均匀电场中气体放电过程的分析

宋领赟　唐红霞　绥化学院电气工程学院　152061



均匀电场中气体放电过程的分析

宋领赟唐红霞绥化学院电气工程学院152061

黑龙江省教育厅科学技术研究项目，项目编号:12531838

【文章摘要】

在自然界中，气体放电是一种很普遍的自然现象。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。气体放电与电场的形式、电压的种类及大气条件等因素有关，本文主要分析均匀电场中低气压、短间隙和高气压、长间隙的放电过程，同时对两种放电理论加以阐述和比较。

【关键词】

电子崩；汤逊理论；流注理论

1　电子崩的形成与发展

设外界游离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子由于受到电场力的作用而向阳极方向运动，运动过程会频繁的与气体分子发生碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个电子和一个正离子。在电场的作用下新电子和原有电子会继续向前运动，与气体分子碰撞又能引起新的电离过程，电子数目成倍增加像雪崩一样发展，因而称之为电子崩。如图1所示：

图1　电子崩形成示意图

2　低气压、短间隙下的气体放电

2.1自持放电与非自持放电

2.2汤逊理论

低气压、短间隙的放电过程可以用汤逊理论来解释，此时指δ·d<0.26cm的情况（δ指气体的相对密度，d指间隙的距离）。当外施电压足够高时，气体中会发生强烈的游离过程，使气体中的自由电子数和正离子数按几何级数增加，即出现电子崩。由于正离子的体积和质量相对较大，其平均自由程比电子要小得多，所以很难发生碰撞游离。但如果场强足够强，因碰撞游离而产生的新的正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极，如果至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个由于外界游离因素产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电，这就是汤逊放电理论的叙述过程。

3　高气压、长间隙下的气体放电

当δ与d的乘积较大时，有一些现象用汤逊理论就解释不清楚了，比如放电时间、阴极材料的影响、放电外形等。针对汤逊放电理论的不足，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。

3.1流注的形成条件

形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。

3.2流注自持放电条件（即形成流注的条件）

流注的形成需要初崩头部的电荷达到一定的数量，使电场发生足够的畸变和加强，并造成足够的空间光游离。一般认为，当αd≈20 或eαd≈108即可满足上述条件，使流注得以形成，而一旦形成流注放电便转入自持。

4　汤逊放电理论与流注放电理论的比较

汤逊理论的实质为气体放电的主要原因是电子碰撞游离，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。流注理论认为形的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。

注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，且有时火花通道呈曲折形，又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间，再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。

【参考文献】

[1]张红.高电压技术[M].北京:中国电力出版社，2006

[2]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社，2007

[3]王丽.高电压技术[M].北京:中国电力出版社，2010