什么是气体放电中的“暗放电”、“辉光放电”?

气体放电一般分为暗放电,辉光放电,电弧放电。那什么是暗放电?辉光放电呢?谢谢。
10-03-09  chxsh 发布
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    干燥气体通常是良好的绝缘体,但当气体中存在自由带电粒子时,它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压,就有电流通过气体,这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同,气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式,也日益受到人们的重视。
      气体放电的基本物理过程  气体放电总的过程由一些基本过程构成,这些基本过程是:激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
      激发  荷能电子碰撞气体分子时,有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象,称为激发;被激发的原子,称为受激原子。要激发一个原子,使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量;这个能量所相应的电位差设为eVe,则有

    eVe=Em-E1

    电位Ve称为激发电位。实际上,即使电子能量等于或高于激发能量,碰撞未必都能引起激发,而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比,称为碰撞几率。
      受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂(约为10-6秒),便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量为hv(h为普朗克常数;v为辐射频率)的光量子。气体放电时伴随有发光现象,主要就是由于这个原因。
      在某些情况下,受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态,这时便称为处于亚稳状态,处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态:一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子,升到更高的能级,然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能,它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-4~10-2秒;由于它寿命较长,在放电中常常起重要的作用。
      当受激原子尚未回到基态时,如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积(逐次)激发。
      电离  电子与原子碰撞时,若电子能量足够高,还会导致原子外壳层电子的脱落,使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似,电子的动能必须达到或大于某一数值eVi,碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位,其大小视气体种类而定。同样,即使能量高于电离能,碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比,称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积(逐次)电离。
      在气体放电中还有一类重要的电离过程,即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位(如氖的亚稳原子碰撞氩原子)时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。
      消电离  如果将一切电离因素都去掉,则已电离的气体,会逐渐恢复为中性气体,这称为消电离。消电离的方式有三种:①电子先与中性原子结合成为负离子,然后负离子与正离子碰撞,复合成为两个中性原子。②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上,复合后变为中性原子离去。③电子与正离子直接复合。
      迁移  在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动,不断获得能量;一方面与气体分子碰撞,作无规则的热运动,不断损失能量。经若干次加速碰撞后,它们便达到等速运动状态,这时其平均速度u与电场强度E成正比

    u=KE

    系数K称为电子(离子)迁移率。对于离子,K是一个常数;对于电子,它并不是一个常数,而与电场强度E有关。
      扩散  当带电粒子在气体中的分布不均匀时,就出现沿浓度递减方向的运动,这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散,也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述,它是带电粒子扩散能力的一种量度。
      多种带电粒子同时存在于气体时,扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等(即等离子体)的情况,这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散,其基本特征是:电子由于质量小、扩散得较快;离子由于质量大,扩散得较慢。结果电子走在前方,于是两种电荷间出现一个电场(约束电场),这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致,但电子总是在前方,离子则在其后。
      在管壁附近,双极性扩散受到管壁的影响。此时,电子运动速度快,先附于管壁,使管壁带负电位。负电位阻止后来电子的抵达,但吸引正离子,在其附近形成正电荷鞘层。在鞘层中,电子的浓度随着接近管壁而递减,最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。
      气体放电的重要形式  最早研究的气体放电形式是低气压(1~100帕)直流放电,即在气体中置入两个电极,通以直流电压而得到的放电。为使电流不致过大,回路中串联一个电阻(即限流电阻)。若将电源电压逐渐提高,通过气体的电流就随之增大(图1,纵坐标为跨于两电极上的电压)。当极间电压提高到us时,电流突然急剧增加,放电变为明亮的形式,这称为着火,也称为击穿。着火之后,放电转入自持放电,在开始一段(SB段)为正常辉光放电,极间电压比着火前为低,且其数值不随电流增大而变化,呈现恒电压特性。当电流增大到某一数值(B点)时,极间电压又随电流而增大,这一段(BE段)属异常辉光放电。电流增大到E点时就转入电弧放电,此时极间电压将随电流增大而下降,呈现出负阻特性(ECDF段)。


      气体放电的着火是一种突变现象。 闸流管、计数管、气体放电开关管等器件便利用这种突变特性。利用正常辉光放电的恒电压特性即可制成气体放电稳压管。
      暗放电  暗放电主要是非自持放电(但自持放电的某些区域中有暗放电存在)。关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的,故这种放电也称为汤生放电。
      汤生理论的物理描述是:设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子,这个电子向阳极方向飞行,并与分子频繁碰撞,其中一些碰撞可能导致分子的电离,得到一个正离子和一个电子。新电子和原有电子一起,在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。这称为电子繁流(图2)。


