2.14 气体中的放电现象
2.14.1 气体的电离
电子与气体分子或原子碰撞时，如果电子能量很低，则不能引起分子或原子状态的变化，只是弹性碰撞。当电子能量足够高时，则碰撞会以某一概率引起气体分子或原子的激发或电离，这就是非弹性碰撞。
所谓激发，是原子或分子的一个外部价电子跃迁到较高的能级去的现象。激发，还可能改变了分子的转动能级或振动能级。所谓电离，就是一个或多个价电子脱离原子或分子的现象。原子电离后形成原子离子。分子电离后除了形成分子离子外，也有将分子离解而形成原子离子的。结构复杂的分子在遭受电子碰撞后常常分解为较简单的分子。
足以引起气体电离的电子能量叫电离能。电离能所对应的电位称电离电位。表2-32列出了一些气体（蒸气）的电离电位。
表2-32 一些气体（蒸气）的电离电位
电子与气体分子碰撞，并不是每次碰撞都能引起电离。引起电离的碰撞数与总碰撞数之比，就称为电离概率。电离概率与电子能量有关，通常先随电子能量增高而增大，达到最大值后逐渐下降。一些气体电离概率的实验曲线见图2-19与图2-20。
图2-19 电离概率与电子能量的关系
图2-20 击穿电压附近的电离概率
在真空技术中，利用气体电离原理制成电离规、冷规、B-A规用于真空测量中。
2.14.2 气体放电
所谓气体放电，即当气体原子或分子受到外界某种能量作用而形成荷能粒子（电子、正离子、负离子）。气体变成导体，当有电场存在时，带电粒子便产生定向运动。
（1） 气体放电的特点
①气体本身不存在可以参与导电的带电粒子。气体导电是由于自然界存在的各种辐射线（紫外线、宇宙射线、放射性元素放射的γ射线等）的光子与气体分子碰撞，或参与导电的电子和正离子通过气体时和气体分子碰撞，而使气体分子电离的结果。
②在恒定温度下，气体的电导率由电子密度n及平均自由程
决定。它是随外界条件、电场强度E、气体的压力p等变化而变化的变量。
③电子从电场中获得的能量，主要可以转化为分子热运动的能量；
a.通过和气体分子的弹性碰撞转化为分子热运动的能量；
b.通过激发碰撞转化为激发能；
c.通过电离碰撞转化为电离能；
d.通过和电极碰撞将能量转交给电极。
（2） 气体放电的伏-安特性
放电管内平板电极之间气体放电的伏-安特性曲线，见图2-21。
图2-21 气体放电的伏-安特性曲线
特性曲线：OA段是空间的自然带电粒子在电场作用下向电极移动时形成的电流；AB段是原始带电粒子全部到达电极时电流出现饱和的情况；BD段是继续增加电压，原始带电粒子的速度不断增大，这些粒子和中性分子碰撞，使之电离而产生繁衍过程亦即繁流（雪崩）放电；D点处管内电流突增，电压随即降低，管内出现可见光辉，D点称崩溃或着火点；在EF段，不论增加电压或减小电阻而使电流增加时，管压保持恒定，这是正常辉光放电；在FG段，电流增大时管压随之增加，这是异常辉光放电；GH段是放电电流增加到一定值后，电流继续增加，管压又一次迅速降低，且电流增加很大，这就是弧光放电，在弧光放电中具有负电阻效应。从放电的自持情况来看，OC段属非自持放电；CD段虽然开始满足了自持放电条件，但还是不稳定的自持放电；DE段为过渡区；从E点开始，以后都是稳定的自持放电。
（3） 着火电压和帕邢定律
当加在阴极与阳极之间的电压增大到某一数值时，放电从非自持放电转变为自持放电，放电电流会大幅度增大。非自持放电过渡到自持放电的突变过程称为崩溃（着火或点燃），对应的电压称为着火电压。
发生崩溃的条件是
（2-105）
或
（2-106）
式中 α——电离系数，即1个电子在电场方向经过1cm的路程中发生的电离碰撞数；
Vs——着火电压；
E——电场强度；
d——两极间距离；
γ——二次发射系数。
着火电压相当于放电伏-安曲线上D点的电压，数值上决定于气体的压力p、极间距离d，即
（2-107）
