淺談氣體擊穿理論

◆

(湖北襄樊第四中學(xué))

一、氣體擊穿的基本概念

電介質(zhì)的擊穿，指的是固體、液體、氣體介質(zhì)以及混合介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，喪失絕緣能力，介質(zhì)變得導(dǎo)電的現(xiàn)象。全部電介質(zhì)都能夠被擊穿，擊穿表現(xiàn)了它在電場(chǎng)作用下能夠保持絕緣性能的極限，是影響電子產(chǎn)品、電器元件使用壽命的重要條件。

氣體的擊穿是指氣體介質(zhì)在一定的電場(chǎng)條件下，氣體間隙發(fā)生放電。作為電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中最經(jīng)常被使用的絕緣介質(zhì)，氣體介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定臨界點(diǎn)后，本來絕緣的氣體就會(huì)變得導(dǎo)電，從而造成危險(xiǎn)情況的發(fā)生。為了能合理構(gòu)成氣體絕緣，就應(yīng)該先要了解氣體中的基本放電理論。

二、氣體放電的放電形式

正常狀態(tài)下氣體中存在少量帶電質(zhì)點(diǎn)，在電場(chǎng)作用下，帶電質(zhì)點(diǎn)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，形成電流。但是由于帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量非常少，其形成的電流也極小，所以依然是很好的絕緣體。但是當(dāng)氣體壓力、電源效率、電極形狀等條件發(fā)生變化的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，被擊穿后的氣體放電形態(tài)在各種條件下各不相同，具體而言會(huì)產(chǎn)生以下幾種：

1.輝光放電

當(dāng)氣體壓力不大、電源功率很小的時(shí)候，將外部施加的電壓增加到一定值以后，電流在短時(shí)間內(nèi)大量增長(zhǎng)，管內(nèi)整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象。這種放電形式被稱為輝光放電。輝光放電的特性是電流密度不大，放電通常會(huì)發(fā)生在整個(gè)空間。而且放電時(shí)管端電壓較高，不具備短路的特性。輝光放電僅僅發(fā)生在氣壓較低的情況下。

2.電弧放電

隨著外回路中的阻抗減小，電流增大。當(dāng)電流增大到了某個(gè)數(shù)值時(shí)，放電的通道變窄，并且亮度越來越高，管端的電壓則下降，說明通道的導(dǎo)電性越來越強(qiáng)，這時(shí)的放電就叫做電弧放電。電弧放電時(shí)電流密度很大，管端電壓很低，具有短路的特性。

3.火花放電

在較高的氣壓下，比如大氣壓力下，氣體擊穿后總是形成收窄的發(fā)光通道，而非分散到整個(gè)區(qū)域，此時(shí)稱之為火花放電。火花放電的產(chǎn)生分為兩種情況：當(dāng)外回路中阻抗較大的時(shí)候或者當(dāng)外回路中阻抗很小且電源功率足夠大的時(shí)候。

4.電暈放電

隨著電壓的增大，在電極周圍電場(chǎng)最強(qiáng)的地方出現(xiàn)發(fā)光層，隨著電壓的繼續(xù)提高，發(fā)光層隨之變大，放電電流也逐漸增強(qiáng)。這種現(xiàn)象叫做電暈放電。電暈放電時(shí)，氣體間隙中只有小部分尚喪失絕緣性能，放電電流微弱，間隙依然可以耐受管端電壓。此時(shí)繼續(xù)增大電壓，從電暈電極中延伸出來很多的比較明亮的細(xì)放電通道，叫做刷狀放電。電壓再增大，最后氣體間隙整個(gè)被擊穿，根據(jù)電源功率的強(qiáng)弱而轉(zhuǎn)換成電弧放電或者是火花放電。

三、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失

普通狀態(tài)下的氣體是中性不導(dǎo)電的，氣體導(dǎo)電并產(chǎn)生放電現(xiàn)象是因?yàn)闅怏w分子發(fā)生了電離，產(chǎn)生了充足的帶電粒子。

