均勻電場中氣體放電過程的分析

宋領赟　唐紅霞　綏化學院電氣工程學院　152061

?

均勻電場中氣體放電過程的分析

宋領赟唐紅霞綏化學院電氣工程學院152061

黑龍江省教育廳科學技術研究項目，項目編號:12531838

【文章摘要】

在自然界中，氣體放電是一種很普遍的自然現象。干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當氣體中存在自由帶電粒子時，它就變為電的導體。這時如在氣體中安置兩個電極并加上電壓，就有電流通過氣體，這個現象稱為氣體放電。氣體放電與電場的形式、電壓的種類及大氣條件等因素有關，本文主要分析均勻電場中低氣壓、短間隙和高氣壓、長間隙的放電過程，同時對兩種放電理論加以闡述和比較。

【關鍵詞】

電子崩；湯遜理論；流注理論

1　電子崩的形成與發展

設外界游離素在陰極表面輻照出一個電子，這個電子由于受到電場力的作用而向陽極方向運動，運動過程會頻繁的與氣體分子發生碰撞，其中一些碰撞可能導致分子的電離，得到一個電子和一個正離子。在電場的作用下新電子和原有電子會繼續向前運動，與氣體分子碰撞又能引起新的電離過程，電子數目成倍增加像雪崩一樣發展，因而稱之為電子崩。如圖1所示：

圖1　電子崩形成示意圖

2　低氣壓、短間隙下的氣體放電

2.1自持放電與非自持放電

2.2湯遜理論

低氣壓、短間隙的放電過程可以用湯遜理論來解釋，此時指δ·d<0.26cm的情況（δ指氣體的相對密度，d指間隙的距離）。當外施電壓足夠高時，氣體中會發生強烈的游離過程，使氣體中的自由電子數和正離子數按幾何級數增加，即出現電子崩。由于正離子的體積和質量相對較大，其平均自由程比電子要小得多，所以很難發生碰撞游離。但如果場強足夠強，因碰撞游離而產生的新的正離子在電場作用下向陰極運動，并撞擊陰極，如果至少能從陰極表面釋放出一個有效電子，以彌補原來那個由于外界游離因素產生電子崩并進入陽極的電子，則放電達到自持放電，這就是湯遜放電理論的敘述過程。

3　高氣壓、長間隙下的氣體放電

當δ與d的乘積較大時，有一些現象用湯遜理論就解釋不清楚了，比如放電時間、陰極材料的影響、放電外形等。針對湯遜放電理論的不足，1940年左右，H. Raether及 Loeb、Meek等人提出了流注（Streamer）擊穿理論，從而彌補了湯森放電理論中的一些缺陷，能有效地解釋高氣壓下，如大氣壓下的氣體放電現象，使得放電理論得到進一步的完善。

3.1流注的形成條件

形成流注的必要條件是電子崩發展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷使原電場明顯畸變，大大加強了崩頭及崩尾處的電場。電子崩中電荷密度很大，所以復合過程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強電場區很容易引起光電離。二次電子的主要來源是空間的光電離。

3.2流注自持放電條件（即形成流注的條件）

流注的形成需要初崩頭部的電荷達到一定的數量，使電場發生足夠的畸變和加強，并造成足夠的空間光游離。一般認為，當αd≈20 或eαd≈108即可滿足上述條件，使流注得以形成，而一旦形成流注放電便轉入自持。

4　湯遜放電理論與流注放電理論的比較

湯遜理論的實質為氣體放電的主要原因是電子碰撞游離，二次電子來源于正離子撞擊陰極使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據。流注理論認為形的必要條件是電子崩發展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變流注理論認為二次電子的主要來源是空間的光電離。

注理論可以解釋湯遜理論無法說明的pd值大時的放電現象。如放電為何并不充滿整個電極空間而是細通道形式，且有時火花通道呈曲折形，又如放電時延為什么遠小于離子穿越極間距離的時間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無關。兩種理論各適用于一定條件的放電過程，不能用一種理論取代另一種理論。

【參考文獻】

[1]張紅.高電壓技術[M].北京:中國電力出版社，2006

[2]嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術[M].北京:中國電力出版社，2007

[3]王麗.高電壓技術[M].北京:中國電力出版社，2010