这就是帕邢定律，即着火电压是气体压力p与极间距离d的乘积的函数。不论p与d本身的数值大小如何，只要pd的乘积不变，Vs也不会改变。部分气体的帕邢曲线如图2-22所示。
图2-22 部分气体的帕邢曲线
由帕邢曲线可知，着火电压先随pd值的增加而降低，当达到一个最小值后又随pd值的增加而增加。各种不同电极材料在各种气体情况下最低的着火电压与相关的pd值见表2-33。
表2-33 最低的着火电压（Vs）min与相关的（pd）min值
2.14.3 辉光放电
辉光放电是在满足着火条件后立即发生的一种自持辉光放电。它的显著特点是从阴极至负电辉区有几百伏左右的电位变化。
辉光放电分正常辉光放电和异常辉光放电。放电开始时，辉光只覆盖一部分阴极表面，这就是正常辉光放电。随着放电电流的增加，辉光逐渐扩展到整个阴极表面，这就是异常辉光放电。
辉光放电的整个放电空间为明暗相间的光层所分隔，而大多数的光层分布在紧靠阴极的位置。图2-23示出了辉光放电的形貌及各种参量的分布情况。
图2-23 辉光放电形貌及参量分布
辉光放电空间可分为几个区域：
区域Ⅰ——阿斯顿暗区，不发生电离和激发；
区域Ⅱ——阴极辉区，气体分子激发发光；
区域Ⅲ——阴极暗区，产生很强电离，具有很高正离子浓度，有较强的空间电荷；
区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ总称阴极位降区，是辉光放电的特征区域；
区域Ⅳ——负辉区，光度最强，有较强的负空间电荷；
区域Ⅴ——法拉第暗区，电离和激发都很小；
区域Ⅵ——正柱区，等离子区；
区域Ⅶ——阳极区，该区的存在与否决定于外线路电流大小、阳极面积和形状。
辉光放电的应用很广，如利用辉光作光源（日光灯、霓虹灯、钠光灯）；利用辉光放电奇异的伏-安曲线做成各种辉光电真空器件；利用辉光放电中正离子轰击阴极现象做镀膜机的蒸发热源及其他阴极溅射设备；利用辉光放电的理论基础而发展的辉光离子氮化技术（真空离子氮化炉）。
2.14.4 弧光放电
弧光放电是一种低电压、大电流的放电。 它是当异常辉光放电达到峰值以后，如果电流继续增加，放电电压将迅速降低。当电流增加到1A以上时，电压将下降到40V左右，这时，阴极遭到离子的强烈轰击后，温度升高并产生阴极蒸发，在阴极附近窄的范围内产生很高的气压，形成极强的正空间电荷层，因而产生热电子发射或强电场发射，放电管中将出现耀眼的弧光，这就是弧光放电。由于弧光放电的电子发射率很高，很小的发射面积就能产生很大的电流。发射电子只是电场最强或逸出功最低的很小阴极部分，因而，弧光放电有一很小而极亮的辉点。辉点电流密度高达数千安每平方厘米以上。某些阴极弧光放电时辉点电流密度见表2-34。表中“真空”实际上是在该阴极材料的蒸气中。
表2-34 弧光放电时辉点的电流密度
弧光放电时的电位分布见图2-24。它和辉光放电时的电位分布很相似。两者的差别在于：弧光放电时阴极位降区的宽度比辉光放电时小很多（一般只有几个平均自由程），负辉区和法拉第暗区已消失，阴极位降区直接向正柱区过渡。弧区的温度很高，气体分子的电离和激发很强，形成电荷密度较大的等离子区。阳极位降区的电位降比辉光放电时大。
图2-24 弧光放电时的电位分布
dk—阴极位降区宽度；Vk—阴极位降；Va—阳极位降；V弧—弧区位降
根据阴极释放电子的方式不同，弧光放电可分为热电弧光、场致弧光和热电子弧光三类。热电弧光是由难熔金属（如钨）阴极，在离子的轰击下，达到很高的温度后产生的热电子发射引起的；场致弧光是利用蒸发温度低的物质作阴极（如汞阴极），阴极受高速正离子的轰击后引起大量阴极物质的蒸发，因而在阴极表面形成强电场，在强电场的作用下，使阴极表面产生场致发射，所以又叫冷电弧。热电子弧光则是将阴极改用热阴极（氧化物阴极）。当阴极加热时获得大量的热电子发射而产生弧光放电，这种放电称为热电子弧光。
