湯生放電理論

湯生放電理論即電子雪崩理論，即電子在放電過程中將氣體擊穿。電子在碰撞過程中新產生的電子數迅猛增加的這一現象稱為電子雪崩。

基本介紹

• 中文名：湯生放電理論
• 外文名：Townsend Discharge
• 運用領域：電機工程
• 別名：電子雪崩理論
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概念

在20世紀初英國物理學家湯生(John Sealy Edward Townsend)提出了第一個定量的氣體放電理論，即電子雪崩理論，放電的發展過程及氣體擊穿。湯生最初的理論只適用於湯生放電區和從非自持放電轉變到自持放電的過渡現象。在1931～1932年間羅可夫斯基(Rogowski)考慮了放電空間帶電粒子所生電場引起的偏差，對湯生理論作了重要的補充，從而使這一理論的適用範圍擴展到自持電流區和輝光放電的陰極部分。因此又被稱為湯生-羅可夫斯基理論。

湯生電離係數

在低氣壓(p<6×10³Pa)的條件下，當放電空間電場強度足夠大時，帶電粒子在漂移運動過程中從電場獲得足夠高的能量。具有高能量的帶電粒子與氣體粒子可發生非彈性碰撞，使之激發或電離，從而使空間產生新的帶電粒子，因而氣體中帶電粒子濃度不斷增大。實際放電空間帶電粒子的產生過程是多種多樣的，而且也是很複雜的。為了描述氣體導電中的電離現象，湯生提出了三種電離過程，並引出了三個對應的電離係數，也稱湯生三電離係數。

(1)湯生第一電離子係數——係數

在均勻電場空間，電子在向陽極運動的過程中，從電場獲得能量，具有較高能量的電子與氣體原子碰撞可使之電離。每個電子在沿電場反方向運行單位距離的過程中，它與氣體原子發生碰撞電離的次數就是電離係數。這個電離過程也稱為過程。

(2)湯生第二電離子係數——係數

每個正離子在向陰極運動的過程中，也與氣體原子不斷發生電離碰撞。電離係數就是一個正離子在沿電場方向運行單位距離的過程中，它與氣體原子發生碰撞電離的次數。這種電離過程也稱過程。

(3)湯生第三電離子係數——係數

空間的正離子攜帶一定能量打到陰極，使陰極產生二次電子發射數就是係數。這種過程也稱過程。

根據上述電離係數，我們來具體分析電流變化的規律。

電子雪崩

假設氣體空間兩電極是平行的平板，當電極上加上一定的電壓後，空間有均勻的電場分布。初始電子從陰極表面發射，單位時間內從陰極表面單位面積上發射出的n_o個電子。這些初始電子在電場作用下，向陽極方向運動，在其路程中不斷與氣體粒子碰撞。如果電場強度足夠大，那么它在運行過程中將引起碰撞電離。

若一個電子，經一次碰撞電離就多出一個電子，這樣一個電子就變成兩個電子；當這兩個電子繼續向陽極方向運動，若能發生第二次碰撞電離，那么這兩個電子就變成四個電子；若這四個電子在到達陽極前，還能發生碰撞電離，那么就變成了八個電子。可見，如此繼續下去，電子數不斷增多。這就是說，從陰極出發的一個電子，在向陽極方向運動的過程中，若不斷發生碰撞電離，其新產生的電子數將迅速猛增這種現象稱為電子雪崩或電子繁流，或簡稱電子崩，繁流或雪崩。

下面來計算電子崩的表達式。假設在兩平板電極空間，充有某種氣體，且有均勻的電場分布，電極如圖1光照射下的電子雪崩推導示意圖所示。

圖1

在放電率間取一極小的出薄層，橫截面為單位面積，若有一個電子由陰極方向進入層，由於過程，在如層內將新產生個新電子，若
有個電子進入層，同樣由於過程將在如層內將新產生個新電子，顯然：

考慮到整個放電空間的邊界條件，且對上式積分可得相應的電子流密度位：

上式中為兩平板間的距離，為陰極表面單位時間單位面積上發射的電子數，這就是氣體導電中非常重要的電子崩增長規律的理論公式。

湯生實驗

湯生是在斯托列托夫等實驗的基礎上繼續進行研究。1901~1903年所作實驗裝置如圖2所示。放電管很粗，平面陰極C，平面陽極A，紫外光經石英窗P及A射到C。可調極間距離d=5~20mm，氣體壓強p=13~665Pa，電源電壓0~400V。後人修正湯生理淪所作實驗的氣壓在100Pa至大氣壓量級，電源電壓最高達幾千伏。

圖2

圖3

圖4

固定P=101kPa及電場強度E=25kV/cm不變，改變d獲得結果如圖3所示。放電電流，隨d增大按指數上升。在d=0處，單純光電流強度為。改用對數坐標對d有直線關係如圖4所示。湯生髮現對d為直線關係，令斜率為K，建立了經驗公式：

理論實質

湯生從均勻電場低氣壓條件下的放電實驗出發，總結出較系統的理論，其實質如下。

當加一不大電壓於平行板的氣隙時，由於外界影響的存在，會有很小的電流流過，但當電壓升至某一值時，電流將隨電壓的增長而增長。這是因電子在增強的電場內獲得足夠的動能，以致在氣隙內發生碰撞游離。其產生的新電子也將再發生碰撞游離。所以電子流將象雪崩似地迅速增長，形成“電子崩”，這時氣隙仍未擊穿，逸出陰極表面的電子主要是依靠外界影響，當外界影響消失時，放電也就停止。這種需要外界能量支持的放電稱非自持放電。但若繼續增加電壓，則強烈的碰撞游離將產生很多正離子，在它們向陰極移動的過程中，有不少積聚在陰極附近，將形成表面游離，假使有n₀個電子從陰極脫離出來，這些電子向陽極運動時，由於碰撞游離在間隙中出現的正離子回到陰極能使陰極釋放出n₀個電子，從而抵償了間隙電子的減少，這時不需外界影響只靠電場就能維持間隙中的電流，這种放電稱為自持放電。由湯生放電理論得出的擊穿電壓計算公式與巴申定律相符。

大氣中的放電過程，流注理論

湯生理論對於低氣壓小間隙中的放電現象能很好解釋。但用來解釋大氣中的放電現象時，發現有許多與實際不符處。

1．以湯生放電理論計算出來的擊穿過程所需時問，與實標的擊穿時間有很大的不同，而測得的數值要小10~100倍。

2．按湯生放電理論，陰極性質在擊穿過程中起重要的作用，然而在大氣壓力下的空氣中，在測量誤差的範圍內，間隙擊穿電壓與陰極材料無關。

3．按湯生放電理論沿整個間隙是均勻連續地發展。但在大氣中氣體擊穿時，會出現有分枝的明亮細通道。