辉光放电

辉光放电（Glow discharge）

辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。

§6.1 辉光放电的产生及典型条件

最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A

特性曲线。管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。

辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）；

弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。

辉光放电的典型条件：

①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似

均匀。

②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内

电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电；

③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电

压U b，否则不能起辉。

§6.2 辉光放电的组成区域和基本特征

对于一对平行平板放电电极，典型的辉光放电外貌

如图6.2(a)。从阿斯顿暗区到负辉区称为阴极位降区或阴

极区。下面对各放电区一一进行介绍。

1、阿斯顿暗区（Aston Dark Space）：

它是仅靠阴极的一层很薄的暗区，是有Aston首先

在H2、He、Ne放电中观察到的放电暗区，所以称为阿

斯顿暗区。阿斯顿暗区的厚度与气体压强P成反比（正

常辉光放电的Pd n值为常数）。

为什么是暗区呢？我们知道，发光是自发辐射现象。

电子从阴极出来，进入电场很强的区域被电场加速，但

在阴极附近，电子速度很低，电子能量低于气体的最低

激发态的激发能，还不能产生碰撞激发，所以该区域没

有辐射发光存在，故为暗区。

有人已从实验上证明了阴极到阴极光层的电位差相

当于激发电位（5~10V），样品气体的最低激发电位不同，

阿斯顿暗区的厚度也不同，激发电位↑，阿斯顿暗区厚

度↑。

2、阴极光层（Cathode Layer）:

仅靠阿斯顿暗区是一层很薄、很弱的发光层。当放

电气体压强P很大时，阿斯顿暗区与阴极发光层几乎分

不清楚。

在阴极发光层区，由阿斯顿暗区过来的电子能量已

经达到气体粒子的激发电位所对应的激发能（在He气体

中测量此处的电子能量正好等于He的第一激发态的激

发能），所以该区域气体会发出微弱的荧光，呈现为发光

较弱的发光层。

3、阴极暗区（Cathode Dark Space）:

紧靠阴极光层是一发光极弱的阴极暗区，阴极暗区

与阴极发光层没有明显的界限。

前面讲过，进入阴极发光层的电子能量刚好达到第一激发电位，碰撞激发效率比较高，而进入阴极暗区的电子，由于电场的继续加速，电子能量超过激发函数最大值对应的电子越来越多（1.5~2倍激发能），所以碰撞激发几率降低，导致发光减弱，特别是被明亮的负辉区衬托，成为阴极暗区。在阴极暗区，电子能量已超过第一电离能，所以在这个区域内产生大量的碰撞电离，雪崩放电就集中在这一区域内。由于阿

斯顿暗区到阴极暗区的区间，是放电管内电场强度最强的区域，所以此区域内电子运动是以定向运动为主。

4、负辉区（Negative Glow）:

在辉光放电中，负辉区是发光最强的区域。因为负辉区亮度大，所以看起来与阴极暗区有明显界限。

电子经过前面各区域的加速，进入负辉区的电子基本上可分成两大类：

第一类是快电子，这部分电子从阴极附近产生后，一直被电场加速到负辉区，这部分电子占一小部分；

第二类是慢电子，这部分电子从阴极发射出来，虽然经过电场加速，经历了多次非弹性碰撞，电子能量小于电离能，但可以大于或接近激发能，这部分电子占大部分，这些电子在负辉区产生许多碰撞激发，所以会有明亮的辉光。

该区域的电场强度E~0，所以快电子少，慢电子多，由于电子的速度相对比较小，空间复合的几率会有所增大。

由阿斯顿暗区到负辉区是辉光放电不可缺少的区域，主要的管压降（70~400V）就集中在该区域内，所以被称为阴极位降区或阴极区。

5、法拉第暗区（Faraday Dark Space）：

穿过负辉区，就是法拉第暗区。一般法拉第暗区比上述各区域都厚。大部分电子在负辉区经历了多次非弹性碰撞，损失了很多能量，且负辉区E~0，电子无加速过程，所以从负辉区进入法拉第暗区的电子能量比较低，不足以产生激发和电离，所以不发光，形成一个暗区。从电场分布可以看出，进入法拉第暗区后，电场强度又开始E＞0，但比较弱，电子又被加速，这样慢电子通过法拉第暗区加速成快电子，进入正柱区。

由阿斯顿暗区---法拉第暗区五个区域组成的放电部分称为阴极部分。

6、正柱区（Positive Column）：

又称为正光柱（细放电管内充满光柱）。在低气压情况下，正柱区为均匀的光柱；当气压较高时，会出现明暗相间的层状光柱（辉纹），条件不同，辉纹状态不同。有时辉纹还会在放电管内滚动。

正柱区内，电场E沿管轴方向分布是均匀的，即电场强度E近似为一常数值。因此在正柱区内空间电荷等于0，即在正柱区的任何位置电子密度与正离子密度都相等，对外不呈电性，所以又称为等离子体区。由于正离子迁移速率很小，所以放电电流主要是电子流，正离子的作用主要是抵消电子的空间电荷效应。从电场强度上看，正柱区的场强比阴极位降区场强小几个量级，所以正柱区的电子运动主要是乱向运动，电子的能量分布符合Boltzman-Maxwell热分布。

7、阳极区（Anode Space）：

位于正柱区与阳极之间的区域为阳极区。有时可以观察到阳极暗区(Anode Dark Space)和阳极表面处的阳极辉光（Anode Glow）。

对于阳极区，放电电流较大时，在靠近正柱区一端，电子被阳极吸引，而正离子被阳极排斥，⇒使

得阳极区产生负的空间电荷⇒电场强度↑，电位↑↑，⇒阳极位降。这样从正柱区出来的电子在阳极暗区加速，在阳极前产生碰撞激发和电离，⇒阳极表面形成一层发光层----阳极辉光层。

总结：从外观上看：各发光区中，以负辉区最亮，正柱区居中，阳极光层最弱；

电场分布：阴极位降区最强，正柱区为稳定场强区，该区域轴向场强为均匀分布；

电位降分布：放电管的压降主要集中在阴极位降区；