淺談氣體擊穿理論

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(湖北襄樊第四中學)

一、氣體擊穿的基本概念

電介質(zhì)的擊穿，指的是固體、液體、氣體介質(zhì)以及混合介質(zhì)在電場作用下，喪失絕緣能力，介質(zhì)變得導電的現(xiàn)象。全部電介質(zhì)都能夠被擊穿，擊穿表現(xiàn)了它在電場作用下能夠保持絕緣性能的極限，是影響電子產(chǎn)品、電器元件使用壽命的重要條件。

氣體的擊穿是指氣體介質(zhì)在一定的電場條件下，氣體間隙發(fā)生放電。作為電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中最經(jīng)常被使用的絕緣介質(zhì)，氣體介質(zhì)中的電場強度達到一定臨界點后，本來絕緣的氣體就會變得導電，從而造成危險情況的發(fā)生。為了能合理構(gòu)成氣體絕緣，就應(yīng)該先要了解氣體中的基本放電理論。

二、氣體放電的放電形式

正常狀態(tài)下氣體中存在少量帶電質(zhì)點，在電場作用下，帶電質(zhì)點沿著電場方向運動，形成電流。但是由于帶電質(zhì)點的數(shù)量非常少，其形成的電流也極小，所以依然是很好的絕緣體。但是當氣體壓力、電源效率、電極形狀等條件發(fā)生變化的時候，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，被擊穿后的氣體放電形態(tài)在各種條件下各不相同，具體而言會產(chǎn)生以下幾種：

1.輝光放電

當氣體壓力不大、電源功率很小的時候，將外部施加的電壓增加到一定值以后，電流在短時間內(nèi)大量增長，管內(nèi)整個區(qū)域出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象。這種放電形式被稱為輝光放電。輝光放電的特性是電流密度不大，放電通常會發(fā)生在整個空間。而且放電時管端電壓較高，不具備短路的特性。輝光放電僅僅發(fā)生在氣壓較低的情況下。

2.電弧放電

隨著外回路中的阻抗減小，電流增大。當電流增大到了某個數(shù)值時，放電的通道變窄，并且亮度越來越高，管端的電壓則下降，說明通道的導電性越來越強，這時的放電就叫做電弧放電。電弧放電時電流密度很大，管端電壓很低，具有短路的特性。

3.火花放電

在較高的氣壓下，比如大氣壓力下，氣體擊穿后總是形成收窄的發(fā)光通道，而非分散到整個區(qū)域，此時稱之為火花放電。火花放電的產(chǎn)生分為兩種情況：當外回路中阻抗較大的時候或者當外回路中阻抗很小且電源功率足夠大的時候。

4.電暈放電

隨著電壓的增大，在電極周圍電場最強的地方出現(xiàn)發(fā)光層，隨著電壓的繼續(xù)提高，發(fā)光層隨之變大，放電電流也逐漸增強。這種現(xiàn)象叫做電暈放電。電暈放電時，氣體間隙中只有小部分尚喪失絕緣性能，放電電流微弱，間隙依然可以耐受管端電壓。此時繼續(xù)增大電壓，從電暈電極中延伸出來很多的比較明亮的細放電通道，叫做刷狀放電。電壓再增大，最后氣體間隙整個被擊穿，根據(jù)電源功率的強弱而轉(zhuǎn)換成電弧放電或者是火花放電。

三、帶電質(zhì)點的產(chǎn)生與消失

普通狀態(tài)下的氣體是中性不導電的，氣體導電并產(chǎn)生放電現(xiàn)象是因為氣體分子發(fā)生了電離，產(chǎn)生了充足的帶電粒子。

1.帶電質(zhì)點的產(chǎn)生

帶電質(zhì)點的產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象發(fā)生的前提。空氣介質(zhì)中帶電質(zhì)點的形成主要有氣體分子的電離和金屬的表面電離兩種形式。

氣體分子的電離可以由碰撞電離、光電離、熱電離、電極表面電離這四種方式產(chǎn)生。

碰撞電離主要由電子和分子的碰撞所引發(fā)。電子在電場下被加速而獲得動能，使其獲得擺脫原子核束縛的能量。當電子從電場獲得的動能大于氣體分子的電離能時，就有可能因為碰撞而使得氣體分子發(fā)生電離，產(chǎn)生電子與正離子。

光電離是指由光輻射引發(fā)的氣體分子的電離。由異號帶電粒子復合而成中性粒子釋放出光子，或者由激勵態(tài)分子回復到正常態(tài)釋放出光子，這是光游離發(fā)生的兩種來源。

熱電離是指由分子的熱運動而引發(fā)的氣體分子的電離。熱電離的本質(zhì)是氣體分子的熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合。在常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率是極小的。當溫度大于10000K的時候，才需要去考慮熱電離，而當溫度大于20000K的時候，幾乎全部的分子都是出于熱電離狀態(tài)的。

以上的三種電離形式都產(chǎn)生于氣體空間中，所以這三種電離也稱之為空間電離。

金屬的表面電離是指金屬陰極表面逸出電子的過程。電子從金屬表面逸出，主要有四種形式，分別為正離子碰撞陰極的表面、光電子發(fā)射、場致發(fā)射和熱電子發(fā)射。

