程式驗證

[拼音]:qiti fangdian

[英文]:gas discharge

乾燥氣體通常是良好的絕緣體,但當氣體中存在自由帶電粒子時,它就變為電的導體。這時如在氣體中安置兩個電極並加上電壓,就有電流通過氣體,這個現象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同,氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。20世紀70年代以來鐳射導引放電、電子束維持放電等新的放電形式,也日益受到人們的重視。

氣體放電的基本物理過程

氣體放電總的過程由一些基本過程構成,這些基本過程是:激發、電離、消電離、遷移、擴散等。基本過程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。

激發

荷能電子碰撞氣體分子時,有時能導致原子外殼層電子由原來能級躍遷到較高能級。這個現象,稱為激發;被激發的原子,稱為受激原子。要激發一個原子,使其從能級為E1的狀態躍遷到能級為Em的狀態,就必須給予(Em-E1)的能量;這個能量所相應的電位差設為eVe,則有eVe=Em-E1

電位Ve稱為激發電位。實際上,即使電子能量等於或高於激發能量,碰撞未必都能引起激發,而是僅有一部分能引起激發。引起激發的碰撞數與碰撞總數之比,稱為碰撞機率。

受激發後的原子停留在激發狀態的時間很短暫(約為10-6秒),便從能量為Em的狀態回覆到能量為E1的正常狀態,並輻射出能量為hv(h為普朗克常數;v為輻射頻率)的光量子。氣體放電時伴隨有發光現象,主要就是由於這個原因。

在某些情況下,受激原子不能以輻射光量子的形式自發回到正常狀態,這時便稱為處於亞穩狀態,處於亞穩狀態的原子稱為亞穩原子。亞穩原子可以藉助兩種過程回覆到正常狀態:一是由電子再次碰撞或吸收相應的光量子,升到更高的能級,然後從這個能級輻射出光量子而回到常態。另一是通過與電子碰撞將能量轉化為電子的動能,它本身回到常態。亞穩原子的壽命約為10-4~10-2秒;由於它壽命較長,在放電中常常起重要的作用。

當受激原子尚未回到基態時,如受到電子的再次碰撞就可能轉入更高的激發態。這種由多次碰撞往高能級激發的現象稱為累積(逐次)激發。

電離

電子與原子碰撞時,若電子能量足夠高,還會導致原子外殼層電子的脫落,使原子成為帶正電荷的離子。與激發的情況類似,電子的動能必須達到或大於某一數值eVi,碰撞才能導致電離。Vi稱為電離電位,其大小視氣體種類而定。同樣,即使能量高於電離能,碰撞也僅有一部分能引起電離。引起電離的碰撞次數與總碰撞次數之比,稱為電離機率。如果受激原子由於電子再次碰撞而電離、則稱為累積(逐次)電離。

在氣體放電中還有一類重要的電離過程,即亞穩原子碰撞中性分貯a href='http://www.baiven.com/baike/224/264088.html' target='_blank' >郵購笳叩繢氳墓獺U庵止討揮性諮俏仍擁難俏鵲縹桓哂諡行苑腫擁牡繢氳縹唬ㄈ縋實難俏仍優鱟搽蒼櫻┦輩趴贍艹魷幀U飧齬壇莆四вΑⅫ/p>

消電離

如果將一切電離因素都去掉,則已電離的氣體,會逐漸恢復為中性氣體,這稱為消電離。消電離的方式有三種:

(1)電子先與中性原子結合成為負離子,然後負離子與正離子碰撞,複合成為兩個中性原子。

(2)電子和正離子分別向器壁擴散並附於其上,複合後變為中性原子離去。

(3)電子與正離子直接複合。

遷移

在電場作用下,帶電粒子在氣體中運動時,一方面沿電力線方向運動,不斷獲得能量;一方面與氣體分子碰撞,作無規則的熱運動,不斷損失能量。經若干次加速碰撞後,它們便達到等速運動狀態,這時其平均速度u與電場強度E成正比u=KE

係數K稱為電子(離子)遷移率。對於離子,K是一個常數;對於電子,它並不是一個常數,而與電場強度E有關。

擴散

當帶電粒子在氣體中的分佈不均勻時,就出現沿濃度遞減方向的運動,這稱為擴散。帶電粒子的擴散類似於氣體的擴散,也有自擴散和互擴散兩種。擴散現象用擴散係數來描述,它是帶電粒子擴散能力的一種量度。

