下面以一个典型的气体放电实验为例来说明放电特性。
图3-1 直流 放电管电路 示意图
-
阴极
-
高电压电源 + Va
I
V 放电管
等离子体 阳离子 + （离子）
可调镇流电阻
阴离子
+
（电子）
电极
真空泵
阳极
暗放电
辉光放电
汤森区
VB
电晕
击穿电压
弧光放电
电压 /Ｖ
H
辉光到弧光的跃变
I V<1/I
饱和区
G
热弧
本底电离
3 等离子体发生 技术
3.1 气体放电特性与原理
气体放电一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体 电离，形成能导电的电离气体，如果电离气体是通过电场产 生的，这种现象称为气体放电。
气体放电应用较广的形式有电晕放电、辉光放电、无声 放电（又称介质阻挡放电）、微波放电和射频放电等，气体 放电性质和采用的电场种类及施加的电场参数有关。
发射二次电子。 γ系数也叫汤森第二电离系数，他比汤森第 一电离系数要小。
气体放电击穿是一复杂过程，通常都是由电子雪崩开始， 从初级电子电离相继在串级电离过程中增值。一旦汤森电离 系数α随电场增强而变得足够大时，此时的电流就从非自持 达到了自持过程，也就发生了电击穿。对于汤森放电击穿的 临界电场中电压VB的计算，可用下面的半经验方程式来判断。 此方程称为帕邢定律。 3.1.2 帕邢定律
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（5）电晕放电的电压降不取决于外电路的电阻，而 是取决于放电迁移区（电离区之外的区域）的电导。
（6）电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极 的极性，如果小曲率半径电极带正电位，发生的电 晕称正电晕，反之称负电晕。
（7）如果电场不够均匀，并且对于一定的阳极，间 隙有足够的长度，将出现放电流柱。这种流柱是电 晕电放电的，且有明显的、比较亮而长的电晕光形 成，并发出大量噪声。
A*+B——A+B++e+ΔE A*是一种激发态原子与中性原子B碰撞，转移激发 能并使B原子电离的过程。从能量守恒的要求，A* 原子的激发能应该大于或至少等于B原子的电离能。
3.2放电等离子体发生形式与放电类型
❖ 3.2.1 电晕放电
电晕放电过程：
电晕放电是一种自持放电。在具有强电场的电极表面附 近有强烈的激发和电离，并伴随明显的亮光，此处称为电晕 层。
正常 辉光
异常 冷弧 J 辉光
K
10-10 10-8
10-6
10-4 10-2
1 100 1000
电流I/A
图3-2 气体放电伏安特性曲线
3.1.1 汤森放电 （1）电子碰撞电离——α电离过程 汤森第一电离系数α为
Ap exp( ApVi / E)
式中，p为气体压力；Vi为气体分子的电离电位；E为电场强度； A为与气体性质有关的常数，可由实验获得。 （2）正离子碰撞电离——β电离过程
几种不同形式的电晕放电 正电晕
+
+
+
+
（a）爆发式 （b）流光 （c）辉光 （d）火花放电
脉冲电晕 电晕
电晕
V↑
图3-3 电晕放电的不同形式
负电晕
-
-
-
（e）特里切尔（f）无脉冲电晕（g）火花放电 脉冲电晕 图3-3 电晕放电的不同形式
❖ 3.2.2 火花放电
火花放电过程
火花放电过程是随机闪现的，在发生火花放电之前， 电极之间只有极小的电流，所以在外电路电阻上的电压 降很小，极间电压降差不多就等于电源电压。当极间电 压升高到着火电压时，发生火花放电。此时，在电极间 产生很强烈的电离，其良好的导电性允许通过大电流。 这电流由两部分组成，一部分是极间电容释放电荷而形 成的放电电流，另一部分是通过电源回路的电流。
火花放电的条件：
当气压在一个大气压以上，电场较均匀，而电源功率 不够大的条件下，会产生火花放电。
火花放电的特点：
（1）火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个 区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆 裂声。
（2）火花放电外观上出现若干很亮的细条纹，每个条纹 又出现曲折分叉的细丝，通过放电空间达到电极后就 熄灭。这是由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体， 电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂 时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具有间 隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。
电晕放电分类： 按所加电压类型可将电晕放电分为：直流电晕、交流
电晕、和高频电晕。其中，直流电晕等离子体的能量效率 较低。 电晕放电的特点： （1）电晕放电电压降比辉光放电大（千伏数量级），但放电 电流小（微安数量级），往往发生在电极间电场分布不均 匀的条件下（若电场分布均匀，放电电流又大，则发生辉 光放电） （2）电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高 的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近，气 体的发光也只发生在这个区域里，称为电离区，或叫电晕 层或起晕层. （3）形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关 系。 （4 ）电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小、 电极形状、极间距离、气体性质和密度等.
VB
ln
Bpd Apd ln(1 1 )
式中， γ为汤森第二电离系数；A、B均为常数，它是与气体 种类和实验条件有关的参数，可实验求取或查文献得到。
3.1.3 气体原子的激发转移和消电离 气体粒子从激发态回到较低状态或者被进一
步激发到更高的状态是粒子从该激发态消失的可能 途径，这种过程称为气体粒子的激发转移，其中包 括回到中性低能态的消电离。电离气体中的潘宁效 应、敏化荧光等都属于这种过程。实验发现，在适 当的两种气体组成的混合物中，其击穿电压会低于 单纯气体的击穿电压。这种效应称为潘宁效应。这 种效应的过程可以用简式表示为
正离子碰撞电离系数以β表示，指一个离子在电场方向 1cm行程中与气体分子碰撞所产生的平均电离次数。研究可知， 在相同电场条件下电子碰撞电离远大于正离子碰撞电离次数， 也就是碰撞电离系数α>>β （3）阴极二次电子发射——γ电离过程
正离子轰击阴极时，阴极发射二次电子的概率以γ表示。 在电场作用的等离子体条件下，由阴极发射的电子在到达阳极 的过程中产生正离子，这些正离子撞击阴极而使阴极
在电晕层外，由于电场强度较低，不足以引起电离， 故呈现暗区，称为电晕外区。产生电晕的电压称为起晕电压
产生电晕放电条件：
气体压强高（一般在一个大气压以上），电场分布很不 均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上。
一个电极或两个电极的曲率半径很小，就会形成不均匀 的电场。因此，细的尖端与平面、点与点、金属丝与同轴圆 筒、两条平行导线之间以及轴电缆内部都会形成不均匀的电 场，在这些电极之间都有可能形成电晕。