干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當氣體中存在自由帶電粒子時，它就變?yōu)殡姷膶w。這時如在氣體中安置兩個電極并加上電壓，就有電流通過氣體，這個現(xiàn)象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。20世紀70年代以來激光導引放電、電子束維持放電等新的放電形式，也日益受到人們的重視。

氣體放電的基本物理過程 　氣體放電總的過程由一些基本過程構(gòu)成，這些基本過程是：激發(fā)、電離、消電離、遷移、擴散等。基本過程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。

氣體放電激發(fā)

現(xiàn)象

荷能電子碰撞氣體分子時，有時能導致原子外殼層電子由原來能級躍遷到較高能級。這個現(xiàn)象，稱為激發(fā)；被激發(fā)的原子，稱為受激原子。要激發(fā)一個原子，使其從能級為E1的狀態(tài)躍遷到能級為Em的狀態(tài)，就必須給予（E_m-E₁）的能量；這個能量所相應(yīng)的電位差設(shè)為eV_e，則有eV_e=E_m－E₁

電位V_e稱為激發(fā)電位。實際上，即使電子能量等于或高于激發(fā)能量，碰撞未必都能引起激發(fā)，而是僅有一部分能引起激發(fā)。引起激發(fā)的碰撞數(shù)與碰撞總數(shù)之比，稱為碰撞幾率。

原因

受激發(fā)后的原子停留在激發(fā)狀態(tài)的時間很短暫（約為10^-6秒），便從能量為E_m的狀態(tài)回復(fù)到能量為E₁的正常狀態(tài)，并輻射出能量為hv（h為普朗克常數(shù)；v為輻射頻率）的光量子。氣體放電時伴隨有發(fā)光現(xiàn)象，主要就是由于這個原因。　在某些情況下，受激原子不能以輻射光量子的形式自發(fā)回到正常狀態(tài)，這時便稱為處于亞穩(wěn)狀態(tài)，處于亞穩(wěn)狀態(tài)的原子稱為亞穩(wěn)原子。亞穩(wěn)原子可以借助兩種過程回復(fù)到正常狀態(tài)：一是由電子再次碰撞或吸收相應(yīng)的光量子，升到更高的能級，然后從這個能級輻射出光量子而回到常態(tài)。另一是通過與電子碰撞將能量轉(zhuǎn)化為電子的動能，它本身回到常態(tài)。亞穩(wěn)原子的壽命約為10^-4～10^-2秒；由于它壽命較長，在放電中常常起重要的作用。

基態(tài)時

當受激原子尚未回到基態(tài)時，如受到電子的再次碰撞就可能轉(zhuǎn)入更高的激發(fā)態(tài)。這種由多次碰撞往高能級激發(fā)的現(xiàn)象稱為累積（逐次）激發(fā)。

氣體放電電離

電子與原子碰撞時，若電子能量足夠高，還會導致原子外殼層電子的脫落，使原子成為帶正電荷的離子。與激發(fā)的情況類似，電子的動能必須達到或大于某一數(shù)值eVi，碰撞才能導致電離。Vi稱為電離電位，其大小視氣體種類而定。同樣，即使能量高于電離能，碰撞也僅有一部分能引起電離。引起電離的碰撞次數(shù)與總碰撞次數(shù)之比，稱為電離幾率。如果受激原子由于電子再次碰撞而電離、則稱為累積（逐次）電離。

在氣體放電中還有一類重要的電離過程，即亞穩(wěn)原子碰撞中性原子使后者電離的過程。這種過程只有在亞穩(wěn)原子的亞穩(wěn)電位高于中性原子的電離電位（如氖的亞穩(wěn)原子碰撞氬原子）時才可能出現(xiàn)。這個過程稱為潘寧效應(yīng)。潘寧效應(yīng)在亞穩(wěn)原子的激發(fā)能比較接近中性分子的電離能時最為顯著，因為前者壽命較長，可以有更多的幾率與中性分子碰撞電離。

方式

如果將一切電離因素都去掉，則已電離的氣體，會逐漸恢復(fù)為中性氣體，這稱為消電離。消電離的方式有三種：①電子先與中性原子結(jié)合成為負離子，然后負離子與正離子碰撞，復(fù)合成為兩個中性原子。②電子和正離子分別向器壁擴散并附于其上，復(fù)合后變?yōu)橹行栽与x去。③電子與正離子直接復(fù)合。

