气体放电

气体放电现象及应用

学习目的：根据课程所学及实际应用，了解气体放电的原理和气体放电的现象和形式、影响因素及伴随的效应。

引言：

在现实生活中我们会遇到很多气体放电的现象，有的时候我们会觉得不可思议，其实这些现象都是能用科学来解释的。科学家们通过对他们的研究，把这些现象的原理应用在我们的生活中，给我们带来了很多益处，在经过科学家的进一步研究后将会给我们带来更大的益处。那么什么是气体放电呢？它发生的形式及现象又是什么呢？我们将如何应用呢？

１.简述气体放电的原理

干燥气体在正常状态下是不导电的，是良好的绝缘介质，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时若在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增殖，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。

气体放电的根本原因在于气体中发生了电离的过程，在气体中产生了带电粒子。气体电离的基本形式有：

（１）碰撞电离

在电场作用下，那些散在气体中的带电粒子（电子或离子）被加速而获得动能，当它们的动能积累到一定数值后，在和中性的气体分子发生碰撞时，有可能使中性的气体分子发生电离，这种电离过程称为碰撞电离。在碰撞电离中，由于电子的尺寸小、重量轻，其平均自由行程也较大，所以在电场中容易被加速并积累起电离所需的能量。因此，电子是碰撞电离中最活跃的因素，它在强电场中产生的这种碰撞电离是气体放电中带电粒子极为重要的来源。

（２）光电离

由光辐射引起的气体分子的电离称为光电离。光子的能量与光的波长有关，波长愈短，能量愈大。各种短波长的高能辐射线如宇宙射线、r射线、x射线以

及短波紫外线等都具有较强的电离能力。

（３）热电离

因气体热状态引起的电离过程称为热电离。所有的气体都能发出热辐射，这也是电磁辐射。在高温下，热辐射光子的能量达到一定数值即可造成气体的热电离。

从基本方面来说，碰撞电离、热电离及光电离是一致的，都是能量超过某一临界值的粒子或光子碰撞分子使之发生电离，只是能量来源不同。在实际的气体放电过程中，这三种电离形式往往同时存在，并相互作用。比如，在电场作用下，总会有碰撞电离发生。在放电过程中，当处于较高能位的激发态原子回到正常状态，以及异号带电粒子复合成中性粒子时，又都会以光子的形式放出多余的能量，由此可能导致光电离，同时产生热能而引发热电离，高温下的热运动则又加剧碰撞电离过程。

（４）表面电离

气体中的电子也可以由电场作用下的金属表面发射出来，称为金属电极表面电离。从金属电极表面发射电子同样需要一定的能量，称为逸出功，它比气体的电离小得多，所以金属电极表面发射电子要比直接使气体分子电离容易。可以用各种不同的方式向金属电极供给能量，如对阴极加热、正离子对阴极碰撞、短波光照射以及强电场都可以使阴极发射电子。

气体电介质在发生放电时会引起绝缘的暂时丧失，一旦放电结束，气体介质又可以自行恢复其绝缘性能。因此气体绝缘又称为自恢复绝缘。人们利用气体介质的自恢复绝缘特性，在绝缘子的结构设计中，总是使其沿面闪络电压低于固定介质的击穿电压，以便在出现过电压时使其发生闪络，避免造成绝缘子的永久破坏。而气体具有自恢复绝缘特性的根本原因在于气体中存在去电离的过程，它使带电粒子从电离区域消失，或者消弱产生电离的作用。气体去电离的基本形式有：（１）带电粒子向电极定向运动并进入电极形成回路电流，从而减少了气体中的带电粒子。

（２）带电粒子的扩散。由于热运动，气体中带电粒子总是从气体放电通道中的高浓度区向周围的空间扩散，从而使气体放电通道中的带电粒子数目减少。

（３）带电粒子的复合。气体中带异好电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷

的传递而互相中和，从而使气体中的带电粒子减少。但是，带电粒子的复合会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又会导致其他分体分子电离，从而使气体放电呈现出跳跃式的发展。

（４）吸附效应。某些气体的中性分子或者原子对电子具有较强的亲合力，当电子与其碰撞时，便被吸附其上形成负离子，同时放出能量，这就叫吸附效应。吸附效应能有效地减少气体中的自由电子数目，从而对碰撞电离中最活跃的电子起到强烈的束缚作用，大大抑制了电离因素的发展。

气体中电离与去电离这对矛盾的发展过程将决定气体的状态。当电离因素大于去电离因素时，气体中带电粒子会愈来愈多，最终导致气体击穿；当去电离因素大于电离因素时，则气体中的带电粒子将愈来愈少，最终使气体放电过程消失而恢复成绝缘状态。在生产实际中，人们根据需要，可以人为地控制电离或者去电离因素。比如，在高压断路器中，为了迅速开断电路，就需要更加强电弧通道中的去电离因素，采取各种措施增大带电粒子的扩散能力和带电离子的复合速度，以及采用吸附效应强烈的SF6高电气强度气体等。