弧光放电有三个主要特点：
①有很高的温度，利用它可作为热源来熔化金属、焊接金属。
②有很强烈的弧光，利用它可制作成各种电光源用于照明、显示、防空等。
③大电流、低电压，有负电特性，利用这一原理可制造电弧炉等设备。
2.14.5 火花放电
在大气压下，由非自持放电向自持放电过渡时，如果电源功率不足以产生和维持稳定的弧光放电时，那么，依不同的放电间隔形状，就会产生火花放电或电晕放电。而在频率较高的交变电磁场作用下，将产生高频放电。如果气体在电场和磁场联合作用下，电子在一特定空间作一定轨迹的运动，形成潘宁放电。
火花放电是一束明亮曲折而又分叉的细丝，它们很快地穿过放电间隙，又很快地熄灭，并且总是一个接一个地交替着。发亮的细丝常常在放电间隔中间任意地点中断而达不到对面的电极。放电的路径有时从负电极开始发展，有时从正电极开始发展，有时从放电间隔中间某一点开始发展。
火花放电是在很大的气压下发生，因此，着火电压很高。当放电间隔被击穿后，放电间隔内只有很小的电压。如果电源没有足够的功率，短时间的强大电流脉冲，在火花路径里通过后放电马上终止，电极间的电压又上升到原来的值，此时又重新发生火花放电。火花放电是一种短时间的快速放电，从施加电压到电火花形成可以不超过10-7s。电压升高的时间随火花间隙电极间的电容的增加而加长。
火花放电在工业生产中应用，如：
①火花放电是在一定的高压下出现的，因此，火花的出现便可作为两极间的电压达到某一高压的标志，在高压试验中便可用来测高压；
②当电极间的距离一定，供给的电功率一定时，两次火花放电之间的时间间隔是一定的，因此，可利用它来记录时间；
③当外界带电粒子在放电气体中出现时，火花放电会得到加强。利用这一特点可制造测定放射性强度的计数仪等；
④利用火花放电原理制成玻璃真空系统检漏仪器——火花检漏仪。
2.14.6 电晕放电
在高的气压下，由于一个或两个电极表面曲率半径很小，以致放电间隔的电场非常不均匀时就会发生电晕放电。电晕放电发生在靠近曲率半径小的电极的很薄的一层里，该层称为电晕层。电晕放电的电流强度决定于加在电极间的电压、电极形状和极间距离、气体种类和密度，不需要外界的电离源来维持放电，所以，电晕放电是一种自持放电。但是，电晕放电的电流不取决于外电路的电阻，而取决于放电外围区域的电导。电晕有正负电晕之分，在阴极附近形成的电晕称为负电晕，在阳极附近形成的电晕称为正电晕。负电晕中的放电过程和辉光放电中阴极位降区的放电过程相似，自持条件是由阴极发射出的二次电子来保证的。正电晕是由繁衍过程所引起的自持放电，而自持条件是由电晕层中激发所产生的光子轰击电晕外围原子的光电离来保证的。
电晕放电在工业生产中的应用也不少，如静电除尘器、电晕放电计数管、电晕放电高压稳压管等。
2.14.7 潘宁放电
潘宁放电装置如图2-25所示。由阳极筒A和两片阴极K组成。由宇宙射线或场致发射所产生的初始电子，在电场及磁场的作用下，在两片阴极板之间作螺旋运动，不断和气体分子碰撞，使之电离，这就是潘宁放电的基本原理。电子与气体分子多次碰撞后，被阳极所吸收。电离产生的离子，由于质量大，其运动不受电磁场的影响，以直线运动方式，打到阴极上，使阴极发射出二次电子，并参与电离气体过程，如此不断发展后，建立起稳定的自持放电。一个电子，由于电磁场对其运动的限制，它在空间运动时间很长，即使真空度较高，亦能满足自持放电条件。
图2-25 潘宁放电装置
潘宁放电的主要优点是：
①这种放电过程完全不需热阴极，因而在真空系统中不怕因突然暴露大气而氧化甚至烧毁；
②没有高温钨丝产生的化学清除效应，因而不会影响真空仪器准确读数；
③无需控制电子发射；
④放电线路和装置简单。
在真空技术中，利用潘宁放电原理制成了冷阴极规以及溅射离子泵。