氣體放電遷移

在電場作用下，帶電粒子在氣體中運動時，一方面沿電力線方向運動，不斷獲得能量；一方面與氣體分子碰撞，作無規(guī)則的熱運動，不斷損失能量。經(jīng)若干次加速碰撞后，它們便達到等速運動狀態(tài)，這時其平均速度u與電場強度E成正比 u=KE

系數(shù)K稱為電子（離子）遷移率。對于離子，K是一個常數(shù)；對于電子，它并不是一個常數(shù)，而與電場強度E有關(guān)。

氣體放電擴散

擴散現(xiàn)象復(fù)雜

當帶電粒子在氣體中的分布不均勻時，就出現(xiàn)沿濃度遞減方向的運動，這稱為擴散。帶電粒子的擴散類似于氣體的擴散，也有自擴散和互擴散兩種。擴散現(xiàn)象用擴散系數(shù)來描述，它是帶電粒子擴散能力的一種量度。　多種帶電粒子同時存在于氣體時，擴散現(xiàn)象變得復(fù)雜。其中特別重要的一種 情況是電子、正離子濃度相等（即等離子體）的情況，這時出現(xiàn)所謂雙極性擴散。這是兩種異號帶電粒子相互牽制的擴散，其基本特征是：電子由于質(zhì)量小、擴散得較快；離子由于質(zhì)量大，擴散得較慢。結(jié)果電子走在前方，于是兩種電荷間出現(xiàn)一個電場（約束電場），這電場牽引正離子使它跟上去。兩種帶電粒子的擴散速率始終一致，但電子總是在前方，離子則在其后。

電子運動速度快

在管壁附近，雙極性擴散受到管壁的影響。此時，電子運動速度快，先附于管壁，使管壁帶負電位。負電位阻止后來電子的抵達，但吸引正離子，在其附近形成正電荷鞘層。在鞘層中，電子的濃度隨著接近管壁而遞減，最終自動調(diào)整到每秒飛上管壁的電子數(shù)恰好等于飛上的正離子數(shù)。

氣體放電的重要形式 　最早研究的氣體放電形式是低氣壓（1～100帕）直流放電，即在氣體中置入兩個電極，通以直流電壓而得到的放電。為使電流不致過大，回路中串聯(lián)一個電阻（即限流電阻）。若將電源電壓逐漸提高，通過氣體的電流就隨之增大。當極間電壓提高到us時，電流突然急劇增加，放電變?yōu)槊髁恋男问剑@稱為著火，也稱為擊穿。著火之后，放電轉(zhuǎn)入自持放電，在開始一段（SB段）為正常輝光放電，極間電壓比著火前低，且其數(shù)值不隨電流增大而變化，呈現(xiàn)恒電壓特性。當電流增大到某一數(shù)值（B點）時，極間電壓又隨電流而增大，這一段（BE段）屬異常輝光放電。電流增大到E點時就轉(zhuǎn)入電弧放電，此時極間電壓將隨電流增大而下降，呈現(xiàn)出負阻特性（ECDF段）。

氣體放電的著火是一種突變現(xiàn)象。閘流管、計數(shù)管、氣體放電開關(guān)管等器件便利用這種突變特性。利用正常輝光放電的恒電壓特性即可制成氣體放電穩(wěn)壓管。

氣體放電暗放電

暗放電主要是非自持放電（但自持放電的某些區(qū)域中有暗放電存在）。關(guān)于暗放電的理論是英國物理學家J.S.湯生于1903年提出的，故這種放電也稱為湯生放電。

物理描述

湯生理論的物理描述是：設(shè)外界催離素在陰極表面輻照出一個電子，這個電子向陽極方向飛行，并與分子頻繁碰撞，其中一些碰撞可能導致分子的電離，得到一個正離子和一個電子。新電子和原有電子一起，在電場加速下繼續(xù)前進，又能引起分子的電離，電子數(shù)目便雪崩式地增長。這稱為電子繁流。

氣體放電自持放電

放電中產(chǎn)生的正離子最后都抵達陰極。正離子轟擊陰極表面時，使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射；這種離子轟擊產(chǎn)生的次級電子發(fā)射，稱為r過程。r過程使放電出現(xiàn)新的特點，這就是：r過程產(chǎn)生的次級電子也能參加繁流。如果同一時間內(nèi)，由于r過程產(chǎn)生的電子數(shù)，恰好等于飛抵陽極的電子數(shù)，放電就能自行維持而不依賴于外界電離源，這時就轉(zhuǎn)化為自持放電。

