氣體放電現象及其應用

【摘 要】氣體放電是一種重要的放電現象，廣泛地存在于人們的日常生活中，并且在工業中獲得了廣泛地應用，研究氣體放電對于認識和了解科技發展水平具有重要的意義。本文闡述了氣體放電的產生條件和氣體放電等離子體的特性，并且介紹了氣體放電的典型的應用領域。

【關鍵詞】氣體放電 輝光放電 電弧放電

【中圖分類號】TN13 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）04-0196-01

眾所周知，對氣體施加一定的電壓后，氣體會發生放電現象，也就是說氣體發生導電，不具有絕緣的特性，此時形成了等離子體。氣體放電被廣泛地應用于科學研究和工業中，同時，氣體放電在人們的日常生活中也廣泛地存在，例如閃電、日光燈等。因此，研究和認識氣體放電對于了解當今的科學技術發展水平具有重要意義。

一 氣體放電的產生條件

目前世界上的物質存在四種狀態，即固體、液體、氣體以及等離子體，其中等離子體是通過氣體放電產生的，因此等離子體又稱為氣體放電等離子體。

通過一定的物理機制使氣體原子或分子失去一個或多個電子而形成的氣體媒質稱為電離氣體。當在兩個電極之間施加外部電場時，通過電場提供能量產生電離氣體（氣體成分包括：離子、電子、中性原子），其中的帶電粒子在電極定向流動時形成電流，這種現象稱之為氣體放電現象。

氣壓擊穿條件。氣體放電一般分為兩大類，非自持放電和自持放電。氣體放電從非自持過渡到自持的現象，稱之為氣體的擊穿，它是氣體放電產生等離子體的基礎。

非自持放電是指存在外在電離源的條件下放電才能維持的現象。如用紫外光照射放電管，管內氣體就可產生少量的帶電粒子數，當電極上施加某一電壓時，電極之間的帶電粒子形成電流，即產生了氣體放電現象。若去掉外電離源，由于無帶電粒子，電極之間無電流，氣體放電消失。自持放電是指去掉外加電離源時放電仍能維持的現象，氣體放電的形成與外電離源的存在與否無關，這種狀態稱自持放電。這種氣體擊穿現象又稱之為湯生放電。

無外加電場的情況下，這些帶電粒子與氣體分子作雜亂無章的運動。當放電管的電極之間施加較低的電壓時，在電場作用下電子和離子作定向運動，宏觀上表現為電流從零逐漸開始增加。隨著電壓的逐漸增加，所有的帶電粒子均可以到達電極位置，這時電流達到某一最大數值。剩余電離產生的帶電粒子密度一般較弱，所有飽和電流數值較小。（約為10～12A數量級）

當作用在電極之間的電壓大于某一臨界數值Vs時，電流突然迅速增加。這時即使去掉外加電離源，放電仍然能夠正常維持，氣體發生了自持放電，如輝光放電或弧光放電。這時稱氣體擊穿或著火，其臨界電壓數值Vs稱為擊穿電壓或著火電壓。

氣體擊穿后的放電形式與電極的形狀、極間距離、氣壓以及外電路的特性等有關。氣體放電的形式很多，可按放電參量是否隨著時間變化分為穩態放電和非穩態放電，根據陰極的工作方式分為冷陰極放電和熱陰極放電；根據工作氣壓的高低分為低氣壓放電、高氣壓放電和超高壓氣體放電；此外，還可以根據氣體的種類進行分類。而能夠穩定存在的氣體放電等離子體主要是輝光放電等離子體和弧光放電等離子體，并且這兩種等離子體在科學研究和工業中獲得了深入研究和廣泛應用。

二 輝光放電及其應用

輝光放電是氣體放電現象中的一種重要形式，放電時呈現出光輝。輝光放電可分為亞輝光放電、正常輝光放電和異常輝光放電三種類型。

在圓形玻璃管兩端的兩平板電極之間通入適當流量的氣體，使得電極之間的氣壓保持幾百帕，當電極之間的電壓增加到擊穿電壓Vs時，氣體擊穿，電流開始迅速增長，在外電路電阻的限流作用下，放電穩定在輝光放電區，此時整個放電管呈現明暗相間的分布。這種放電等離子體在宏觀上具有電壓較高、電流較低的電壓—電流特性。

輝光放電是一種穩定的氣體放電形式，因此它在科學研究和工業中獲得了廣泛的應用。大家所熟悉的白色光的日光燈就是輝光放電的應用，而最為典型和成熟的工業應用是磁控濺射真空鍍膜工藝，如材料表面處理、微電子、光學薄膜等。通過輝光放電產生等離子體，利用等離子體的離子（氬離子）轟擊靶材，產生靶材原子和離子，同時在一定工藝下沉積至基體表面，進而形成所需要的薄膜。磁控濺射可以在工具表面沉積TiN金屬陶瓷涂層，使得刀具使用壽命顯著提高。

三 弧光放電及其應用

氣體放電過程中，當電壓增加至一定數值后，放電電流顯著增加，此時電壓快速降低，并且電壓保持近似于恒定，此時就是電弧放電階段。

電弧放電被廣泛地應用于材料的焊接與連接工藝中，如焊條電弧焊、惰性氣體鎢極氬弧焊接等焊接工藝。不僅如此，通過一定的工藝，電弧放電還可以在真空環境下穩定燃燒，被廣泛地應用于宇宙空間站的太空焊接與切割工藝。

綜上所述，氣體放電是一種重要的放電現象，只有在一定的條件下，氣體才會發生擊穿，形成氣體放電現象。在氣體放電中，輝光放電和弧光放電是可控性較好的氣體放電類型，在民用和工業中獲得了廣泛地應用。

參考文獻

[1]徐學基、諸定昌.氣體放電物理[M].上海：復旦大學出版社，1996

[2]劉倩、劉瑩、朱秀榕等.氬氣與氮氣流量比對磁控濺射法制備TiN薄膜的影響[J].機械工程材料，2009（3）

〔責任編輯：林勁〕