1.1.1 质点的产生和消失

为了说明气体放电过程，首先必须了解气体中带电粒子产生、运动、消失的过程和条件。

1.气体中的运动

（1）自由行程长度

当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹，它们一方面与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场作定向漂移（见图1-1）。

各种粒子在气体中运动时都会不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。单位行程中的碰撞次数Z的倒数入即为该粒子的平均自由行程长度。

实际的自由行程长度是一个随机量，并具有很大的分散性。粒子的自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为

可见，实际自由行程长度等于或大于平均自由行程长度的概率为36.8%。由于电子的半径或体积要比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度为

式中 r——气体分子的半径；

N——气体分子的密度。

由于，代入式（1-2）即得

式中 p——气压（Pa）；

T——气温（K）；

k——玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K。

在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10-5cm。

（2）带电粒子的迁移率

带电粒子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度v与场强E成正比，其比例系数k=v/E称为迁移率，它表示该带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。

由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多，更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。

（3）扩散

气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程称为扩散。气压越低或温度越高，则扩散进行得越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。

2.带电粒子的产生

产生带电粒子的物理过程称为电离，它是气体放电的首要前提。

气体原子中的电子沿着原子核周围的圆形或椭圆形轨道，围绕带正电的原子核旋转。在常态下，电子处于离核最近的轨道上，因为这样势能最小。当原子获得外加能量时，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，这个现象称为激励，产生激励所需的能量（激励能）等于该轨道和常态轨道的能级差。激励状态存在的时间很短（例如，10-8s），电子将自动返回常态轨道上去，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能（光子）的形式放出。如果原子获得的外加能量足够大，电子还可跃迁至离核更远的轨道上去，甚至摆脱原子核的约束而成为自由电子，这时原来中性的原子发生了电离，分解成两种带电粒子——电子和正离子，使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。

表1-1列出了某些常见气体的激励能和电离能之值，它们通常以电子伏（eV）表示。由于电子的电荷q_e恒等于1.6×10-19C，所以有时也可以采用激励电位从（V）和电离电位U_i(V)来代替激励能和电离能，以便在计算中排除q_e值。

引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如光能、热能、机械（动）能等，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离等。

（1）光电离

频率为ν的光子能量为

式中 h——普朗克常数，h=6.63×10-34J·s=4.13×10-15eV·s。

发生空间光电离的条件应为

或者

式中 λ——光的波长（m）；

c——光速，c=3×108m/s；

W_i——气体的电离能（eV）。

通过式（1-5）的计算可知，各种可见光都不能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特别小的金属蒸气发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线（例如，X射线、γ射线等）才能使气体发生光电离。

应该指出：在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如在后面将要介绍的带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。

（2）热电离

在常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中已发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。图1-2是空气的电离度m与温度T的关系曲线，可以看出：只有在温度超过10000K时（例如，电弧放电的情况），才需要考虑热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子都已处于热电离状态。

（3）碰撞电离

在电场中获得加速的电子在和气体分子碰撞时，可以把自己的动能转给后者而引起碰撞电离。

电子在电场强度为E的电场中移过x的距离时所获得的动能为

式中 m——电子的质量；

q_e——电子电荷量。

如果W等于或大于气体分子的电离能W_i，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离。由此可以得出电子引起碰撞电离的条件应为

电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离（式中，U_i为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的W_i相等），x_i的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使x_i值减小，可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。

碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。应该强调的是，主要的碰撞电离均由电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。

（4）电极表面的电离

除了前面所说的发生在气体中的空间电离外，气体中的带电粒子还可能来自电极表面上的电离。

电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。各种金属的逸出功是不同的，见表1-2。

将表1-2与表1-1作比较，就可看出：金属的逸出功要比气体分子的电离能小得多，这表明，金属表面电离比气体空间电离更易发生。在不少场合，阴极表面电离（也可称电子发射）在气体放电过程中起着相当重要的作用。随着外加能批形式的不同，阴极的表面电离可在下列情况下发生：

1）正离子撞击阴极表面：正离子所具有的能量为其动能与势能之和，其势能等于气体的电离能W_i。通常正离子的动能不大，如忽略不计，那么只有在它的势能等于或大于阴极材料的逸出功的两倍时，才能引起阴极表面的电子发射，因为首先要从金属表面拉出一个电子，使之和正离子结合成一个中性分子，正离子才能释放出全部势能而引起更多的电子从金属表面逸出。比较一下表1-1与表1-2中的数据，不难看出，这个条件是可能满足的。

2）光电子发射：高能辐射线照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能批应大于金属的逸出功。由于金属的逸出功要比气体的电离能小得多，所以紫外线已能引起阴极的表面电离。

3）热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子和离子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。

4）强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能使阴极发射电子。一般常态气隙的击穿场强远小于此值，所以在常态气隙的击穿过程中完全不受强场发射的影响；但在高气压下、特别是在压缩的高电气强度气体的击穿过程中，强场发射也可能会起一定的作用；而在真空的击穿过程中，它更起着决定性作用。

3.负离子的形成

当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程称为附着。

某些气体分子对电子有亲合性，因而在它们与电子结合成负离子时会放出能量（电子亲合能），而另一些气体分子要与电子结成负离子时却必须吸收能量。前者的亲合能为正值，这些易于产生负离子的气体称为电负性气体。亲合性越强的气体分子越易俘获电子而变成负离子。

应该指出：负离子的形成并没有使气体中的带电粒子数改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。空气中的氧气和水汽分子对电子都有一定的亲合性，但还不是太强；而后面将要介绍的某些特殊的电负性气体（例如，SF₆）对电子具有很强的亲合性，其电气强度远大于一般气体，因而被称为高电气强度气体。

4.带电粒子的消失

气体中带电粒子的消失可有下述几种情况：

1）带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；

2）带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间；

3）带电粒子的复合。

当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，它是与电离相反的一种物理过程。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生了一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生了两个中性分子。上述两种复合都会以光子的形式放出多余的能量，这种光辐射在一定条件下能导致其他气体分子的电离，使气体放电出现跳跃式的发展。

带电粒子的复合强度与正、负带电粒子的浓度有关，浓度越大，则复合也进行得越激烈。每立方厘米的常态空气中经常存在着500～1000对正、负带电粒子，它们是外界电离因子（高能辐射线）使空气分子发生电离和产生出来的正、负带电粒子又不断地复合所达到的一种动态平衡。