在所有的气体放电理论中，比较系统和完善的主要是汤逊气体放电理论和流注放电理论。

汤逊理论通过引入“电子崩”的概念，较好地解释了均匀电场中低气压短间隙的气体放电过程，通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。但是这个理论也有局限性，由于汤逊理论是建立在均匀电场、短间隙、低气压的实验条件下的，因此对于高气压、长间隙和不均匀电场中的气体放电现象就无法作出圆满的解释了。比如，根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展，这在低气压下确实如此，如放电管中的辉光放电。然而，在大气压力下长间隙的击穿却往往带有许多分枝的明亮细通道，如天空中发生的雷电放电即是如此。对此，就需要用流注放电理论才能较好地解释这种高气压长间隙已经不均匀电场的气体放电现象了。

流注理论与汤逊理论的不同之处在于：流注理论认为电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持放电的主要因素；而汤逊理论则没有考虑放电本身所引发的空间光电离对放电过程的重要作用。同时，流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用。

汤逊实验中的均匀电场是一个少有的特例，实际电力设施中常见的却不是均匀电场。与均匀电场相比，不均匀电场中气隙的放电具有一系列的特点：间隙击穿前有局部放电的存在，这也称为电晕放电，并且电场愈不均匀，其电晕起始电压愈低，击穿电压也愈低，这是极不均匀电场中气隙放电的一个重要特征；“棒－板”间隙的放电存在极性效应；长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低等。

２.气体放电的现象和形式

气体放电的形式和现象是多种多样的，依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电的形式总体上可以分为以下几类：（１）当气压较低，电源容量较小时，气隙件的放电则表现为充满整个间隙的辉光放电。（２）在大气压下或者更高气压下，放电则表现为跳跃性的火化，称为火花放电。（３）当电源容量较大且内阻较小时，放电电流较大，并出现高温的电弧，称为电弧放电。（４）在极不均匀电场中，还会在间隙击穿之前，只在局部电场很强的地方出现放电，但这时整个间隙并未发生击穿，这种放电称为局部放电。高压输电线路导线周围出现的电晕放电就属于局部放电。（５）当发生气体放电时，电极间交换的频率很高的放电形式叫高频放电。（６）此外，在气体放电中还有一种特殊的放电形式，即在气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面而发生在气体介质中的放电，称为沿面放电。当沿面放电发展到使整个极间发生沿面击穿时称为沿面闪络。例如，在输电线路上出现雷电过电压时，常常会引起沿绝缘子的表面的闪络。

３.气体放电现象的影响因素

气体放电现象及其发展规律主要受以下因素的影响：①所加电压的幅值及波形，如直流电压、交流电压、脉冲电压(模拟雷闪)等。②通过电流的大小，如计数管中的电流（微安级），冲击大电流（兆安级）。③所加电压的频率，如直流电压、工频电压等。④气体的压力，从10-4帕的真空直至几兆帕的高气压。不同气压下，气体击穿的物理过程各异。⑤电极形状，它决定电场的分布，众而影响带电粒子的运动。⑥容器与电极材料，高气压与高真空的气体击穿会受电极材料及表面状态的影响。⑦气体的性质，如负电性气体可以提高气体的击穿电压。４.气体放电伴随的效应及其应用

气体放电有许多效应，如导电效应，光效应，热效应，力学效应，化学效应等。在电力系统及电工制造业中，研究气体放电主要是为了改进气体绝缘性能，防止气体放电的破坏作用以及对环境的电磁干扰，如研究雷闪放电，长间隙放电，污秽表面放电，负电性气体放电，电晕放电等。同时还研究电弧放电，以改善断路器等设备切断电流的能力。利用气体放电的光效应可以制造各种电光源。在磁场作用下，很强的电磁力（洛伦兹力）会使电离气体加速到每秒数百公里的高速度，电磁激波管就是这种力学效应应用的例子。高密度的电离气体通过大电流时，气体可以被加热到几万K，气体加热器就是利用这种热效应产生高温气体。利用电晕放电可以制造电除尖器，还可以产生臭氧(O3)净化水源，这成为改善环境的重要技术手段之一。

辉光放电各区域中最早被利用的是正柱区。正柱区的发光和长度可无限延伸的性质被利用于制作霓虹灯。作为指示用的氖管、数字显示管，以及一些保护用的放电管，也是利用辉光放电。在气体激光器中，毛细管放电的正柱区是获得激光的基本条件。近代微电子技术中的等离子体涂覆、等离子体刻蚀，也是利用辉光放电过程。从正柱区的研究发展起来的等离子体物理，对核聚变、等离子体推进、电磁流体发电等尖端科学技术有重要意义。辉光放电中的负辉区，由于电子能量分布比正柱区的为宽，近年来被成功地用于制作白光激光器。碳极电弧是最早的强光光源。各种高气压放电灯如高气压汞灯、氙灯、钠灯，是在管泡内进行电弧放电的光源。电弧焊接、电弧切割在工业上有广泛应用；电弧的高温可作为电炉的热源。火花放电使电极材料受到严重的烧蚀，利用这一现象制成的电火花加工设备，能对金属进行切割、抛光等加工。火花放电时，不仅击穿气体，还能击穿其通路上的薄片绝缘材料，电火花打孔的加工技术就是利用这一现象的。依据火花放电现象制成的触发管和火花放电器，常用于脉冲调制电路中。

参考文献：

冯永平. 高电压技术中的气体放电及其应用北京：水利电力出版社，1990

彭国贤，气体放电上海：上海出版社:知识出版社，1988

军械工程学院静电与电磁防护研究所。高电压技术北京：中国知网，2006