2.帶電質(zhì)點的消失

帶點質(zhì)點的消失主要有三種形式，分別為復合，擴散，和進入電極。

復合是指正負離子在相遇的時候，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和從而還原為分子的過程。電子復合和離子復合都是以光子的形式釋放出多余的能量。一定條件下會導致其他氣體產(chǎn)生光電離，使得氣體放電階躍式發(fā)展。擴散是指帶電質(zhì)點由濃度較大的空間移動到其他濃度較小的空間的現(xiàn)象。進入電極指的是在外電場作用下，氣體間隙中的正負電荷分別向兩個電極定向移動的現(xiàn)象。帶電質(zhì)點進入電極會阻礙放電的發(fā)展。

四、氣體放電的兩個經(jīng)典理論——湯遜理論和流注理論

均勻電場中的放電分為自持放電與非自持放電。自持放電的過程不需要外界因素，僅由電場作用就可以維持。非自持放電需要外界電離因素，當外界因素撤銷后放電過程隨之停止。

在上世紀初期，湯遜做了大量的實驗研究，根據(jù)其實驗結(jié)果，提出了適用于均勻電場、低氣壓、短間隙的氣體放電的理論。湯遜認為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離對于氣體放電起著主要作用。但是僅適用于短間隙低氣壓條件下的輝光放電。湯遜理論沒有考慮放電過程中的空間電荷效應(yīng)，很難解釋一些現(xiàn)象，例如放電發(fā)生的速度領(lǐng)先于碰撞電離時，放電通道是不均勻的而呈折線形狀。

隨著氣體放電研究的發(fā)展，流注理論是由R.瑞特與J.M.米克在1937年提出的。湯遜理論為氣體放電的理論發(fā)展打下了基礎(chǔ)，流注理論總結(jié)了前人的經(jīng)驗，補充完善了湯遜理論。流注理論著重說明了空間電荷畸變電場的作用，認為自持放電主要是由電子碰撞電離和空間光電離引起。流注理論適用于均勻電場、大氣壓、長間隙氣體的擊穿。

五、非均勻電場中的氣體擊穿

為了比較各種條件下的電場的不均勻程度，引入電場不均勻系數(shù)f，它是最大場強和平均場強的比值。根據(jù)放電的特征，大致可以做如下區(qū)分：稍不均勻電場不均勻系數(shù)f<2；當f>4后，屬于極不均勻電場；不均勻系數(shù)2

均勻電場：不存在極性效應(yīng)；稍不均勻電場：正極性大于負極性；極不均勻電場：放電起始電壓、正極性大于負極性擊穿電壓，負極性大于正極性。

當電場極不均勻時，在大曲率電極附近空間局部場強首先達到周圍空氣發(fā)生強烈電離的數(shù)值。使得附近很薄的一層空氣形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的淡紫色發(fā)光層。該放電僅僅發(fā)生在大曲率電極周圍很小的范圍內(nèi)，而整個氣體間隙未被擊穿，這種現(xiàn)象稱之為電暈放電。電暈放電會引起空氣的化學反應(yīng)，不但消耗能量，還產(chǎn)生臭氧等有害氣體、噪聲等污染。但是電暈放電在除塵器、靜電噴涂等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

六、影響氣體間隙放電的主要因素

影響氣體電介質(zhì)的條件有很多，主要有電壓強度、電板外形、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等。具體而言，電場情況的均勻、稍微不均勻、極不均勻，電壓形式的不同，包括直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊等，以及大氣條件，如氣壓、溫度、濕度等，都會影響氣體間隙的放電現(xiàn)象，因此在實際工作中要考慮這些因素并進行校正。

七、氣體放電研究現(xiàn)狀與前景

雖然在宏觀上氣體放電特性和放電的應(yīng)用方面取得了一些進展，但對于放電形成機理的微觀方面，如氣體分子間的的運動等還缺乏深入的研究。當前對于氣體放電的研究，根據(jù)研究目的，氣體放電可分為理論研究和應(yīng)用研究。

理論研究主要集中在氣體放電的物理過程，等離子體特性，放電機理和穩(wěn)定機理等方面，重點研究如何產(chǎn)生，穩(wěn)定和控制等離子體等問題，探索各種放電機理。研究的應(yīng)用是基于對低溫等離子體理論研究中的各種實際問題的技術(shù)應(yīng)用。應(yīng)用研究使用更多的實驗方法，針對具體應(yīng)用，設(shè)計相應(yīng)的等離子體生成和控制裝置，分析實驗現(xiàn)象，評估實驗結(jié)果，設(shè)計實用甚至工業(yè)設(shè)備。

自上世紀末到現(xiàn)在，氣體放電研究及其應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展。氣體放電技術(shù)由于其在中等壓力或高于大氣壓力下實現(xiàn)大規(guī)模、宏觀均勻和強烈的微放電，可廣泛用于各個領(lǐng)域，不僅僅是電力工程中，在很多方面都有較好的發(fā)展前景。

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