氣體的著火電壓取決于一系列因素。1889年，L.C.帕邢發(fā)現(xiàn)，對于平行平板電極系統(tǒng)，在其他條件相同時，著火電壓是氣體壓力p與電極距離d乘積的函數(shù)，通稱為巴邢定律。圖3表示一些氣體的著火電壓與pd值的關(guān)系。由圖可見，著火電壓有一最低值。在最低值右邊（右支），著火電壓隨pd的增大而提高，在其左邊（左支），則隨pd的減小而提高。在高電壓設(shè)備中，各電極間的距離須足夠大（即d值應(yīng)足夠大），有時還充以高壓強（即取大的p值）的絕緣氣體，以提高設(shè)備的耐壓，就是利用右支的特性。反之，在真空電容器一類器件中，常將其內(nèi)部抽至良好的真空（即達到小的p值），以提高其耐壓，這是利用左支的特性。

氣體放電輝光放電

簡介

低壓氣體在著火之后一般都產(chǎn)生輝光放電。若電極是安裝在玻璃管內(nèi)，在氣體壓力約為 100帕且所加電壓適中時，放電就呈現(xiàn)出明暗相間的 8個區(qū)域。

①阿斯頓暗區(qū)：它是陰極前面的很薄的一層暗區(qū)，是F.W.阿斯頓于1968年在實驗中發(fā)現(xiàn)的。在本區(qū)中，電子剛剛離開陰極，飛行距離尚短，從電場得到的能量不足以激發(fā)氣體原子，因此沒有發(fā)光。

②陰極輝區(qū)：緊接于阿斯頓暗區(qū)，由于電子通過阿斯頓暗區(qū)后已具有足以激發(fā)原子的能量，在本區(qū)造成激發(fā)而形成的區(qū)域，當激發(fā)態(tài)原子恢復(fù)為基態(tài)時就發(fā)光。

③陰極暗區(qū)：又稱克魯克斯暗區(qū)。抵達本區(qū)域的電子，能量較高，有利于電離而不利于激發(fā)，因此發(fā)光微弱。

④負輝區(qū)：緊鄰陰極暗區(qū)，且與陰極暗區(qū)有明顯的分界。在分界線上發(fā)光最強，后逐漸變?nèi)酰⑥D(zhuǎn)入暗區(qū)，即后述的法拉第暗區(qū)。負輝區(qū)中的電子能量較為分散，既富于低能量的電子也富于高能量的電子。

⑤法拉第暗區(qū)：負輝區(qū)到正柱區(qū)的過渡區(qū)域。在本區(qū)中，電子能量很低，不發(fā)生激發(fā)或電離，因此是暗區(qū)。

⑥正輝柱區(qū)：與法拉第暗區(qū)有明顯的邊界，是電子在法拉第暗區(qū)中受到加速，具備了激發(fā)和電離的能力后在本區(qū)中激發(fā)電離原子形成的，因發(fā)光明亮故又稱正輝柱。正輝柱區(qū)中電子、離子濃度很高（約1015～1016個/m³），且兩者的濃度相等，因此稱為等離子體。正柱區(qū)具有良好的導電性能；但它對放電的自持來說，不是必要的區(qū)域。在短的放電管中，正柱區(qū)甚至消失；在長的放電管中，它幾乎可以充滿整個管子。正柱區(qū)中軸向電場強度很小，因此遷移運動很弱，擴散運動（即亂向運動）占優(yōu)勢。

⑦陽極輝區(qū)和陽極暗區(qū)：只有在陽極支取的電流大于等離子區(qū)能正常提供的電流時才出現(xiàn)。它們在放電中不是典型的區(qū)域。　輝光放電各區(qū)域中最早被利用的是正柱區(qū)。正柱區(qū)的發(fā)光和長度可無限延伸的性質(zhì)被利用于制作霓虹燈。作為指示用的氖管、數(shù)字顯示管，以及一些保護用的放電管，也是利用輝光放電。在氣體激光器中，毛細管放電的正柱區(qū)是獲得激光的基本條件。近代微電子技術(shù)中的等離子體涂覆、等離子體刻蝕，也是利用輝光放電過程。從正柱區(qū)的研究發(fā)展起來的等離子體物理，對核聚變、等離子體推進、電磁流體發(fā)電等尖端科學技術(shù)有重要意義。輝光放電中的負輝區(qū)，由于電子能量分布比正柱區(qū)的為寬，如今被成功地用于制作白光激光器。

