[科普中国]-弧光放电

简介

弧光放电是气体放电中应用得最广泛的一种放电形式。极大部分的照明光源都应用弧光放电原理设计而成，超大电流的整流离子管中也应用弧光放电形式。由于设计结构和参数各异，所以弧光放电也呈现出不同的型式。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。

弧光放电在气体放电伏安特性曲线中的位置若采用一对平板形电极平行封入玻璃管，在管内充人的气体种类、气体压强和外电路施加的电压、流过放电管的电流、放电管电极耗散功率、极间距离等放电条件全部合适时，可以测出放电管两端电压和流过放电管的电流间具有气体筋电的全伏安特性曲线。

因为整条放电伏安曲线的放电电流和阳极耗散功率相差几十个数量级，采用一种结构的实验放电管很难测出整条曲线。从几个相似结构的放电管上测出的几条曲线经技术处理后拼接而成的。

弧光放电的电流范围非常宽，低气压弧光放电灯的工作电流在几十毫安至几百毫安范围，高气压弧光放电灯的工作电流在几安培至几百安培，大电流整流离子管的整流电流可达几千安培乃至万余安培1。

弧光放电的特点1.存在明暗相间的发光区

若使放电管工作于弧光放电状态，可以发现在放电管的阴极和阳极间形成八个明暗相间的放电压。分别是属于阴极位降区的阿斯登暗区、阴极辉区、阴极暗区，属于过渡区的负辉区、法拉弟暗区、正柱区和属于阳极位降区的阳极暗区、阳极辉区。这和辉光放电相同，但这些区域的几何尺寸、电位梯度、发光亮度与辉光放电有很大差别。

2.具有近似于线性的极间电位分布

弧光放电的工作电流通常很大，大部分的弧光放电通过阴极热发射产生初始电子，所以阴极位降区很短，阴极位降电压很低，不到辉光放电阴极位降的十分之一。正柱区的电位降占了弧光放电管压降的大部分。

3.热阴极弧光放电管的阳极和工作气体被加热到很高的温度，阴极被加热到热电子发射温度。

4.弧光放电的正柱区为等温等离子体、放电气体的温度可高达10000K，高气压弧光放电的正柱区收缩成一条细线，集中在管轴附近。具有明显的边界，放电正柱截面只占放电管横截面的一部分，径向温度梯度可达每毫米几千度。增加放电电流时几乎不增加放电细线的直径，只增加电流密度，同时增加了发光亮度。所以增加放电管的直径不影响弧光放电状态，有别于辉光放电。弧光放电正柱中以热电离为主要形式，电子和分子碰撞电离降为次要作用。

5.弧光放电除产生原子光谱辐射外还产生连续光谱，具有很高的发光效率。

6.常规弧光放电具有负的伏安特性。这是因为弧光放电管电流较小时，大部分的气体原子处于基态，只有很少一部分处于激发态，碰撞电离主要由电子轰击基态原子形成，与电流强度成一次方的正比关系。随着弧光放电电流的增大，气体温度上升，激发态原子随之增加。除了热电离外，碰撞引起的激发态原子的逐次电离起的作用也越来越重要。由于逐次电离是一种两次过程，发生电离的次数正比于电流的平方。所以弧光放电管总的电离总数正比于电流的几次方，其中1