chēng)γ過(guò)程.α和β與放電氣體的性質(zhì)、氣體壓強(qiáng)和給定放電點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度等有關(guān),而γ與氣體性質(zhì)、電極材料和離子能量等有關(guān).為討論α,β和γ過(guò)程對(duì)湯生放電產(chǎn)生的影響和規(guī)律,可從圖2所示平面陰極和陽(yáng)極之間某放電空間薄層內(nèi)放電情況來(lái)研究.在穩(wěn)定情況下,ne(ne為放電空間里電子的密度)和ni(ni為放電空間里電子的密度)可由下式?jīng)Q定其中ve為電子速度,vi為正離子速度.通過(guò)單位面積的總電流為若用i0表示因外界電離源的作用而產(chǎn)生的電子流,經(jīng)推導(dǎo)可得出下面穩(wěn)定情況下湯生放電電流的表達(dá)式一般形式湯生在早期認(rèn)為圖1中T2區(qū)域里放電電流的增長(zhǎng)是由于正離子引起的碰撞電離,并定義了第二電離系數(shù)β.實(shí)際上,在通常的放電中,β≈0,因?yàn)檎x子只有當(dāng)它獲得相當(dāng)于幾千電子伏能量時(shí),它才能有效地電離原子.而正離子在足夠長(zhǎng)的自由過(guò)程中獲得電離碰撞所必需能量的幾率是很小的,所以,一般可以不考慮β過(guò)程.但是γ過(guò)程對(duì)放電電流的貢獻(xiàn)卻十分重要,實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)氣體的擊穿電壓值與陰極材料的性質(zhì)密切相關(guān),因?yàn)椴煌帢O材料對(duì)電子從內(nèi)部逸出所需要的能量要求明顯不同.當(dāng)忽略β過(guò)程的作用時(shí),式(4)就改寫(xiě)為:式(5)中,當(dāng)α=0,γ=0時(shí)i=i0即是T0區(qū)域飽和電流的情況;α≠0,γ=0時(shí)i=i0eαd,電流指數(shù)形式即表達(dá)了T1區(qū)的情況,因此(5)式能很好的解釋圖1中電流和電壓的關(guān)系.除了由正離子轟擊陰極引起發(fā)射電子的γ過(guò)程外,還有其它的γ過(guò)程在起著積極的作用而引起電子的發(fā)射.一個(gè)重要的過(guò)程是到達(dá)陰極的光子引起的電子從陰極逸出的現(xiàn)象,而這些光子是由電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中作激發(fā)碰撞產(chǎn)生的受激原子發(fā)出的.在這種情況下,此時(shí)γ的含義已不同于湯生的定義,因此我們稱(chēng)它為廣義的γ系數(shù);式中μ是與輻射相應(yīng)的吸收系數(shù).顯然(6)式與(5)式相似,在低氣壓(如P<104Pa)條件下,氣體粒子對(duì)光子的吸收作用很弱,μ比α小的多,則(6)式和(5)式在形式上就完全一致了.α,β和γ都是電場(chǎng)強(qiáng)度E的函數(shù),隨著電場(chǎng)的增強(qiáng),放電電流也增大,當(dāng)極間電壓達(dá)到VS時(shí),放電從非自持放電向自持放電過(guò)渡,放電電流大增.此時(shí)如切斷i0,放電電流仍不為零,由式(4)可得到自持放電穩(wěn)定的條件.在忽略β過(guò)程的情況下,上式變?yōu)樵谝话闱闆r下,當(dāng)β與α相比,μ與α相比,γ與1相比,以及1與相比,前面量均可以忽略不計(jì),故氣體放電的擊穿電壓實(shí)驗(yàn)證明了湯生放電理論的正確性.在低氣壓放電中,氣體的擊穿可以用湯生放電理論去描