1.帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象發(fā)生的前提?？諝饨橘|(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的形成主要有氣體分子的電離和金屬的表面電離兩種形式。

氣體分子的電離可以由碰撞電離、光電離、熱電離、電極表面電離這四種方式產(chǎn)生。

碰撞電離主要由電子和分子的碰撞所引發(fā)。電子在電場(chǎng)下被加速而獲得動(dòng)能，使其獲得擺脫原子核束縛的能量。當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的動(dòng)能大于氣體分子的電離能時(shí)，就有可能因?yàn)榕鲎捕沟脷怏w分子發(fā)生電離，產(chǎn)生電子與正離子。

光電離是指由光輻射引發(fā)的氣體分子的電離。由異號(hào)帶電粒子復(fù)合而成中性粒子釋放出光子，或者由激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子，這是光游離發(fā)生的兩種來源。

熱電離是指由分子的熱運(yùn)動(dòng)而引發(fā)的氣體分子的電離。熱電離的本質(zhì)是氣體分子的熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合。在常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率是極小的。當(dāng)溫度大于10000K的時(shí)候，才需要去考慮熱電離，而當(dāng)溫度大于20000K的時(shí)候，幾乎全部的分子都是出于熱電離狀態(tài)的。

以上的三種電離形式都產(chǎn)生于氣體空間中，所以這三種電離也稱之為空間電離。

金屬的表面電離是指金屬陰極表面逸出電子的過程。電子從金屬表面逸出，主要有四種形式，分別為正離子碰撞陰極的表面、光電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射和熱電子發(fā)射。

2.帶電質(zhì)點(diǎn)的消失

帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的消失主要有三種形式，分別為復(fù)合，擴(kuò)散，和進(jìn)入電極。

復(fù)合是指正負(fù)離子在相遇的時(shí)候，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和從而還原為分子的過程。電子復(fù)合和離子復(fù)合都是以光子的形式釋放出多余的能量。一定條件下會(huì)導(dǎo)致其他氣體產(chǎn)生光電離，使得氣體放電階躍式發(fā)展。擴(kuò)散是指帶電質(zhì)點(diǎn)由濃度較大的空間移動(dòng)到其他濃度較小的空間的現(xiàn)象。進(jìn)入電極指的是在外電場(chǎng)作用下，氣體間隙中的正負(fù)電荷分別向兩個(gè)電極定向移動(dòng)的現(xiàn)象。帶電質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入電極會(huì)阻礙放電的發(fā)展。

四、氣體放電的兩個(gè)經(jīng)典理論——湯遜理論和流注理論

均勻電場(chǎng)中的放電分為自持放電與非自持放電。自持放電的過程不需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用就可以維持。非自持放電需要外界電離因素，當(dāng)外界因素撤銷后放電過程隨之停止。

在上世紀(jì)初期，湯遜做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了適用于均勻電場(chǎng)、低氣壓、短間隙的氣體放電的理論。湯遜認(rèn)為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離對(duì)于氣體放電起著主要作用。但是僅適用于短間隙低氣壓條件下的輝光放電。湯遜理論沒有考慮放電過程中的空間電荷效應(yīng)，很難解釋一些現(xiàn)象，例如放電發(fā)生的速度領(lǐng)先于碰撞電離時(shí)，放電通道是不均勻的而呈折線形狀。

隨著氣體放電研究的發(fā)展，流注理論是由R.瑞特與J.M.米克在1937年提出的。湯遜理論為氣體放電的理論發(fā)展打下了基礎(chǔ)，流注理論總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)充完善了湯遜理論。流注理論著重說明了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用，認(rèn)為自持放電主要是由電子碰撞電離和空間光電離引起。流注理論適用于均勻電場(chǎng)、大氣壓、長(zhǎng)間隙氣體的擊穿。

