1.1.4 氣體放電的流注理論

高電壓技術所面對的往往不是前面所說的低氣壓、短氣隙的情況，而是高氣壓（101.3kPa或更高）、長氣隙的情況［pd>26.66kPa·cm (200mmHg·cm)］。前面介紹的湯遜理論是在氣壓較低（小于大氣壓）、氣隙相對密度與極間距離的乘積δd較小的條件下，進行放電試驗的基礎上建立起來的。以大自然中最宏偉的氣體放電現象——雷電放電為例，它發生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時不存在金屬陰極，因而與陰極上的γ過程和二次電子發射根本無關。氣體放電的流注理論也是以實驗為基礎的，它考慮了高氣壓、長氣隙情況下不容忽視的若干因素對氣體放電過程的影響，其中包括：電離出來的空間電荷會使電場畸變以及光子在放電過程中的作用（空間光電離和陰極表面光電離）。這個理論認為電子的撞擊電離和空間電離是自持放電的主要因素，并充分注意到空間電荷對電場畸變的作用。流注理論目前主要還是對放電過程做定性描述，定量的分析計算還不夠成熟。下面作簡要介紹。

1.空間電荷對原有電場的影響

如圖1-4所示，電子崩中的電子由于其遷移率遠大于正離子，所以絕大多數電子都集中在電子崩的頭部，而正離子則基本上停留在產生時的原始位置上，因而其濃度是從尾部向頭部遞增的，所以在電子崩的頭部集中著大部分正離子和幾乎全部電子（如圖1-8a所示）。這些空間電荷在均勻電場中所造成的電場畸變，如圖1-8b所示?？梢娫诔霈F電子崩空間電荷之后，原有的均勻場強E₀發生了很大的變化，在電子崩前方和尾部處的電場都增強了，而在這兩個強場區之間出現了一個電場強度很小的區域，但此處的電子和正離子的濃度卻最大，因而是一個十分有利于完成復合的區域，結果是產生強烈的復合并輻射出許多光子，成為引發新的空間光電離的輻射源。

2.空間光電離的作用

湯遜理論沒有考慮放電本身所引發的空間光電離現象，而這一因素在高氣壓、長氣隙的擊穿過程中起著重要的作用。上面所說的初始電子崩（簡稱初崩）頭部成為輻射源后，就會向氣隙空間各處發射光子而引起光電離，如果這時產生的光電子位于崩頭前方和崩尾附近的強場區內，那么它們所造成的二次電子崩將以大得多的電離強度向陽極發展或匯入崩尾的正離子群中。這些電離強度和發展速度遠大于初始電子崩的新放電區（二次電子崩）以及它們不斷匯入初崩通道的過程被稱為流注。

流注理論認為：在初始階段，氣體放電以碰撞電離和電子崩的形式出現，但當電子崩發展到一定程度后，某一初始電子崩的頭部積聚到足夠數量的空間電荷，就會引起新的強烈電離和二次電子崩，這種強烈的電離和二次電子崩是由于空間電荷使局部電場大大增強以及發生空間光電離的結果，這時放電即轉入新的流注階段。流注的特點是電離強度很大和傳播速度很快（超過初崩發展速度10倍以上），出現流注后，放電便獲得獨立繼續發展的能力，而不再依賴外界電離因子的作用，可見這時出現流注的條件也就是自持放電條件。圖1-9表示初崩頭部放出的光子在崩頭前方和崩尾后方引起空間光電離并形成二次崩以及它們和初崩匯合的流注過程。二次崩的電子進入初崩通道后，便與正離子群構成了導電的等離子通道，一旦等離子通道短接了兩個電極，放電即轉為火花放電或電弧放電。

出現流注的條件是初崩頭部的空間電荷數值必須達到某一臨界值。對均勻電場來說，其自持放電條件應為

eαd=常數

或

實驗研究所得出的常數值為

αd≈20

或者

可見初崩頭部的電子數要達到108時。放電才能轉為自持（出現流注）。如果電極間所加電壓正好等于自待放電起始電壓U₀，那就意味著初崩要跑完整個氣隙，其頭部才能積聚到足夠的電子數而引起流注，這時的放電過程如圖1-10所示。其中圖1-10a表示初崩跑完整個氣隙后引發流注；圖1-10b表示出現流注的區域從陽極向陰極方向推移；圖1-10c為流注放電所產生的等離子通道短接了兩個電極，氣隙被擊穿。

如果所加電壓超過了自持放電起始電壓U，那么初崩不需要跑完整個氣隙，其頭部電子數即已達到足夠的數量，這時流注將提前出現并以更快的速度發展，如圖1-9所示。流注理論能夠說明湯遜理論所無法解釋的一系列在高氣壓、長氣隙情況下出現的放電現象，諸如：這時放電并不充滿整個電極空間，而是形成一條細窄的放電通道；有時放電通道呈曲折和分枝狀；實際測得的放電時間遠小于正離子穿越極間氣隙所需的時間；擊穿電壓值與陰極的材料無關等。不過還應強調指出：這兩種理論各適用于一定條件下的放電過程，不能用一種理論來取代另一種理論。在pd值較小的情況下，初始電子不可能在穿越極間距離時完成足夠多的碰撞電離次數，因而難以積聚到式（1-27）所要求的電子數，這樣就不可能出現流注，放電的自持就只能依靠陰極上的γ過程了。