非均勻電場里壓強變化對氣體放電的影響

摘要：在非均勻電場下的放電與均勻電場中的氣體放電相比較有較大的區別，為對非均勻場下的放電有更好的認識，作者使用了球形電極對各個放電階段進行展示，分析各放電階段在非均勻場下的成因；并給出了非均勻電場里氣體擊穿電壓與壓強的關系曲線。

關鍵詞：反常輝光放電；電暈放電；火花放電

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)2(S)-0059-3

1引言

氣體導電的現象，又稱氣體放電。加熱、照射（紫外線、X射線、放射性射線）等都能使氣體電離，這些因素統稱電離劑。完全靠電離劑維持的氣體導電稱為非自持導電。在一定電壓條件下，撤去電離劑，導電仍能維持。這種情形稱為氣體自持放電。自持放電因條件不同，放電的形式也不同。自持放電包括輝光放電、電暈放電及火花放電。我們設計實驗研究了非均勻穩定電場下各種自持放電。由于電場分布不均勻，則擊穿電壓不再遵循帕邢定律，因此還有必要研究新的擊穿電壓與壓強關系。

2實驗簡介

該實驗中用到的儀器主要有真空鐘罩（罩內有兩個電極用于與電源相連）、±2500伏穩壓電源、球形電極、2X-4型真空泵等。實驗中，儀器的連接如圖1。

實驗操作如下：首先打開真空鐘罩閥門，接著進行抽氣，直到真空計的示數不再明顯變化（抽氣速率與向外界漏氣的速率相當）。打開穩壓電源，逐漸增大穩壓電源電壓值，直至輝光放電，隨后撤掉抽氣機電源。隨著不斷滲漏氣，鐘罩內氣壓隨之增大，兩電極間放電所需的電壓也隨之增大，并記錄每個變化時刻的氣壓和電壓值。

3反常輝光放電

（1）輝光放電奪放電時兩電極間出現特有的光輝。通常低氣壓冷陰極電極在擊穿后可形成穩定的輝光放電。輝光放電具有電流密度小，放電維持電壓較高的特點，產生典型的非等溫等離子體。圖2為實驗中拍攝的輝光放電，從外表來看，輝光放電時，鐘罩內從陰極到陽極的放電空間都出現了明暗相間的光層分布。在放電空間內分為幾個不同的區域。仔細觀察圖2，陰極輝區（右球邊緣）將大半個陰極都包圍了起來，即整個陰極表面都為有效發射面積。這種現象有別于正常輝光放電，屬于反常輝光放電。

（2）如圖2，從陰極（右）到陽極（左）依次是：陰極輝區（緊貼球極），陰極暗區以及負輝區［1］。由于受放電距離的限制，正柱區和陽極區都沒有出現。這是因為正柱區的長度是由電極間的距離決定的，陰極位降理論認為，維持放電的基本過程都集中在陰極位降區（即陰極輝區和陰極暗區），故從輝光放電的本質來講，可以不出現正柱區。在某些氣體的輝光放電中，陰極輝區前會出現阿斯頓暗區，它緊靠陰極表面。但本實驗中阿斯頓暗區并不明顯。

（3）由于空氣成分復雜，其中以氮、氧為主，氮氣的負輝區呈現為藍色，而氧氣的負輝區呈現為淡黃色，實驗中可看見的負輝區外圍呈現藍紫色，內部呈紅色。這是由于兩球形電極分別接正負電位，其間產生的電場是不均勻的。為便于分析，可將兩球形電極近似看作帶正、負電荷的兩點電荷，則沿點電荷連線上的電場最強。γ過程產生的二次電子在奔向陽極的過程中，一方面與中性分子發生電離產生新的電子，另一方面受非均勻電場加速，影響氣體中電子和離子的運動軌跡［3］，故負輝區在靠近陽極的那一側將沿連線中心收攏。最終對稱的收斂在沿兩極球心連線兩側附近。如圖2，整個放電區間呈現為錐形，在陽極上可看見兩個收斂狀亮點?？梢?，電場分布可決定放電區域形狀，且對γ數的值也有影響，因此，它對擊穿電壓影響也較大。

