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，人們經(jīng)常將放電分為兩類：一類是獨(dú)立放電，另一類是自氧化物放電。第一類,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,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T0,T1和T2三部分.在T0區(qū)域,作用在電極間的電壓很低,氣體中流過的電流也很小,如圖所示從0開始上升,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作用下作定向遷移的結(jié)果.在沒有外場的情況下,這些帶電粒子和氣體分子一樣在空間作雜亂無章的運(yùn)動.當(dāng)放電管兩端加上較低的電壓時,電子和離子在場的作用下作定向運(yùn)動,于是電流從0開始逐漸增加;當(dāng)極間電壓足夠大時.所有的帶電離子都可到達(dá)電極,這時電流達(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).在T1區(qū)域里:從陰極發(fā)射的電子在電場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,從較高電場中獲得的能量已足以在與氣體分子碰撞時使之電離,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,放電管的電流會突然迅速上升.這時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.這時稱氣體產(chǎn)生了擊穿或著火,其臨界電壓值Vs稱為擊穿電壓或著火電壓.根據(jù)上述的放電基本過程,湯生在其放電理論中引入三個系數(shù)α,β和γ來描述由電子和正離子產(chǎn)生氣體電離的機(jī)理.這三個系數(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表示一個電子從陰極到陽極經(jīng)過單位路程與中性氣體粒子作非彈性碰撞所產(chǎn)生的電子-離子對數(shù)目,或所發(fā)生的電離碰撞數(shù).這種電離過程也稱為α過程.湯生第二電離系數(shù)β表示一個正離子從陽極到陰極經(jīng)過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)電流的增長而提出的,這種電離過程稱β過程.湯生第三電離系數(shù)γ表示一個正離子撞擊陰極表面時平均從陰極表面逸出的電子數(shù)目(二次電子發(fā)射),這種電離過程稱γ過程.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過程對湯生放電產(chǎn)生的影響和規(guī)律,可從圖2所示平面陰極和陽極之間某放電空間薄層內(nèi)放電情況來研究.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,它才能有效地電離原子.而正離子在足夠長的自由過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過程.但是γ過程對放電電流的貢獻(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過程的作用時,式(4)就改寫為:式(5)中,當(dāng)α=0,γ=0時i=i0即是T0區(qū)域飽和電流的情況;α≠0,γ=0時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過程外,還有其它的γ過程在起著積極的作用而引起電子的發(fā)射.一個重要的過程是到達(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)動過程中作激發(fā)碰撞產(chǎn)生的受激原子發(fā)出的.在這種情況下,此時γ的含義已不同于湯生的定義,因此我們稱它為廣義的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都是電場強(qiáng)度E的函數(shù),隨著電場的增強(qiáng),放電電流也增大,當(dāng)極間電壓達(dá)到VS時,放電從非自持放電向自持放電過渡,放電電流大增.此時如切斷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