氣體放電異常放電

輝光放電中，如果整個陰極已布滿輝光，再增大支取的電流，則出現(xiàn)異常輝光放電（圖1中 BE段）。此時陰極位降很大，且位降區(qū)的寬度減小。陰極位降大和電流密度大，會導致陰極材料的濺射。在放電器件中，濺射的吸氣作用降低器件內(nèi)氣體壓強并改變其氣體成分，而濺射形成的導電膜則降低電極間絕緣。陰極濺射現(xiàn)象也可用作材料涂覆的一種手段，這就是濺射鍍膜。

氣體放電電弧放電

如將輝光放電的限流電阻減小，則放電電流增大，并轉(zhuǎn)入電弧放電（圖1中CDF段）。電弧放電的特點是電流密度大而極間電壓低，其自持依賴于新的電子發(fā)射機制，即熱發(fā)射和冷發(fā)射。熱發(fā)射是因正離子轟擊陰極出現(xiàn)局部高溫而產(chǎn)生的；冷發(fā)射則是因陰極表面存在局部強電場而引起的。前者稱為熱電子電弧，后者稱為冷陰極電弧。作為強光源的碳極電弧就是熱電子電弧；電力工業(yè)用的汞弧整流管則利用冷陰極電弧。　電弧放電的一個重要特點是陰極上有陰極輝點。熱電子電弧的輝點一般是固定不動的；冷陰極電弧如汞弧整流管液汞表面上的輝點是跳躍移動的。陰極輝點是電子發(fā)射的來源，其電流密度高達數(shù)百至數(shù)千安/厘米2。

電弧放電的伏安特性隨電極材料、氣體種類、壓力而異。大氣中的碳極電弧呈現(xiàn)出典型的負阻特性，因此外電路中必須串有限流電阻，以穩(wěn)定電流。

電弧放電產(chǎn)生強烈的輻射，其強度隨氣體壓力和電流密度而增大。放電區(qū)中溫度最高點在一個大氣壓下約為4200K，在10個大氣壓下為6520K，在幾十或幾百大氣壓下達10000K。

碳極電弧是最早的強光光源。各種高氣壓放電燈如高氣壓汞燈、氙燈、鈉燈，是在管泡內(nèi)進行電弧放電的光源。電弧焊接、電弧切割在工業(yè)上有廣泛應(yīng)用；電弧的高溫可作為電爐的熱源。

氣體放電電暈放電

在氣壓較高而極間距離大時，不易得到自持放電。但是，如果一個或兩個電極很尖（即曲率半徑很小），形成很強的局部電場，則能導致氣體的強烈激發(fā)和電離，并出現(xiàn)發(fā)光的薄層，稱電暈層；電暈層外的區(qū)域，電場不足以激發(fā)和電離，呈黑暗狀，稱電暈外區(qū)。這種放電稱電暈放電，是一種不完全擊穿的自持放電。負離子發(fā)生器就是電暈放電的一種應(yīng)用。

氣體放電火花放電

這是在電源電壓較高，足以擊穿氣體,但電源功率不夠大，不能維持持續(xù)放電時產(chǎn)生的一種放電。它仍然是一種自持放電，但瞬即熄滅，待電源電壓恢復(fù)后，又重新放電。放電時電極間有絲狀火花跳過電極空間，其路程則是隨機的。自然界中的雷電，是一種大范圍的火花放電，但在火花放電之前大多先出現(xiàn)電暈放電。

火花放電的過程比湯生放電還要迅速。關(guān)于這種放電的理論，較為成功的是條帶理論。這種理論認為：在強電場作用下，由外界催離素所產(chǎn)生的某一個電子，向陽極運動時將引起強烈的電離及激發(fā)，并形成電子繁流。這種單個電子形成的繁流稱為負條帶。形成負條帶的同時，出現(xiàn)強烈的短波輻射，在空間引起光電離；光電離產(chǎn)生的光電子，又能發(fā)展成一些較小的負條帶。當條帶較多時，便匯成一個強大的負條帶，迅速向陽極飛去。詳細的分析表明，還存在從陽極飛往陰極的條帶，即正條帶。正負條帶造成兩電極間的導電通路，使強大的電流脈沖得以通過氣體，這就是火花放電的著火。

火花放電使電極材料受到嚴重的燒蝕，利用這一現(xiàn)象制成的電火花加工設(shè)備，能對金屬進行切割、拋光等加工。火花放電時，不僅擊穿氣體，還能擊穿其通路上的薄片絕緣材料，電火花打孔的加工技術(shù)就是利用這一現(xiàn)象的。依據(jù)火花放電現(xiàn)象制成的觸發(fā)管和火花放電器，常用于脈沖調(diào)制電路中。

