1.1.4 气体放电的流注理论

高电压技术所面对的往往不是前面所说的低气压、短气隙的情况，而是高气压（101.3kPa或更高）、长气隙的情况［pd>26.66kPa·cm (200mmHg·cm)］。前面介绍的汤逊理论是在气压较低（小于大气压）、气隙相对密度与极间距离的乘积δd较小的条件下，进行放电试验的基础上建立起来的。以大自然中最宏伟的气体放电现象——雷电放电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。气体放电的流注理论也是以实验为基础的，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电过程的影响，其中包括：电离出来的空间电荷会使电场畸变以及光子在放电过程中的作用（空间光电离和阴极表面光电离）。这个理论认为电子的撞击电离和空间电离是自持放电的主要因素，并充分注意到空间电荷对电场畸变的作用。流注理论目前主要还是对放电过程做定性描述，定量的分析计算还不够成熟。下面作简要介绍。

1.空间电荷对原有电场的影响

如图1-4所示，电子崩中的电子由于其迁移率远大于正离子，所以绝大多数电子都集中在电子崩的头部，而正离子则基本上停留在产生时的原始位置上，因而其浓度是从尾部向头部递增的，所以在电子崩的头部集中着大部分正离子和几乎全部电子（如图1-8a所示）。这些空间电荷在均匀电场中所造成的电场畸变，如图1-8b所示。可见在出现电子崩空间电荷之后，原有的均匀场强E₀发生了很大的变化，在电子崩前方和尾部处的电场都增强了，而在这两个强场区之间出现了一个电场强度很小的区域，但此处的电子和正离子的浓度却最大，因而是一个十分有利于完成复合的区域，结果是产生强烈的复合并辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。

图1-8 电子崩中的空间电荷在均匀电场中造成的畸变

2.空间光电离的作用

汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。上面所说的初始电子崩（简称初崩）头部成为辐射源后，就会向气隙空间各处发射光子而引起光电离，如果这时产生的光电子位于崩头前方和崩尾附近的强场区内，那么它们所造成的二次电子崩将以大得多的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。

流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。流注的特点是电离强度很大和传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上），出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电条件。图1-9表示初崩头部放出的光子在崩头前方和崩尾后方引起空间光电离并形成二次崩以及它们和初崩汇合的流注过程。二次崩的电子进入初崩通道后，便与正离子群构成了导电的等离子通道，一旦等离子通道短接了两个电极，放电即转为火花放电或电弧放电。

出现流注的条件是初崩头部的空间电荷数值必须达到某一临界值。对均匀电场来说，其自持放电条件应为

eαd=常数

或

实验研究所得出的常数值为

αd≈20

或者

可见初崩头部的电子数要达到108时。放电才能转为自持（出现流注）。如果电极间所加电压正好等于自待放电起始电压U₀，那就意味着初崩要跑完整个气隙，其头部才能积聚到足够的电子数而引起流注，这时的放电过程如图1-10所示。其中图1-10a表示初崩跑完整个气隙后引发流注；图1-10b表示出现流注的区域从阳极向阴极方向推移；图1-10c为流注放电所产生的等离子通道短接了两个电极，气隙被击穿。

图1-9 流注形成过程示意图

图1-10 从电子崩到流注的转换

如果所加电压超过了自持放电起始电压U，那么初崩不需要跑完整个气隙，其头部电子数即已达到足够的数量，这时流注将提前出现并以更快的速度发展，如图1-9所示。流注理论能够说明汤逊理论所无法解释的一系列在高气压、长气隙情况下出现的放电现象，诸如：这时放电并不充满整个电极空间，而是形成一条细窄的放电通道；有时放电通道呈曲折和分枝状；实际测得的放电时间远小于正离子穿越极间气隙所需的时间；击穿电压值与阴极的材料无关等。不过还应强调指出：这两种理论各适用于一定条件下的放电过程，不能用一种理论来取代另一种理论。在pd值较小的情况下，初始电子不可能在穿越极间距离时完成足够多的碰撞电离次数，因而难以积聚到式（1-27）所要求的电子数，这样就不可能出现流注，放电的自持就只能依靠阴极上的γ过程了。