气体放电作业

气体放电理论分析就引用

1、引言：

气体中流通电流的各种形式统称气体放电，处于正常状态并隔绝各种外电离因素的气体是完全不导电的，但空气中总会有来自空间的各种辐射，总会有少量带电质点，一般情况下每立方厘米空气中有约500-1000对离子。气体放电等离子体作为物质的第四态，其物性及规律与固态、液态、气态的各不相同。气态放电等离子体是由电子、各种离子、原子组成的，远比气体、液体、固体复杂，其中发生着大量各不相同的基本过程。气体放电时等离子体物理的一个重要组成部分，气体放电现象时通过气体以后由电离了的气体表现出来的。研究气体放电的目的是要了解这种电离了的气体在各种条件下的宏观现象及其性质，同时研究其中所发生的的微观过程，并进一步把这两者联系起来，由表及里地掌握气体放电的机理。由此可见气体放电现象的主要任务是研究各种气体放电现象的物理过程及其内在规律。在自然界和人们的日常生活中经常会碰到气体放电现象，犹如大气的电离层、太阳风、日冕和闪电等都是自然界的气体放电现象。现在对气体放电的类型进行分类阐述并对其应用前景进行研究探讨。

2、气体放电的分类

在不同的物理条件下，由于占主导地位的基本物理过程不同，会产生各种不同形式的气体放电现象。按维持放电是否必须有外界电离源把放电分为非自持放电和自持放电；按放电参量是否随时间变化分为稳态放电和非稳态放电；可根据阴极的工作方式分为冷阴极放电和热阴极放电；可按工作气压的高低分为低气压放电、高气压放电和超高压放电；根据以哪一种基本过程占优势以及电子离子在放电过程中运动的特点为依据可以分为：

辉光放电：辉光放电充满整过电极空间，电流密度较小，一般为1mA/cm2 -5mA/cm2,整个空隙仍呈上升的伏安特性，处于绝缘状态。

电晕放电：高场强度电极附近出现发光的薄层，电流值也不大，整个空隙仍处于绝缘状态。

刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续放电通道，电流增大，但此时间隙仍未被击穿。

火花放电：贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，间隙由一次次火花放电间歇地被击穿。

气体放电过程描述框图：

图1气体放电过程描述框图

3、汤生放电理论

气体放电过程应包括：启始放电和稳定放电。气体放电是如何形成的呢？英国物理学家汤生在1910年第一个提出了“雪崩”气体放电理论，适用范围是非自持暗放电区及过渡区；1931~1932年，罗果夫斯基在考虑了空间电荷使放电间隙中电场发生畸变，对汤生理论做了重要补充，使适用范围扩展到了自持暗放电和辉光放电区。所以人们通常把电子雪崩放电理论称为汤生--罗果夫斯基理论。

在1901~1903年，汤生在斯托列托夫实验基础上，完成了著名的汤生实验。实验装置如图2。是由一个大直径放电室中的可调节极间距的平行平板电极系统组成。

阳极板A为一块镀有导电膜的石英圆平板，即可以透射紫外光，有可以作为放电电极；阴极C为放电间隔可调节的金属圆平板，A、C组成了放电系统，放电间隔d可调节范围5~20mm。紫外光可以通过石英窗片P、A照射到阴极C 上，使阴极C表面发射电子。气体压强P=13~665Pa，电源电压VD=0~400V。

4 、气体放电现象的应用

（1）辉光放电的应用

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。

利用辉光放电原理工作的辉光放电质谱仪，它具有灵敏度高、检测限低、干扰较小的优点，在分析固体样品中比电感耦合等离子体质谱仪更有优势和潜力。专家们认为，辉光质谱仪的潜力仍未得到开发，但已经在电子学、冶金、航空航天、化学、材料、地质等领域得到广泛的应用，在金属和半导体的分析中显示出它的优越性。对绝缘体、粉沫、液体、有机物和生物样品的分析应用也正在积极

进行研究和完善，未来的辉光质谱仪势必在元素分析领域占据举足轻重的位置。

（2）电弧放电的应用

电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。

在电力系统中，开关分断电路时会出现电弧放电。由于电弧弧柱的电位梯度小，如大气中几百安以上电弧电位梯度只有15伏/厘米左右。在大气中开关分断100千伏5安电路时，电弧长度超过7米。电流再大，电弧长度可达30米。因此要求高压开关能够迅速地在很小的封闭容器内使电弧熄灭，为此，专门设计出各种各样的灭弧室。灭弧室的基本类型有：①采用六氟化硫、真空和油等介质；

②采用气吹、磁吹等方式快速从电弧中导出能量；③迅速拉长电弧等。直流电弧要比交流电弧难以熄灭。

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。

（3）电晕放电的应用

了解了电晕放电的原理和机制以后，我们很容易看出在我们的日常生活中很多时候都是要消除电晕放电的。电晕放电通常会给我们的生活和生产带来不必要的困难，在我们对它有了正确的认识之后，我们就得想方设法去解决它所带来的难题。目前人们已经找到合适的方法消除电晕放电带来的负面因素。

虽然电晕放电给人们的生产、生活带来一些不便，但是我们却也不能全盘否定它。在日常生活中，电晕放电还是有其广泛的用途的。电晕放电日益广泛应用

于静电除尘器和预荷电器的同时,也有很多新的应用,例如,杀菌、在化工中的应用、物质分离和臭氧的制备等。为了增加电晕放电在应用中的效率,就必须增加电晕放电电流。近年来,一些研究者采用了磁场增强电晕技术来增加放电电流,并对其中的一些现象进行了研究,指出磁场对电晕放电的影响主要是拉莫运动,也报道了磁场对光电离的影响,同时也影响碰撞、附着以及电子雪崩的发展等。这些都充分体现了电晕放电的应用。

（4）火花放电的应用

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。

在当前的科学领域，科学家们已经利用火花放电产生的紫外线进行实验，验证紫外线具有荧光效应、化学作用、消毒灭菌作用。众所周知，紫外线是波长约为5 nm～370 nm的一种射线。一切高温物体如太阳、弧光灯发出的光中都含有紫外线。利用气体放电、火花放电也可以产生较强紫外线。经过研究发现，利用电子感应圈电极之间的火花放电产生的紫外线，以及臭氧可以进行消毒灭菌实验。

5 、结论

气体放电现象在日常生活中很普遍也很常见，如闪电，照明灯等。辉光质谱仪已经在诸多领域中取得广泛的应用，但专家认为，其潜力仍未得到开发，假以时日，辉光质谱仪势必在元素分析领域占据举足轻重的位置。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