弧光放電

弧光放電是氣體放電中應用得最廣泛的一種放電形式。極大部分的照明光源都應用弧光放電原理設計而成，超大電流的整流離子管中也應用弧光放電形式。由於設計結構和參數各異，所以弧光放電也呈現出不同的型式。通常產生弧光放電的方法是使兩電極接觸後隨即分開，因短路發熱，使陰極表面温度陡增，產生熱電子發射 。熱電子發射使碰撞電離及陰極的二次電子發射急劇增加，從而使兩極間的氣體具有良好的導電性。弧光放電的，電流增大的兩極間電壓反而下降，有強烈光輝。還有一種弧光放電叫做冷陰極弧光放電，陰極由低熔點材料（如汞）做成。陰極表面蒸發出的蒸氣被電離，在陰極表面附近堆積成空間正電荷層，此電荷層與陰極間極為狹窄區域內形成的強電場引起場致發射，使電流劇增，產生電弧。

若採用一對平板形電極平行封入玻璃管，在管內充入的氣體種類、氣體壓強和外電路施加的電壓、流過放電管的電流、放電管電極耗散功率、極間距離等放電條件全部合適時，可以測出放電管兩端電壓和流過放電管的電流間具有氣體筋電的全伏安特性曲線。

因為整條放電伏安曲線的放電電流和陽極耗散功率相差幾十個數量級，採用一種結構的實驗放電管很難測出整條曲線。從幾個相似結構的放電管上測出的幾條曲線經技術處理後拼接而成的。

弧光放電的電流範圍非常寬，低氣壓弧光放電燈的工作電流在幾十毫安至幾百毫安範圍，高氣壓弧光放電燈的工作電流在幾安培至幾百安培，大電流整流離子管的整流電流可達幾千安培乃至萬餘安培 ^[1]  。

1.存在明暗相間的發光區

若使放電管工作於弧光放電狀態，可以發現在放電管的陰極和陽極間形成八個明暗相間的放電壓。分別是屬於陰極位降區的阿斯登暗區、陰極輝區、陰極暗區，屬於過渡區的負輝區、法拉弟暗區、正柱區和屬於陽極位降區的陽極暗區、陽極輝區。這和輝光放電相同，但這些區域的幾何尺寸、電位梯度、發光亮度與輝光放電有很大差別。

2.具有近似於線性的極間電位分佈

弧光放電的工作電流通常很大，大部分的弧光放電通過陰極熱發射產生初始電子，所以陰極位降區很短，陰極位降電壓很低，不到輝光放電陰極位降的十分之一。正柱區的電位降佔了弧光放電管壓降的大部分。

3.熱陰極弧光放電管的陽極和工作氣體被加熱到很高的温度，陰極被加熱到熱電子發射温度。

4.弧光放電的正柱區為等温等離子體、放電氣體的温度可高達10000K，高氣壓弧光放電的正柱區收縮成一條細線，集中在管軸附近。具有明顯的邊界，放電正柱截面只佔放電管橫截面的一部分，徑向温度梯度可達每毫米幾千度。增加放電電流時幾乎不增加放電細線的直徑，只增加電流密度，同時增加了發光亮度。所以增加放電管的直徑不影響弧光放電狀態，有別於輝光放電。弧光放電正柱中以熱電離為主要形式，電子和分子碰撞電離降為次要作用。

5.弧光放電除產生原子光譜輻射外還產生連續光譜，具有很高的發光效率。

6.常規弧光放電具有負的伏安特性。這是因為弧光放電管電流較小時，大部分的氣體原子處於基態，只有很少一部分處於激發態，碰撞電離主要由電子轟擊基態原子形成，與電流強度成一次方的正比關係。隨着弧光放電電流的增大，氣體温度上升，激發態原子隨之增加。除了熱電離外，碰撞引起的激發態原子的逐次電離起的作用也越來越重要。由於逐次電離是一種兩次過程，發生電離的次數正比於電流的平方。所以弧光放電管總的電離總數正比於電流的幾次方，其中1<n<2。

但是帶電粒子的複合通常正比於放電電流，即一次方關係。這樣，當弧光放電電流增加時，假如管壓降不變，那麼產生的帶電粒子數會超過損失數，為了維持放電平衡，必需減少電離幾率，即減小放電管的軸向電場強度，形成了常規弧光放電的負伏安特性，有時被稱為弧光放電的負阻特性。

7.當弧光放電管的正柱區長度和放電電流適當時，可形成正伏安特性的弧光放電

8.在低氣壓和高氣壓下都可形成弧光放電 ^[2]  。

這類弧光放電由專用熱子電路加熱陰極產生熱電子發射，稱人工熱陰極弧光放電。當切斷熱子電路停止加熱陰極時，放電停止，這是一種非自持弧光放電。

當放電形成後，在陰極表面由於受空間電子雲的作用，所以陰極表面的電場強度為零。在陰極位降區和等離子區的交界面(過渡區極小)，由於空間正離子的影響，這裏的電場強度也等於零。從等離子區通過這交界面進入陰極位降區的電子受拒斥場的作用被反擲回等離子區，而從等離子區通過交界面進入陰極位降區的正離子被加速飛向陰極。所以交界面相當於一個發射正離子的電極。

由於陰極的熱發射温度由外電路獲得，不是由正離子轟擊所致，所以這類弧光放電管的陰極位降值極低，最高時相當於工作氣體的電離電位，通常低於電離電位，設計合理時可低於工作氣體的第一激發電位。這類弧光放電管曾用於中等電流(安培級和數拾安培級)電路的整流和電路通斷控制 ^[3]  。