稳态汤逊法()

1903年，汤逊首先提出了用第一电离系数α来描述气体放电，并提出了测量α参数的方法，即稳态汤逊法（SST）。后来，人们发现电负性气体的放电特性非同一般气体，于是在气体放电中引入了附着系数η、二次电离系数γ等参数，发展了SST方法。这个方法就是测量平板电极间的由连续的初始电子发射所形成的稳态电流。初始电子是由一定强度的紫外光照射阴极而释放出来的，由于碰撞电离和附着过程的存在，使得极间距离改变时，回路中形成的稳态电流值也不相同。这样便得到了极间电流和极间距离的相关关系，通过计算机进行曲线拟合，最终可求得碰撞电离系数α和附着系数η。因为SST法描述的电子崩放电参数和模型是简单的，仅仅包含电离和附着过程，不能更深入地了解气体放电的发展过程，故这个方法仅能提供电子与气体分子相互作用的最终结果，电子崩的输运过程无法描述。尽管SST方法仅能测量α、η、γ等参数，且测量数据较多，工作量较大。但由于SST方法的实验设备简单，测量回路的技术要求不太高，因此采取合适的数据处理方法，运用计算机便可拟合出数据参数。这对于预测绝缘气体的放电特性和耐电强度无疑是一种简便易行的方法。

2.3.1.1 SST的实验原理和测量回路

测量绝缘气体的电子崩放电参数的实验，就是在非自持放电阶段进行的。在图2-7所示的测量回路中，气体间隙中电流和电压的关系如图2-8所示，此过程主要可分为4个部分。

图2-7 电子崩电流测量电路图

图2-8 气体中电流和电压的关系

（1）线性段OA。当电极受紫外光照射后，间隙中的气体由于电离不断产生带电质点，同时，正负带电质点又不断复合，这两种过程导致气体空间产生一定浓度的自由带电质点。在外施电压的作用下，带电质点沿电场运动，则在外回路中出现了电流。起初，随着电压的升高，带电粒子的运动速度增大，电流随之增大，二者基本呈线性关系，如图2-8中的OA阶段，故OA阶段也称为线性段。

（2）饱和段AB。当电压升高到UA附近，电流不再随之呈正比增大，而是趋于饱和。这说明由于间隙中因电离产生的带电质点已全部落入电极，故电流仅取决于外电离因素而和电压无关，此时外回路的电流即为初始电流I0，所以把AB段称为饱和段。饱和段的电流密度仍极小，一般只有10-19A/cm2数量级，因此这时气隙仍处于良好的绝缘状态。

（3）电离段BC。当电压增至UB附近时，又出现电流的增长，这时间隙中出现了新的电离因素，即电子的碰撞电离。电压越高，碰撞电离越强，产生的电子越多，电流也越大，直到C点。因此，BC段也称为汤逊放电阶段。

（4）自持放电阶段（C点以后）。当电压大于UC后，电流急剧增大，且此时若外加电压稍有减小，电流却不减小。这是因为强烈的电离过程所产生的热和光进一步增强了气体的电离因素，以至于电离过程达到了自我维持的程度，而不是依靠外界电离因素，仅由电场的作用维持放电过程，气体间隙转入良好的导电状态，即由非自持放电转入自持放电。电子在足够强的电场作用下，已积累足以引起碰撞电离的动能。U＜UC为非自持放电阶段。气体放电一旦进入自持放电，即意味着气隙被击穿。

SST实验就是在BC阶段测量电流随间隙的变化关系，进而求取α、η等电子崩放电参数。临界值UC称为起始电压，相应的（E/N）lim值称为绝缘气体的耐电强度，这就是电子崩放电实验确定气体绝缘性能的重要指标。

图2-9 电子崩运动示意图

2.3.1.2 SST数学模型的建立及放电参数的求解方法

在SST实验中，因为在较低气压（p＜3k Pa）下进行，故可忽略阴极表面的二次电子发射，电子崩中仅考虑碰撞电离和附着过程的作用（电子崩运动示意图见图2-9）。由电子碰撞系数α和电子附着系数η的定义可知，在dx距离上电离碰撞产生的新的电子数为