（4）由輝光放電的理論可知，放電電流密度與氣壓的平方成比例。所以，高氣壓下的電流密度將顯著升高。在電流密度逐步升高的過程中，出現了不能再被忽略的新的基本過程，它對放電起有很大的影響。在較高氣壓時，放電電流密度很大，陰極發射電流密度也很大，氣體擊穿后發出強烈輝光，另一方面，在高電流密度發射的狀態下，很容易使陰極局部溫度升高，從而在某一局部產生熱電子發射。這比γ過程的二次電子發射效率大大提高。另一方面，由于氣體分子溫度的升高，就可發生熱電離過程。綜上因素，這就可引起輝光放電向弧光放電轉變。實驗中，隨著氣壓的不斷升高，負輝區不斷擴展，直至充滿電極間的放電空間。如圖3所示?？梢姺烹婋娏髅黠@增大，放電進入輝光放電與弧光放電之間的弧光過渡區。

4電暈放電

（1）電暈放電是在極間電場分布不均勻，氣壓較高時產生的一種放電方式，且要求電壓在幾千伏以上。直流電暈分為三種情況：(1)負電暈(2)正電暈(3)雙極電暈［2］。在實驗中觀察到的是雙極電暈，它要求陰極和剛極曲率半徑都比較小，兩者都帶有極強的電場，則在正、負極上都會有發生電暈稱為雙極電暈。如圖4所示為雙極電暈放電。

（2）實驗中，鐘罩內氣壓都保持在標準大氣壓以下，且球形電極半徑較小(4．23mm)，其間形成的不均勻電場較強，因而產生了電暈放電，如圖4所示。由于受電暈放電條件的限制，實驗中的電暈放電很不穩定，即使在不改變電壓的情況下，電暈放電也很容易轉變為輝光放電，在較暗的環境中更易觀察。電暈放電時，增加電極電壓后，電暈放電很容易向輝光放電轉變。

5火花放電

隨著壓強的進一步增大，放電轉過渡到火花放電。根據流柱理論對火花放電的解釋(它以電子崩為理論基礎，并考慮了空間電荷對放電的影響)，它由一個主電子崩形成多個次電子崩，次電子崩不斷匯入主電子崩并迅速擴散到陰極，這就是實驗中觀察到火花放電分叉的原因。放電通道是由光電離形成的，因此放電形成的時間很短。同時，由于電離過程主要靠光子，與陰極表面的關系不大。兩球形電極的球心距離最短，且電場最強，因此放電通道多沿球心連線及其周圍。

6擊穿電壓與壓強的關系

根據實驗中記錄的數據，描圖得到的擊穿電壓隨壓強的變化關系，如圖5。其中橫坐標是擊穿電壓，單位為伏；縱坐標是壓強，單位是千帕。由圖可見，隨著真空罩內氣壓的升高，所需的擊穿電壓也越來越高。

7結語

（1）各種類型的氣體放電有明顯的區別，它們的放電現象各有特色，在改變條件的情況下，它們可以相互轉化。

（2）非均勻場中的放電現象與均勻場中的放電相比有較大的區別，體現在放電區域的形狀受電極影響較大，從本質上看是受電場分布影響。

（3）外界條件變化時(如壓強)，氣體放電的類型隨之變化?？諝庵械膿舸╇妷菏且粋€變化十分敏感的量，它不僅隨壓強的升高而升高，而且還受電場分布、電極材料和表面狀況的影響。

參考文獻：

［1］陳宗柱、高樹香.氣體導電［M］.南京工學院出版社.1988

［2］彭國賢.現代化知識文庫之氣體放電——等離子體物理的應用［M］.上海.知識出版社.1982

［3］胡志強、甄漢生、施迎難.氣體電子學［M］.北京.電子工業出版社.1985

［4］劉學惑.陰極電子學［M］.北京.科學出版社.1980

(欄目編輯王柏廬)