浅谈气体放电理论及研究

浅谈气体放电理论及研究

摘要：介绍了气体放电的基本理论和类型，列举气体放电实验的一些研究方法。针对性地提出了气体放电的研究前景。

关键字：气体放电介质离子

1.引言

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。

2.气体放电的基本理论

气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。2.1 汤森放电理论

1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(j．s．townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。电子雪崩中的正离子随着放电

的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。

2.2流注理论

针对汤森放电理论的不足，1940年左右，h．raether及loeb、meek等人提出了流注(streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。

3.气体放电的基本类型

气体在不同的条件下，在物理特性方面也有一些差异，这就导致了气体在不同压强，电压等条件下存在不同的放电类型。

3.1自持放电

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。

3.2 辉光放电

辉光放电是低压气体中显示辉光的气体放电现象。在置有板状电极的玻璃管内充入低压气体或蒸气，当两极间电压较高时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。

3.3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。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。

3.4 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。

3.5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。

4.气体放电的研究现状及研究方法

根据研究目的来分，气体放电的研究可分为理论研究和应用研究。理论研究侧重于研究气体放电的物理过程、等离子体性质、放电机理及稳定机制，着重解决如何产生、稳定和控制等离子体的问题，探究各种放电的机理。而应用研究则是在理论研究的基础上，研究低温等离子体在各种实际问题中的应用技术。应用研究多采用实验研究的方法，针对某一具体应用问题，设计相应的等离子体产生、控制装置，分析实验现象，评判实验效果，并设计出实用乃至工用的设备装置。

在研究方法上，有实验研究、数值模拟和仿真研究等。

4.1实验研究

实验研究是目前气体放电研究中采用最多的一种方法。根据研究目的，设计出相应的放电装置，选取一定的测量或观察方法，观察实验现象，分析实验结果。在实验设计中，提出一定的假设或研究物理量，并根据假设设定一定的变量；通过改变这些变量进行多次实验，对假设进行效果检验和可行性分析。

在实验研究以及工业应用中，等离子体参数诊断技术是特别重要的。目前比较成熟的等离子参数诊断方法有langmiur探针、微波干涉、激光thomson散射和光谱法等。

4.2数值模拟

数值模拟方法是采用一定的数学模型，对大气压气体放电的时空演变过程进行仿真，计算放电间隙的电压、电流、电子离子密度等参量，分析气体放电的物理规律（物理过程、等离子体性质、放电机理、稳定机制等）。由于大气压下气体放电过程是一个典型的非线性过程，不同非线性机制的相互作用对于放电具有非常重要的影响，理论研究与数值模拟能有助于我们理解放电的机理，从而可以控制和优化放电过程。通过比较数值模拟结果与实验观测，可以对放电过程有更为清晰的了解，从而可以优化已有的实验，使得实验结果更能符合实际应用的要求，以至可以设计出更为合理的实验装置。

4.3仿真研究

除了实验研究和数值模拟外，南京科技大学的章程等采用simulink对介质阻挡放电进行仿真，以及采用可变电阻、齐纳二极管或可控硅开关控制的电阻器来模拟介质阻挡放电的微放电过程，并采用pspice等电路仿真软件来实现对介质阻挡放电的仿真等，获得了良好效果。

5.气体放电实验的研究前景

近20年来介质阻挡放电及其应用技术研究取得了飞速发展。由于介质阻挡放电可以在大气压或高于大气压条件下实现大体积宏观均匀而强烈的微放电，使得介质阻挡放电技术可以广泛的被应用