多種帶電粒子同時存在於氣體時,擴散現象變得複雜。其中特別重要的一種情況是電子、正離子濃度相等(即等離子體)的情況,這時出現所謂雙極性擴散。這是兩種異號帶電粒子相互牽制的擴散,其基本特徵是:電子由於質量小、擴散得較快;離子由於質量大,擴散得較慢。結果電子走在前方,於是兩種電荷間出現一個電場(約束電場),這電場牽引正離子使它跟上去。兩種帶電粒子的擴散速率始終一致,但電子總是在前方,離子則在其後。

在管壁附近,雙極性擴散受到管壁的影響。此時,電子運動速度快,先附於管壁,使管壁帶負電位。負電位阻止後來電子的抵達,但吸引正離子,在其附近形成正電荷鞘層。在鞘層中,電子的濃度隨著接近管壁而遞減,最終自動調整到每秒飛上管壁的電子數恰好等於飛上的正離子數。

氣體放電的重要形式

最早研究的氣體放電形式是低氣壓(1~100帕)直流放電,即在氣體中置入兩個電極,通以直流電壓而得到的放電。為使電流不致過大,迴路中串聯一個電阻(即限流電阻)。若將電源電壓逐漸提高,通過氣體的電流就隨之增大(圖1,縱座標為跨於兩電極上的電壓)。當極間電壓提高到us時,電流突然急劇增加,放電變為明亮的形式,這稱為著火,也稱為擊穿。著火之後,放電轉入自持放電,在開始一段(SB段)為正常輝光放電,極間電壓比著火前為低,且其數值不隨電流增大而變化,呈現恆電壓特性。當電流增大到某一數值(B點)時,極間電壓又隨電流而增大,這一段(BE段)屬異常輝光放電。電流增大到E點時就轉入電弧放電,此時極間電壓將隨電流增大而下降,呈現出負阻特性(ECDF段)。

氣體放電的著火是一種突變現象。 閘流管、計數管、氣體放電開關管等器件便利用這種突變特性。利用正常輝光放電的恆電壓特性即可製成氣體放電穩壓管。

暗放電

暗放電主要是非自持放電(但自持放電的某些區域中有暗放電存在)。關於暗放電的理論是英國物理學家J.S.湯生於1903年提出的,故這種放電也稱為湯生放電。

湯生理論的物理描述是:設外界催離素在陰極表面輻照出一個電子,這個電子向陽極方向飛行,並與分子頻繁碰撞,其中一些碰撞可能導致分子的電離,得到一個正離子和一個電子。新電子和原有電子一起,在電場加速下繼續前進,又能引起分子的電離,電子數目便雪崩式地增長。這稱為電子繁流(圖2)。

湯生根據上述物理描述,推匯出抵達陽極的電子數目nu為

式中n0為陰極發射的電子數;d為陰極陽極間距離;α為湯生第一電離係數。

上式表明,電子數目隨距離d指數增長。在一些光電器件中,特意充入一些惰性氣體,使光電陰極發射的電子在氣體中進行繁流,以得到光電流的放大,提高器件的靈敏度。

放電中產生的正離子最後都抵達陰極。正離子轟擊陰極表面時,使陰極產生電子發射;這種離子轟擊產生的次級電子發射,稱為r過程。r過程使放電出現新的特點,這就是:r過程產生的次級電子也能參加繁流。如果同一時間內,由於r過程產生的電子數,恰好等於飛抵陽極的電子數,放電就能自行維持而不依賴於外界電離源,這時就轉化為自持放電。

氣體的著火電壓取決於一系列因素。1889年,L.C.帕邢發現,對於平行平板電極系統,在其他條件相同時,著火電壓是氣體壓力p與電極距離d乘積的函式,通稱為巴邢定律。圖3表示一些氣體的著火電壓與pd值的關係。由圖可見,著火電壓有一最低值。在最低值右邊(右支),著火電壓隨pd的增大而提高,在其左邊(左支),則隨pd的減小而提高。在高電壓裝置中,各電極間的距離須足夠大(即d值應足夠大),有時還充以高壓強(即取大的p值)的絕緣氣體,以提高裝置的耐壓,就是利用右支的特性。反之,在真空電容器一類器件中,常將其內部抽至良好的真空(即達到小的p值),以提高其耐壓,這是利用左支的特性。

輝光放電

低壓氣體在著火之後一般都產生輝光放電。若電極是安裝在玻璃管內,在氣體壓力約為 100帕且所加電壓適中時,放電就呈現出明暗相間的 8個區域(圖4)。圖中下方的曲線表示光強的分佈,按從陰極到陽極的順序分為7個區。

(1)阿斯頓暗區:它是陰極前面的很薄的一層暗區,是F.W.阿斯頓於1968年在實驗中發現的。在本區中,電子剛剛離開陰極,飛行距離尚短,從電場得到的能量不足以激發氣體原子,因此沒有發光。

