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年代以來激光導引放電、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。

現象

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（E-E）的能量；這個能量所相應的電位差設為eV，則有eV=E－E

電位V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，稱為碰撞幾率。

原因

受激發后的原子停留在激髮狀態的時間很短暫（約為10秒），便從能量為E的狀態回復到能量為E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復到正常狀態：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10～10秒；由於它壽命較長，在放電中常常起重要的作用。

基態時

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，稱為電離幾率。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原子使後者電離的過程。這種過程只有在亞穩原子的亞穩電位高於中性原子的電離電位（如氖的亞穩原子碰撞氬原子）時才可能出現。這個過程稱為潘寧效應。潘寧效應在亞穩原子的激發能比較接近中性分子的電離能時最為顯著，因為前者壽命較長，可以有更多的幾率與中性分子碰撞電離。

方式

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，複合后變為中性原子離去。③電子與正離子直接複合。

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。經若干次加速碰撞后，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。

擴散現象複雜

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。

電子運動速度快

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。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，故這种放電也稱為湯生放電。

物理描述

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。

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乘積的函數，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。在高電壓設備中，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，以提高設備的耐壓，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。

簡介

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。

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后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，后逐漸變弱，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后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/m），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性能；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。在氣體激光器中，毛細管放電的正柱區是獲得激光的基本條件。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，如今被成功地用於製作白光激光器。

輝光放電中，如果整個陰極已布滿輝光，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。

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局部高溫而產生的；冷發射則是因陰極表面存在局部強電場而引起的。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/厘米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。

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），形成很強的局部電場，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。這种放電稱電暈放電，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。

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种放電。它仍然是一種自持放電，但瞬即熄滅，待電源電壓恢復后，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。關於這种放電的理論，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設備，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。

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。

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蕩曲線的包絡線。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；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；

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激光器。微波工程中的天線開關管、作為固體激光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。

(1)放電時具有強烈的可見輻射和非可見輻射

根據這一特點，已經研製成功電弧燈、霓虹燈、指示燈、熒光燈、氙燈和鹵素放電燈等，廣泛用於照明及電信號指示等。

(2)氣體放電產生的電離氣體具有良好的化學活性

化學反應實際上是以電子和離子的結合或交換等方式實現的。氣體電離后形成電子和離子，適當控制反應條件可以實現一般情況下難以實現的化學反應，如許多難以實現的有機化學反應可在電離氣體中進行。實際上，熱核聚變反應是將氘電離后，由氘核之間進行聚合而實現的。

(3)氣體放電具有良好的電子學特性

氣體放電的電子學特性主要有：A.明顯的開關特性，已利用這種特性作成閘流管和整流管；B.具有穩壓特性，可作成放電穩壓管；C.其有負阻特性，可作成張弛振蕩器。

(4)已電離氣體具有良好的導電性，可作為優良的流動導體

利用這一特性已實現磁流體發電。

(5)氣體放電可以使物質產生濺射現象

利用這種現象已實現濺射鍍膜，已研製成功濺射式抽氣泵，用於真空技術。