      汤生根据上述物理描述,推导出抵达阳极的电子数目nu为


    式中n0为阴极发射的电子数;d为阴极阳极间距离;α为汤生第一电离系数。
      上式表明,电子数目随距离d指数增长。在一些光电器件中,特意充入一些惰性气体,使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流,以得到光电流的放大,提高器件的灵敏度。
      放电中产生的正离子最后都抵达阴极。正离子轰击阴极表面时,使阴极产生电子发射;这种离子轰击产生的次级电子发射,称为r过程。r过程使放电出现新的特点,这就是:r过程产生的次级电子也能参加繁流。如果同一时间内,由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数,放电就能自行维持而不依赖于外界电离源,这时就转化为自持放电。
      气体的着火电压取决于一系列因素。1889年,L.C.帕邢发现,对于平行平板电极系统,在其他条件相同时,着火电压是气体压力p与电极距离d乘积的函数,通称为巴邢定律。图3表示一些气体的着火电压与pd值的关系。由图可见,着火电压有一最低值。在最低值右边(右支),着火电压随pd的增大而提高,在其左边(左支),则随pd的减小而提高。在高电压设备中,各电极间的距离须足够大(即d值应足够大),有时还充以高压强(即取大的p值)的绝缘气体,以提高设备的耐压,就是利用右支的特性。反之,在真空电容器一类器件中,常将其内部抽至良好的真空(即达到小的p值),以提高其耐压,这是利用左支的特性。


      辉光放电  低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。若电极是安装在玻璃管内,在气体压力约为 100帕且所加电压适中时,放电就呈现出明暗相间的 8个区域(图4)。图中下方的曲线表示光强的分布,按从阴极到阳极的顺序分为7个区。