(2)陰極輝區:緊接於阿斯頓暗區,由於電子通過阿斯頓暗區後已具有足以激發原子的能量,在本區造成激發而形成的區域,當激發態原子恢復為基態時就發光。

(3)陰極暗區:又稱克魯克斯暗區。抵達本區域的電子,能量較高,有利於電離而不利於激發,因此發光微弱。

(4)負輝區;緊鄰陰極暗區,且與陰極暗區有明顯的分界。在分界線上發光最強,後逐漸變弱,並轉入暗區,即後述的法拉第暗區。負輝區中的電子能量較為分散,既富於低能量的電子也富於高能量的電子。

(5)法拉第暗區:負輝區到正柱區的過渡區域。在本區中,電子能量很低,不發生激發或電離,因此是暗區。

(6)正輝柱區:與法拉第暗區有明顯的邊界,是電子在法拉第暗區中受到加速,具備了激發和電離的能力後在本區中激發電離原子形成的,因發光明亮故又稱正輝柱。正輝柱區中電子、離子濃度很高(約1015~1016個/米3),且兩者的濃度相等,因此稱為等離子體。正柱區具有良好的導電效能;但它對放電的自持來說,不是必要的區域。在短的放電管中,正柱區甚至消失;在長的放電管中,它幾乎可以充滿整個管子。正柱區中軸向電場強度很小,因此遷移運動很弱,擴散運動(即亂向運動)佔優勢。

(7)陽極輝區和陽極暗區:只有在陽極支取的電流大於等離子區能正常提供的電流時才出現。它們在放電中不是典型的區域。

輝光放電各區域中最早被利用的是正柱區。正柱區的發光和長度可無限延伸的性質被利用於製作霓虹燈。作為指示用的氖管、數字顯示管,以及一些保護用的放電管,也是利用輝光放電。在氣體鐳射器中,毛細管放電的正柱區是獲得鐳射的基本條件。近代微電子技術中的等離子體塗覆、等離子體刻蝕,也是利用輝光放電過程。從正柱區的研究發展起來的等離子體物理,對核聚變、等離子體推進、電磁流體發電等尖端科學技術有重要意義。輝光放電中的負輝區,由於電子能量分佈比正柱區的為寬,近年來被成功地用於製作白光鐳射器。

異常輝光放電

輝光放電中,如果整個陰極已佈滿輝光,再增大支取的電流,則出現異常輝光放電(圖1中 BE段)。此時陰極位降很大,且位降區的寬度減小。陰極位降大和電流密度大,會導致陰極材料的濺射。在放電器件中,濺射的吸氣作用降低器件內氣體壓強並改變其氣體成分,而濺射形成的導電膜則降低電極間絕緣。陰極濺射現象也可用作材料塗覆的一種手段,這就是濺射鍍膜。

電弧放電

如將輝光放電的限流電阻減小,則放電電流增大,並轉入電弧放電(圖1中CDF段)。電弧放電的特點是電流密度大而極間電壓低,其自持依賴於新的電子發射機制,即熱發射和冷發射。熱發射是因正離子轟擊陰極出現區域性高溫而產生的;冷發射則是因陰極表面存在區域性強電場而引起的。前者稱為熱電子電弧,後者稱為冷陰極電弧。作為強光源的碳極電弧就是熱電子電弧;電力工業用的汞弧整流管則利用冷陰極電弧。

電弧放電的一個重要特點是陰極上有陰極輝點。熱電子電弧的輝點一般是固定不動的;冷陰極電弧如汞弧整流管液汞表面上的輝點是跳躍移動的。陰極輝點是電子發射的來源,其電流密度高達數百至數千安/釐米2。

電弧放電的伏安特性隨電極材料、氣體種類、壓力而異。大氣中的碳極電弧呈現出典型的負阻特性,因此外電路中必須串有限流電阻,以穩定電流。

電弧放電產生強烈的輻射,其強度隨氣體壓力和電流密度而增大。放電區中溫度最高點在一個大氣壓下約為4200K,在10個大氣壓下為6520K,在幾十或幾百大氣壓下達10000K。

碳極電弧是最早的強光光源。各種高氣壓放電燈如高氣壓汞燈、氙燈、鈉燈,是在管泡內進行電弧放電的光源。電弧焊接、電弧切割在工業上有廣泛應用;電弧的高溫可作為電爐的熱源。