氣體放電高頻放電

通常，如果放電管電極的電極性改變，放電的方向也改變。但這僅是在頻率很低的情況下才如此。如50赫市電點燃熒光燈時就是這樣。但當頻率提高時，放電來不及熄滅，因而呈現(xiàn)為穩(wěn)定放電的形式：正輝柱位于兩電極中間，正輝柱兩邊均有法拉第暗區(qū)，然后是兩個負輝區(qū)緊鄰兩個電極。這就是高頻放電。高頻放電中，帶電粒子來回運動，損失的速度很慢，因此無需r過程也能維持放電，故可將電極移至管殼之外，僅借助電場就可在管內(nèi)引起放電。若將通有高頻電流的線圈套在管外，借助交變電磁場的作用也能激起高頻放電。

氣體放電微波放電

頻率在幾百兆赫至幾百吉赫的高頻放電，屬于微波氣體放電。依據(jù)微波放電原理制成的天線開關(guān)管，廣泛應(yīng)用在雷達工程中。高頻放電離子源，是核物理、等離子體化學的重要研究工具。微波放電線光譜輻射源、連續(xù)光譜輻射源等，應(yīng)用于物理學、化學的研究工作中。在近代微電子技術(shù)中，利用高頻濺射的方法可避免靜電荷的影響。在可控核聚變研究中，微波放電可用作初始等離子體源，微波放電還可作為介質(zhì)，用以研究波的傳播、轉(zhuǎn)化、吸收、等離子體穩(wěn)定性、擴散、紊流等過程。

氣體放電脈沖放電

在脈沖電壓作用下引起的氣體放電，就是脈沖放電。脈沖放電視脈沖電源的具體型式分為單脈沖放電、重復(fù)脈沖放電和高頻脈沖放電等，高頻脈沖放電時，通過氣體的脈沖電流的曲線是變幅高頻交流振蕩曲線的包絡(luò)線。　最簡單的脈沖放電是由一電容儲能電路擊穿一個火花隙而得到的；放電裝置則串接在火花隙中，火花隙擊穿時裝置中亦就得到了脈沖放電。

脈沖形成階段

即火花隙間加上電壓，氣體電離及擊穿并使放電充滿整個裝置； 維持階段，此時電容器中的能量繼續(xù)通過放電通道，放電空間出現(xiàn)強烈的電離和激發(fā)；

放電熄滅階段

即隨著電容器上電壓的降低，放電逐漸衰弱，最后不能自持時，放電就自行熄滅。

脈沖放電時激發(fā)和電離很強烈，各種過程導致的輻射及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象極其豐富，可用于制造各種脈沖氣體激光器。微波工程中的天線開關(guān)管、作為固體激光器光泵用的脈沖氙燈、脈沖離子源和攝影用閃光燈，都是脈沖放電的應(yīng)用。

(1)放電時具有強烈的可見輻射和非可見輻射

根據(jù)這一特點，已經(jīng)研制成功電弧燈、霓虹燈、指示燈、熒光燈、氙燈和鹵素放電燈等，廣泛用于照明及電信號指示等。

(2)氣體放電產(chǎn)生的電離氣體具有良好的化學活性

化學反應(yīng)實際上是以電子和離子的結(jié)合或交換等方式實現(xiàn)的。氣體電離后形成電子和離子，適當控制反應(yīng)條件可以實現(xiàn)一般情況下難以實現(xiàn)的化學反應(yīng)，如許多難以實現(xiàn)的有機化學反應(yīng)可在電離氣體中進行。實際上，熱核聚變反應(yīng)是將氘電離后，由氘核之間進行聚合而實現(xiàn)的。

(3)氣體放電具有良好的電子學特性

氣體放電的電子學特性主要有：A.明顯的開關(guān)特性，已利用這種特性作成閘流管和整流管；B.具有穩(wěn)壓特性，可作成放電穩(wěn)壓管；C.其有負阻特性，可作成張弛振蕩器。

(4)已電離氣體具有良好的導電性，可作為優(yōu)良的流動導體

利用這一特性已實現(xiàn)磁流體發(fā)電。

(5)氣體放電可以使物質(zhì)產(chǎn)生濺射現(xiàn)象

利用這種現(xiàn)象已實現(xiàn)濺射鍍膜，已研制成功濺射式抽氣泵，用于真空技術(shù)。2100433B

干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當氣體中存在自由帶電粒子時，它就變?yōu)殡姷膶w。這時如在氣體中安置兩個電極并加上電壓，就有電流通過氣體，這個現(xiàn)象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。