      ① 阿斯顿暗区:它是阴极前面的很薄的一层暗区,是F.W.阿斯顿于1968年在实验中发现的。在本区中,电子刚刚离开阴极,飞行距离尚短,从电场得到的能量不足以激发气体原子,因此没有发光。
      ② 阴极辉区:紧接于阿斯顿暗区,由于电子通过阿斯顿暗区后已具有足以激发原子的能量,在本区造成激发而形成的区域,当激发态原子恢复为基态时就发光。
      ③ 阴极暗区:又称克鲁克斯暗区。抵达本区域的电子,能量较高,有利于电离而不利于激发,因此发光微弱。
      ④ 负辉区;紧邻阴极暗区,且与阴极暗区有明显的分界。在分界线上发光最强,后逐渐变弱,并转入暗区,即后述的法拉第暗区。负辉区中的电子能量较为分散,既富于低能量的电子也富于高能量的电子。
      ⑤ 法拉第暗区:负辉区到正柱区的过渡区域。在本区中,电子能量很低,不发生激发或电离,因此是暗区。
      ⑥ 正辉柱区:与法拉第暗区有明显的边界,是电子在法拉第暗区中受到加速,具备了激发和电离的能力后在本区中激发电离原子形成的,因发光明亮故又称正辉柱。正辉柱区中电子、离子浓度很高(约1015~1016个/米3),且两者的浓度相等,因此称为等离子体。正柱区具有良好的导电性能;但它对放电的自持来说,不是必要的区域。在短的放电管中,正柱区甚至消失;在长的放电管中,它几乎可以充满整个管子。正柱区中轴向电场强度很小,因此迁移运动很弱,扩散运动(即乱向运动)占优势。
      ⑦ 阳极辉区和阳极暗区:只有在阳极支取的电流大于等离子区能正常提供的电流时才出现。它们在放电中不是典型的区域。
      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。
      异常辉光放电  辉光放电中,如果整个阴极已布满辉光,再增大支取的电流,则出现异常辉光放电(图1中 BE段)。此时阴极位降很大,且位降区的宽度减小。阴极位降大和电流密度大,会导致阴极材料的溅射。在放电器件中,溅射的吸气作用降低器件内气体压强并改变其气体成分,而溅射形成的导电膜则降低电极间绝缘。阴极溅射现象也可用作材料涂覆的一种手段,这就是溅射镀膜。
      电弧放电  如将辉光放电的限流电阻减小,则放电电流增大,并转入电弧放电(图1中CDF段)。电弧放电的特点是电流密度大而极间电压低,其自持依赖于新的电子发射机制,即热发射和冷发射。热发射是因正离子轰击阴极出现局部高温而产生的;冷发射则是因阴极表面存在局部强电场而引起的。前者称为热电子电弧,后者称为冷阴极电弧。作为强光源的碳极电弧就是热电子电弧;电力工业用的汞弧整流管则利用冷阴极电弧。
      电弧放电的一个重要特点是阴极上有阴极辉点。热电子电弧的辉点一般是固定不动的;冷阴极电弧如汞弧整流管液汞表面上的辉点是跳跃移动的。阴极辉点是电子发射的来源,其电流密度高达数百至数千安/厘米2。
      电弧放电的伏安特性随电极材料、气体种类、压力而异。大气中的碳极电弧呈现出典型的负阻特性,因此外电路中必须串有限流电阻,以稳定电流。
      电弧放电产生强烈的辐射,其强度随气体压力和电流密度而增大。放电区中温度最高点在一个大气压下约为4200K,在10个大气压下为6520K,在几十或几百大气压下达10000K。
      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。
      电晕放电  在气压较高而极间距离大时,不易得到自持放电。但是,如果一个或两个电极很尖(即曲率半径很小),形成很强的局部电场,则能导致气体的强烈激发和电离,并出现发光的薄层,称电晕层;电晕层外的区域,电场不足以激发和电离,呈黑暗状,称电晕外区。这种放电称电晕放电,是一种不完全击穿的自持放电。负离子发生器就是电晕放电的一种应用。
      火花放电  这是在电源电压较高,足以击穿气体,但电源功率不够大,不能维持持续放电时产生的一种放电。它仍然是一种自持放电,但瞬即熄灭,待电源电压恢复后,又重新放电。放电时电极间有丝状火花跳过电极空间,其路程则是随机的。自然界中的雷电,是一种大范围的火花放电,但在火花放电之前大多先出现电晕放电。
      火花放电的过程比汤生放电还要迅速。关于这种放电的理论,较为成功的是条带理论。这种理论认为:在强电场作用下,由外界催离素所产生的某一个电子,向阳极运动时将引起强烈的电离及激发,并形成电子繁流。这种单个电子形成的繁流称为负条带。形成负条带的同时,出现强烈的短波辐射,在空间引起光电离;光电离产生的光电子,又能发展成一些较小的负条带。当条带较多时,便汇成一个强大的负条带,迅速向阳极飞去。详细的分析表明,还存在从阳极飞往阴极的条带,即正条带。正负条带造成两电极间的导电通路,使强大的电流脉冲得以通过气体,这就是火花放电的着火。
      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。
      高频放电与微波放电  通常,如果放电管电极的电极性改变,放电的方向也改变。但这仅是在频率很低的情况下才如此。如50赫市电点燃荧光灯时就是这样。但当频率提高时,放电来不及熄灭,因而呈现为稳定放电的形式:正辉柱位于两电极中间,正辉柱两边均有法拉第暗区,然后是两个负辉区紧邻两个电极。这就是高频放电。高频放电中,带电粒子来回运动,损失的速度很慢,因此无需r过程也能维持放电,故可将电极移至管壳之外,仅借助电场就可在管内引起放电。若将通有高频电流的线圈套在管外,借助交变电磁场的作用也能激起高频放电。
      频率在几百兆赫至几百吉赫的高频放电,属于微波气体放电。依据微波放电原理制成的天线开关管,广泛应用在雷达工程中。高频放电离子源,是核物理、等离子体化学的重要研究工具。微波放电线光谱辐射源、连续光谱辐射源等,应用于物理学、化学的研究工作中。在近代微电子技术中,利用高频溅射的方法可避免静电荷的影响。在可控核聚变研究中,微波放电可用作初始等离子体源,微波放电还可作为介质,用以研究波的传播、转化、吸收、等离子体稳定性、扩散、紊流等过程。
      脉冲放电  在脉冲电压作用下引起的气体放电,就是脉冲放电。脉冲放电视脉冲电源的具体型式分为单脉冲放电、重复脉冲放电和高频脉冲放电等,高频脉冲放电时,通过气体的脉冲电流的曲线是变幅高频交流振荡曲线的包络线。
      最简单的脉冲放电是由一电容储能电路击穿一个火花隙而得到的;放电装置则串接在火花隙中,火花隙击穿时装置中亦就得到了脉冲放电。
      脉冲放电的过程,可以分成三个阶段:①脉冲形成阶段,即火花隙间加上电压,气体电离及击穿并使放电充满整个装置;②维持阶段,此时电容器中的能量继续通过放电通道,放电空间出现强烈的电离和激发;③放电熄灭阶段,即随着电容器上电压的降低,放电逐渐衰弱,最后不能自持时,放电就自行熄灭。
      脉冲放电时激发和电离很强烈,各种过程导致的辐射及粒子数反转现象极其丰富,可用于制造各种脉冲气体激光器。微波工程中的天线开关管、作为固体激光器光泵用的脉冲氙灯、脉冲离子源和摄影用闪光灯,都是脉冲放电的应用。

    10-03-09 | 添加评论 | 打赏

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