均匀流流场内的压强分布规律【非均匀电场里压强变化对气体放电的影响】

时间：2019-01-30 03:38:12　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：在非均匀电场下的放电与均匀电场中的气体放电相比较有较大的区别，为对非均匀场下的放电有更好的认识，作者使用了球形电极对各个放电阶段进行展示，分析各放电阶段在非均匀场下的成因；并给出了非均匀电场里气体击穿电压与压强的关系曲线。
　　关键词：反常辉光放电；电晕放电；火花放电
　　中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)2(S)-0059-3
　　
　　1引言
　　
　　气体导电的现象，又称气体放电。加热、照射（紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。完全靠电离剂维持的气体导电称为非自持导电。在一定电压条件下，撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持放电。自持放电因条件不同，放电的形式也不同。自持放电包括辉光放电、电晕放电及火花放电。我们设计实验研究了非均匀稳定电场下各种自持放电。由于电场分布不均匀，则击穿电压不再遵循帕邢定律，因此还有必要研究新的击穿电压与压强关系。
　　
　　2实验简介
　　
　　该实验中用到的仪器主要有真空钟罩（罩内有两个电极用于与电源相连）、±2500伏稳压电源、球形电极、2X-4型真空泵等。实验中，仪器的连接如图1。
　　
　　实验操作如下：首先打开真空钟罩阀门，接着进行抽气，直到真空计的示数不再明显变化（抽气速率与向外界漏气的速率相当）。打开稳压电源，逐渐增大稳压电源电压值，直至辉光放电，随后撤掉抽气机电源。随着不断渗漏气，钟罩内气压随之增大，两电极间放电所需的电压也随之增大，并记录每个变化时刻的气压和电压值。
　　
　　3反常辉光放电
　　
　　（1）辉光放电夺放电时两电极间出现特有的光辉。通常低气压冷阴极电极在击穿后可形成稳定的辉光放电。辉光放电具有电流密度小，放电维持电压较高的特点，产生典型的非等温等离子体。图2为实验中拍摄的辉光放电，从外表来看，辉光放电时，钟罩内从阴极到阳极的放电空间都出现了明暗相间的光层分布。在放电空间内分为几个不同的区域。仔细观察图2，阴极辉区（右球边缘）将大半个阴极都包围了起来，即整个阴极表面都为有效发射面积。这种现象有别于正常辉光放电，属于反常辉光放电。
　　
　　（2）如图2，从阴极（右）到阳极（左）依次是：阴极辉区（紧贴球极），阴极暗区以及负辉区［1］。由于受放电距离的限制，正柱区和阳极区都没有出现。这是因为正柱区的长度是由电极间的距离决定的，阴极位降理论认为，维持放电的基本过程都集中在阴极位降区（即阴极辉区和阴极暗区），故从辉光放电的本质来讲，可以不出现正柱区。在某些气体的辉光放电中，阴极辉区前会出现阿斯顿暗区，它紧靠阴极表面。但本实验中阿斯顿暗区并不明显。
　　（3）由于空气成分复杂，其中以氮、氧为主，氮气的负辉区呈现为蓝色，而氧气的负辉区呈现为淡黄色，实验中可看见的负辉区外围呈现蓝紫色，内部呈红色。这是由于两球形电极分别接正负电位，其间产生的电场是不均匀的。为便于分析，可将两球形电极近似看作带正、负电荷的两点电荷，则沿点电荷连线上的电场最强。γ过程产生的二次电子在奔向阳极的过程中，一方面与中性分子发生电离产生新的电子，另一方面受非均匀电场加速，影响气体中电子和离子的运动轨迹［3］，故负辉区在靠近阳极的那一侧将沿连线中心收拢。最终对称的收敛在沿两极球心连线两侧附近。如图2，整个放电区间呈现为锥形，在阳极上可看见两个收敛状亮点。可见，电场分布可决定放电区域形状，且对γ数的值也有影响，因此，它对击穿电压影响也较大。
　　（4）由辉光放电的理论可知，放电电流密度与气压的平方成比例。所以，高气压下的电流密度将显著升高。在电流密度逐步升高的过程中，出现了不能再被忽略的新的基本过程，它对放电起有很大的影响。在较高气压时，放电电流密度很大，阴极发射电流密度也很大，气体击穿后发出强烈辉光，另一方面，在高电流密度发射的状态下，很容易使阴极局部温度升高，从而在某一局部产生热电子发射。这比γ过程的二次电子发射效率大大提高。另一方面，由于气体分子温度的升高，就可发生热电离过程。综上因素，这就可引起辉光放电向弧光放电转变。实验中，随着气压的不断升高，负辉区不断扩展，直至充满电极间的放电空间。如图3所示。可见放电电流明显增大，放电进入辉光放电与弧光放电之间的弧光过渡区。
　　
　　
　　4电晕放电
　　
　　（1）电晕放电是在极间电场分布不均匀，气压较高时产生的一种放电方式，且要求电压在几千伏以上。直流电晕分为三种情况：(1)负电晕(2)正电晕(3)双极电晕［2］。在实验中观察到的是双极电晕，它要求阴极和刚极曲率半径都比较小，两者都带有极强的电场，则在正、负极上都会有发生电晕称为双极电晕。如图4所示为双极电晕放电。
　　
　　（2）实验中，钟罩内气压都保持在标准大气压以下，且球形电极半径较小(4．23mm)，其间形成的不均匀电场较强，因而产生了电晕放电，如图4所示。由于受电晕放电条件的限制，实验中的电晕放电很不稳定，即使在不改变电压的情况下，电晕放电也很容易转变为辉光放电，在较暗的环境中更易观察。电晕放电时，增加电极电压后，电晕放电很容易向辉光放电转变。
　　
　　5火花放电
　　
　　随着压强的进一步增大，放电转过渡到火花放电。根据流柱理论对火花放电的解释(它以电子崩为理论基础，并考虑了空间电荷对放电的影响)，它由一个主电子崩形成多个次电子崩，次电子崩不断汇入主电子崩并迅速扩散到阴极，这就是实验中观察到火花放电分叉的原因。放电通道是由光电离形成的，因此放电形成的时间很短。同时，由于电离过程主要靠光子，与阴极表面的关系不大。两球形电极的球心距离最短，且电场最强，因此放电通道多沿球心连线及其周围。
　　
　　6击穿电压与压强的关系
　　
　　根据实验中记录的数据，描图得到的击穿电压随压强的变化关系，如图5。其中横坐标是击穿电压，单位为伏；纵坐标是压强，单位是千帕。由图可见，随着真空罩内气压的升高，所需的击穿电压也越来越高。
　　
　　
　　7结语
　　
　　（1）各种类型的气体放电有明显的区别，它们的放电现象各有特色，在改变条件的情况下，它们可以相互转化。
　　（2）非均匀场中的放电现象与均匀场中的放电相比有较大的区别，体现在放电区域的形状受电极影响较大，从本质上看是受电场分布影响。
　　（3）外界条件变化时(如压强)，气体放电的类型随之变化。空气中的击穿电压是一个变化十分敏感的量，它不仅随压强的升高而升高，而且还受电场分布、电极材料和表面状况的影响。
　　
　　参考文献：
　　［1］陈宗柱、高树香.气体导电［M］.南京工学院出版社.1988
　　［2］彭国贤.现代化知识文库之气体放电――等离子体物理的应用［M］.上海.知识出版社.1982
　　［3］胡志强、甄汉生、施迎难.气体电子学［M］.北京.电子工业出版社.1985
　　［4］刘学惑.阴极电子学［M］.北京.科学出版社.1980
　　
　　 (栏目编辑王柏庐)
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