dni=neαdx（2-28）

式中，ne表示x处的电子数。

由附着过程引起的负离子，即失去的电子数为

dna=-neηdx（2-29）

故在x+dx处仍处于自由状态的电子数为

dne=ne（α-η）dx（2-30）

从x=0到x积分，并认为有n0个电子从阴极出发，则可得间隙中任意点x的电子数为

ne=n0e（α-η）x（2-31）

在这些条件下的稳态电流将有两个分量，其一由电子流产生，另一由负离子产生。为了确定总电流，必须求出负离子的电流分量。在dx处负离子的增量为

dnn=neηdx=n0ηe（α-η）xdx（2-32）

从0到x积分可得

间隙中总电流等于两个分量之和，或者：

从而总电流表达式为

式中，d为电极间距（mm），Ii为电极距离为d时的电子崩电流（A），α、η分别代表电离系数（1/mm）和吸附系数（1/mm）。

定义电离系数与附着系数的差值为有效电离系数α，即α=α-η。则式（2-35）可写为

传统的方法是利用非线性最小二乘法，根据测量的（Ii，di）数据，把α和η拟合出来，然后再分析气体的放电特性和（E/N）lim的时候，把放电参数换算为α/N和η/N。

2.3.1.3 SST实验装置

SST实验装置的要求是具有高真空度的电离腔体和高精度的测量系统。它主要是由电离腔体、真空系统、充气系统、高稳定度的直流电压源、稳定的光源系统和测量系统组成。一个典型的SST实验装置如图2-10所示。

图2-10 SST实验装置图

1）电离腔体

为了使测量电极间的电场均匀，一般采用一对Rogowsky电极。Rogowsky电极具有表面等电位的特点，同时理论上也要求电极边缘延伸较长，才能保证间隙电场均匀。

为了保证电极间电压稳定，需采用高稳定度的负高压直流电源。而要使阴极初始电子稳定发射，则需要稳定的紫外光照射。故电压和光源都要通过密封的腔体进入阴极，一般可以采用光电通道集中在一起的套管结构。电极的导杆制成空心用作光通道，构成光-电-绝缘-法兰同心结构。绝缘材料采用真空陶瓷，陶瓷与金属法兰、导电杆的封接采用真空封接工艺，这样既保证了绝缘要求，也符合了真空要求。

为了使实验气体的压力在微小的范围内进行调节，充气回路经可微调的高真空阀门充气，并通过干燥剂充入。

调节放电间隙距离的变化，可调节下电极（阳极），利用波纹管的可伸缩性和密封性，获得满意的效果。

2）真空系统

气体的纯度直接影响SST实验所测得的参数的准确性。要保证被测气体的纯度，必须要求腔体具有一定的真空度。设实验气体的纯度为100%，则可由下式计算所要求的真空度：

P=Px（1-x）（2-37）

式中，Px为实验时电离腔体所充的气压，x为实验中所用的气体的纯度。一般取x=99.999%，而SST的Px＜3k Pa，则真空度P=10-3Pa即可。为了提高实验的准确性，一般采用机械泵-分子泵组对电离室抽真空，同时用复合真空计测量，直至抽至所需的真空度。

3）紫外光源

当紫外光照射在阴极表面时，若光能量大于阴极材料的电子逸出功，则初始电子将被释放。最初采取过在阳极上开一小孔的方法，使紫外光经小孔照射在阴极表面上使其释放电子，但是这样会引起电场畸变，最大可达15%。目前一般采用在阴极中央开一小孔，小孔上嵌入合适大小的石英玻璃，并在石英玻璃上镀合适厚度的金层的方法。当紫外光透过石英玻璃照射金层时，便可发射稳定的电子，这样既不对电场发生影响，也不受电极距离变化的影响。

根据汤逊放电理论，在电子崩放电阶段的电流I约为10-13～10-11A的范围内，而I除了与E/N值有关之外，还与阴极初始电流I0的大小有关。I0过大将使电流I超过10-11A数量级，电场将产生畸变，进而发生击穿放电。若I0过小，微电流测量仪表灵敏度不够，不能准确测量I值。为了兼顾两个方面，应该调整光强度使电流I在10-12A数量级上。为此需要采用合适的光源，一方面其发出的光子能量应大于金的电子逸出功（3-.9e V），另一方面使得电流I在10-12A数量级。

4）电压电流测量系统

SST实验主要是测量在不同的E/N值下间隙电流I与间距d的关系。因为放电间隙为均匀电场，故E/N=U/（Nd），则U=Nd（E/N），即E/N值的变化转化为U的变化。所以，测量电压至关重要。为了保证电极间电压稳定，需采用高稳定度的负高压直流电源。为了准确地测量电压，选用高精度的电阻分压器，与数字电压表配合构成电压测量系统。

微电流计是实验中的关键设备，其作用是测量间隙电流I，由于I的数量级很小，仅为10-12A左右，需要灵敏度高、抗干扰性好的微电流放大器进行测量。