流注发展的理论

工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，如大气压力下空气的击穿应该用流注理论来说明，这一理论的特点在于它认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。

在放电起始阶段，电离区具有球头圆锥体的形状，头部朝向阳极。随着电压作用时间增加，电离区由阴极向阳极发展，数目也增多了。电离区的数量还随照射阴极的强度增加而增加。这就是前述电子崩的大致形状。电子由阴极向阳极运动，电离增强，带电质点数增多，由于电子的扩散作用，半径逐渐增加，于是就具有了椎体的形状。每个电子崩由一个初始电子造成，故电子崩的数目决定于阴极释放出的初始电子数量，也即应和电压作用时间、照射强度等因素相关。放电开始阶段是间隙中出现一系列独立的电子崩，且不断发展的阶段，即电子崩阶段。

若间隙上电压已达到击穿电压，则当电子崩从阴极发展到接近阳极时，电子崩头部电离强度显著增加。这个新出现的电离特强的放电区域即流注，它迅速由阳极向阴极发展，故称为正流注（或阳极流注）。放电的这一新的阶段称为流注阶段。正流注的发展速度较同样条件下电子崩的发展速度要大一个数量级（1× 108～2×108cm/s）。当流注贯通整个间隙后，回路中电流大增，通道中电离更为增强，间隙就被击穿。火花击穿时，明亮的火花通道就是这样形成的。由实验可知，电子崩是沿着电力线直线发展的，而流注却会出现曲折的分支，电子崩可以同时又多个互不影响地向前发展，但流注却不然，当某个流注由于偶然的原因向前发展得更快时，其周围的流注会受到抑制。这样火花击穿途径就具有细通道的形式，并带有分支，而不是模糊一片了。

若间隙上电压比击穿电压高很多，也观察到负流注（或阴极流注）的形成。这时电子崩在间隙中经过很短一段距离后，立即转入流注阶段，流注随即迅速向阳极发展。负流注的发展速度约7×107～8×107cm/s，即比正流注要稍低一些。间隙的放电过程先从电子崩开始，然后电子崩转为流注，从而实现击穿。

1）电子崩

在电场作用下，电子在奔向阳极的过程中不断引起碰撞电离，电子崩不断发展。由于电子的迁移速度比正离子的要大两个数量级，因此在电子崩发展过程中，正离子留在其原来的位置上，移动不多，相对于电子来说可看成是静止的。由于电子的扩散作用，电子崩在其发展过程中半径逐渐增大，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，而其外形则好似球头的椎体。由于强电场中出现了电子崩过程，带电质点大增，所以放电电流大增。电子崩的电离过程集中于头部，空间电荷的分布也是极不均匀的。当电子崩发展到足够程度后，空间电荷将使外电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾的电场，而削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场。

电子崩头部电荷密度很大，电离过程强烈，再加上电场分布受到上述畸变，结果崩头将放射出大量光子。崩头前后，电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们从激励状态回到正常状态时，就将放射出光子。崩头内部正负电荷区域之间电场大大削弱，则有助于发生复合过程，同样将发射出光子。当外电场相对较弱时，这些过程不是很强烈，不致引起什么新的现象。电子崩经过整个电极间隙后，电子进入阳极，正离子也逐渐在阴极上发生中和而失去其电荷。这样，这个电子崩就消失了。因而放电没有转入自持。但当外电场甚强，达到击穿场强时，情况就引起了质的变化，电子崩头部就开始形成流注了。

2）流注的形成

当放电间隙上加上足够高的作用电压时，如果有一个电子离开阴极，它将电离间隙间的气体分子，气体电离后产生的电子会在作用电场加速下进一步去电离其余气体。原先那个电子在作用电场方向上运动x距离后，它会电离生成eαx个新电子，这个过程是非常迅速的，它把电子积累起来，从而建成了单个电子雪崩。在能造成气体击穿的电场下，电子的运动速度可以达到2×107cm/s，而这时电极之间正离子的速度大约只有2×105cm/s，所以，正离子相对电子来说是固定不动的。这样，在电极间建立起的电子崩像一朵电子云，在电子云的后面是正离子空间电荷，而且其分布是很不均匀的。由于电子雪崩，造成了空间电荷的巨大变化，即在雪崩头部正离子密度达到最大值，因此在放电间隙里空间电场有很大的畸变，如图2-4所示。

图2-4 一个电子雪崩中的电荷分布

图2-5表示了电压等于击穿电压时电子崩转入流注、实现击穿的过程。由外电离因素使从阴极释放出的电子向阳极运动，形成电子崩，如图2-5（a）所示。随着电子崩向前发展，其头部的电离过程越来越强烈。当电子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度已如此之大，以致大大加强了尾部的电场，并向周围辐射出大量光子，如图2-5（b）所示。这些光子引起了空间光电离，新形成的光电子被主电子崩头部的正空间电荷吸引，在受到畸变而加强的电场中，又激烈地造成了新的电子崩，称为二次电子崩。二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（主电子崩的电子已大部分进入阳极），由于这里电场强度较小，电子大多形成负离子。大量的正负带电质点构成了等离子体，就是所谓的正流注，如图2-5（c）所示。流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩汇集的结果，流注头部电离过程蓬勃发展，向周围放射出大量光子，继续引起空间光电离。于是在流注前方出现了新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道。这样流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而发展也越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙就被电导良好的等离子通道所贯通，于是间隙的击穿完成，如图2-5（d）所示。

图2-5 正流注的产生及发展

（a）形成电子崩；（b）放射大量光子；（c）形成流注；（d）被阻抗等离子体贯通

以上介绍的是电压较低，电子崩需经过整个间隙方能形成流注的情况。这个电压就是击穿电压。如果外施电压比击穿电压高，则电子崩不需经过整个间隙，其头部电离程度已足以形成流注了。流注形成后，向阳极发展，所以称为负流注。负流注发展中，由于电子的运动受到了电子崩留下的正电荷的牵制，所以其发展速度较正流注的要小。当流注贯通整个间隙后，击穿就完成了。

Raether提出了负流注形成的示意图如图2-6所示，它是以气体的容积光电离和崩头前方强电场的形成为基础的。从图中可以看到，从阴极发射出的初始电子在外电场作用下形成主电子崩Ⅰ；电子运动过程中形成的激发态原子辐射出大量光子（波形线表示光子的辐射路线），在空间使气体原子电离产生光电子，主电子崩Ⅰ以速度v从阴极向外扩展，在它前方由光电离形成的自由电子是新电子崩Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ…的发源地，a1、b1、c1…点是由电子崩中被激发原子发出的光子，而a2、b2、c2…点是气体原子被光子辐照而发生的光电离，波形线表示光子沿a1a2、b1b2、c1c2…扩展，经过一定时间Ⅱ与Ⅰ汇合，Ⅴ与Ⅵ汇合，这些新电子崩汇合一起迅速向阳极发展，成为强大的负流注，这里流注的扩展速度远大于电子崩的扩展速度。

图2-6 负流注形成的示意图