電暈放電

在氣壓較高而極間距離大時,不易得到自持放電。但是,如果一個或兩個電極很尖(即曲率半徑很小),形成很強的區域性電場,則能導致氣體的強烈激發和電離,並出現發光的薄層,稱電暈層;電暈層外的區域,電場不足以激發和電離,呈黑暗狀,稱電暈外區。這種放電稱電暈放電,是一種不完全擊穿的自持放電。負離子發生器就是電暈放電的一種應用。

火花放電

這是在電源電壓較高,足以擊穿氣體,但電源功率不夠大,不能維持持續放電時產生的一種放電。它仍然是一種自持放電,但瞬即熄滅,待電源電壓恢復後,又重新放電。放電時電極間有絲狀火花跳過電極空間,其路程則是隨機的。自然界中的雷電,是一種大範圍的火花放電,但在火花放電之前大多先出現電暈放電。

火花放電的過程比湯生放電還要迅速。關於這種放電的理論,較為成功的是條帶理論。這種理論認為:在強電場作用下,由外界催離素所產生的某一個電子,向陽極運動時將引起強烈的電離及激發,並形成電子繁流。這種單個電子形成的繁流稱為負條帶。形成負條帶的同時,出現強烈的短波輻射,在空間引起光電離;光電離產生的光電子,又能發展成一些較小的負條帶。當條帶較多時,便匯成一個強大的負條帶,迅速向陽極飛去。詳細的分析表明,還存在從陽極飛往陰極的條帶,即正條帶。正負條帶造成兩電極間的導電通路,使強大的電流脈衝得以通過氣體,這就是火花放電的著火。

火花放電使電極材料受到嚴重的燒蝕,利用這一現象製成的電火花加工裝置,能對金屬進行切割、拋光等加工。火花放電時,不僅擊穿氣體,還能擊穿其通路上的薄片絕緣材料,電火花打孔的加工技術就是利用這一現象的。依據火花放電現象製成的觸發管和火花放電器,常用於脈衝調製電路中。

高頻放電與微波放電

通常,如果放電管電極的電極性改變,放電的方向也改變。但這僅是在頻率很低的情況下才如此。如50赫市電點燃熒光燈時就是這樣。但當頻率提高時,放電來不及熄滅,因而呈現為穩定放電的形式:正輝柱位於兩電極中間,正輝柱兩邊均有法拉第暗區,然後是兩個負輝區緊鄰兩個電極。這就是高頻放電。高頻放電中,帶電粒子來回運動,損失的速度很慢,因此無需r過程也能維持放電,故可將電極移至管殼之外,僅藉助電場就可在管內引起放電。若將通有高頻電流的線圈套在管外,藉助交變電磁場的作用也能激起高頻放電。

頻率在幾百兆赫至幾百吉赫的高頻放電,屬於微波氣體放電。依據微波放電原理製成的天線開關管,廣泛應用在雷達工程中。高頻放電離子源,是核物理、等離子體化學的重要研究工具。微波放電線光譜輻射源、連續光譜輻射源等,應用於物理學、化學的研究工作中。在近代微電子技術中,利用高頻濺射的方法可避免靜電荷的影響。在可控核聚變研究中,微波放電可用作初始等離子體源,微波放電還可作為介質,用以研究波的傳播、轉化、吸收、等離子體穩定性、擴散、紊流等過程。

脈衝放電

在脈衝電壓作用下引起的氣體放電,就是脈衝放電。脈衝放電視脈衝電源的具體型式分為單脈衝放電、重複脈衝放電和高頻脈衝放電等,高頻脈衝放電時,通過氣體的脈衝電流的曲線是變幅高頻交流振盪曲線的包絡線。

最簡單的脈衝放電是由一電容儲能電路擊穿一個火花隙而得到的;放電裝置則串接在火花隙中,火花隙擊穿時裝置中亦就得到了脈衝放電。

脈衝放電的過程,可以分成三個階段:

(1)脈衝形成階段,即火花隙間加上電壓,氣體電離及擊穿並使放電充滿整個裝置;

(2)維持階段,此時電容器中的能量繼續通過放電通道,放電空間出現強烈的電離和激發;

(3)放電熄滅階段,即隨著電容器上電壓的降低,放電逐漸衰弱,最後不能自持時,放電就自行熄滅。

脈衝放電時激發和電離很強烈,各種過程導致的輻射及粒子數反轉現象極其豐富,可用於製造各種脈衝氣體鐳射器。微波工程中的天線開關管、作為固體鐳射器光泵用的脈衝氙燈、脈衝離子源和攝影用閃光燈,都是脈衝放電的應用。

參考書目

楊津基編著:《氣體放電》,科學出版社,北京1983。

參考文章

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