streamer theory of gas dis-charge
简介
解释气体击穿过程的基本理论之一。这种理论和汤森放电理论相互补充，认为：在气体击穿的过程中，除了汤森放电理论中所阐述的电离现象之外，空间电荷引起的电场畸变以及间隙中的光电离也是很重要的影响因素。
汤森放电理论成功地解释了许多气体击穿现象，但这种理论比较适用于pd值(间隙里的气压p和间隙距离d的乘积)较小的情况。当pd值较大，一般说来，当pd≥0.1～0.2 MPa·cm时，汤森放电理论即不再适用。按照汤森理论，气体间隙的击穿时间较长，例如当间隙距离为1 cm时，这个时间约为100 ns;但是实际观察得到的时间要小得多，约为10 ns。按汤森放电理论，气体放电的通道应是均匀的一片，但由实验观察到有的通道很细，而且具有分枝的形式。实验还表明：间隙的击穿电压在pd值大时和阴极材料几乎无关。以上诸现象说明：当pd值较大时，汤森理论是不完善的，从而促进了新的解释气体击穿学说的发展。1940 年 H. 雷特 ( H.Reather )、J.M. 米克(J.M.Meek)和L.B.廖勃(L.B.Leob)在观察云室中气体放电发展过程的基础上，分别独立地提出了解释气体间隙击穿的流注放电理论。
流注放电理论的模型 H.雷特、J.M.米克等人在实验的基础上提出了如下的模型：间隙的放电先从电子崩开始;在电子崩发展和行进过程中，因为电子的迁移率比离子高得多，所以在电子崩的头部集中了负电荷，而在尾部为正电荷。如图1所示，电子崩所形成的空间电荷要使间隙中的电场发生畸变;在电子崩的头部和尾部，由空间电荷的电场和外加电场叠加而得的复合电场要加强(图中箭头表示空间电荷产生的电场的方向)。当电子崩发展到一定的大小时，在电子崩的头部和尾部的复合电场达到很高的数值，使其附近的气体原子和分子发生电离和激励。同时，在此处正、负带电粒子的复合以及受激原子、分子的跃迁都会释放出光子。这些光子又使周围的气体分子、原子发生光电离，并产生新的电子。新产生的电子在强电场的作用下形成二次电子崩或称子崩。由初始及二次电子崩的大量正、负带电粒子组成电离度很高的通道区域，即流注。当流注贯穿整个间隙时，则造成间隙的击穿。在流注放电理论中，光电离是重要的因素。因为光子飞行速度很快，所以流注发展也很快，由此可以解释间隙的击穿时间可以很小的原因。
图1 电子崩的空间电荷引起
间隙中电场的畸变
A、C—阳极和阴极;d—间隙距离;
E0—无空间电荷时的电场;E(x)—
空间电荷产生的电场与E0相叠加而形成的复合电场
流注放电的发展过程 流注可分为正流注与负流注。
(1)正流注：从阳极方向朝阴极方向发展的流注。图2表示从电子崩发展成为流注的过程。A、B分别表示在外光源照射或正离子撞击阴极而从阴极释放出的自由电子。这些电子在外电场的作用下，朝阳极运动并和周围的原子、分子发生碰撞电离，使电子倍增形成电子崩。C和D是不同发展阶段的电子崩。在电子崩朝阳极行进过程中，因电子的迁移率大，电子崩头部集中电子，尾部集中正离子。由于扩散作用，使电子崩的头部呈球状，尾部为锥形。当电子崩走完整个间隙后，其头部的电子进入阳极，空间电荷形成很强的电场。此时由电子崩发射出的大量光子，将使周围气体发生光电离而产生电子-正离子对E。新产生的电子在电场中加速又产生二次电子崩F。它们和起始电子崩汇合，形成导电良好的等离子体通道G—流注。不断向阴极发展的流注H最后贯通整个间隙，使间隙击穿。
图2 正流注的发展过程
㊀—电子;⨁—正离子;～～—光子;㊀⨁—光电离形成的电子—正离子对
从图3可以看到分枝流注发展的情况。在流注I的尾部同时形成两个电子崩J和K。由于光电离，使两个电子崩发展成为分叉的两个流注。由此可见，流注理论可以解释放电通道具有较细的分枝的原因。
图3 分枝流注
(2)负流注：从阴极方向朝阳极方向发展的流注。当外加电压较高时，初始的电子崩不用走完整个间隙二次电子崩汇入流注，又使流注向阳极发展。流注L朝两个方向发展后扩展为流注M，同时在阳极处形成正流注N和在阴极处形成负流注o。流注理论中关键的机制是间隙中发生的光电离过程。由此也可以解释间隙的击穿电压与阴极材料几乎无关。
电子崩转化为流注的条件 H.雷特在实验观测的基础上得出流注形成的经验公式：αxc=17.7+lnxc，式中α为电子的碰撞电离系数(见汤森放电理论);xc为电子崩发展的临界距离，cm。从上式可求得均匀电场中的自持放电条件为ad≈20(d为极间距离，cm)，并可推出相应的间隙击穿电压。此时崩头中的电子数约为：exp(20)≈108个。在汤森放电理论中，自持放电条件为：αd=ln (1/γ+1)距离，其头部的电场就已足够强，从而形成位于间隙中间的流注L (见图4)，并向阴极发展。同时，由于流注L和阳极之间电场很强，发生电离和二次电子崩，=8～10。式中γ系数为一个正离子打到阴极时所释放的二次自由电子数。
图4 负流注