五、非均勻電場(chǎng)中的氣體擊穿

為了比較各種條件下的電場(chǎng)的不均勻程度，引入電場(chǎng)不均勻系數(shù)f，它是最大場(chǎng)強(qiáng)和平均場(chǎng)強(qiáng)的比值。根據(jù)放電的特征，大致可以做如下區(qū)分：稍不均勻電場(chǎng)不均勻系數(shù)f<2；當(dāng)f>4后，屬于極不均勻電場(chǎng)；不均勻系數(shù)2

均勻電場(chǎng)：不存在極性效應(yīng)；稍不均勻電場(chǎng)：正極性大于負(fù)極性；極不均勻電場(chǎng)：放電起始電壓、正極性大于負(fù)極性擊穿電壓，負(fù)極性大于正極性。

當(dāng)電場(chǎng)極不均勻時(shí)，在大曲率電極附近空間局部場(chǎng)強(qiáng)首先達(dá)到周圍空氣發(fā)生強(qiáng)烈電離的數(shù)值。使得附近很薄的一層空氣形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的淡紫色發(fā)光層。該放電僅僅發(fā)生在大曲率電極周圍很小的范圍內(nèi)，而整個(gè)氣體間隙未被擊穿，這種現(xiàn)象稱之為電暈放電。電暈放電會(huì)引起空氣的化學(xué)反應(yīng)，不但消耗能量，還產(chǎn)生臭氧等有害氣體、噪聲等污染。但是電暈放電在除塵器、靜電噴涂等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

六、影響氣體間隙放電的主要因素

影響氣體電介質(zhì)的條件有很多，主要有電壓強(qiáng)度、電板外形、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等。具體而言，電場(chǎng)情況的均勻、稍微不均勻、極不均勻，電壓形式的不同，包括直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊等，以及大氣條件，如氣壓、溫度、濕度等，都會(huì)影響氣體間隙的放電現(xiàn)象，因此在實(shí)際工作中要考慮這些因素并進(jìn)行校正。

七、氣體放電研究現(xiàn)狀與前景

雖然在宏觀上氣體放電特性和放電的應(yīng)用方面取得了一些進(jìn)展，但對(duì)于放電形成機(jī)理的微觀方面，如氣體分子間的的運(yùn)動(dòng)等還缺乏深入的研究。當(dāng)前對(duì)于氣體放電的研究，根據(jù)研究目的，氣體放電可分為理論研究和應(yīng)用研究。

理論研究主要集中在氣體放電的物理過程，等離子體特性，放電機(jī)理和穩(wěn)定機(jī)理等方面，重點(diǎn)研究如何產(chǎn)生，穩(wěn)定和控制等離子體等問題，探索各種放電機(jī)理。研究的應(yīng)用是基于對(duì)低溫等離子體理論研究中的各種實(shí)際問題的技術(shù)應(yīng)用。應(yīng)用研究使用更多的實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的等離子體生成和控制裝置，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)實(shí)用甚至工業(yè)設(shè)備。

自上世紀(jì)末到現(xiàn)在，氣體放電研究及其應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展。氣體放電技術(shù)由于其在中等壓力或高于大氣壓力下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、宏觀均勻和強(qiáng)烈的微放電，可廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，不僅僅是電力工程中，在很多方面都有較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾杰，李志剛，劉洋，時(shí)家明.影響氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值的參數(shù)分析[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，(07) ：705-708.

[2]陳昀，畢海巖.介質(zhì)阻擋放電中氣隙擊穿電壓計(jì)算研究[J].物理通報(bào)，2017，(01) ：109-110+129.

[3]高樹香，楊勇，張嵐.潘寧效應(yīng)存在時(shí)的氣體擊穿理論[J].南京工學(xué)院學(xué)報(bào)，1985，(03) ：46-53.

[4]彭建昌，王穎，王利民，李爽，王雪峰，林強(qiáng)，謝晉.氣體開關(guān)擊穿機(jī)理的初步研究[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2014，(02) ：129-134.