高纯度气体在帕申最小区域发生电击穿的机制及其数学建模

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Mechanisms and Mathematical Modeling of Electrical Breakdown of Noble Gases in the Paschen Minimum Region

Paschen极小区域中，气体击穿机制（雪崩击穿、反常Paschen击穿、Townsend击穿）动态交替，本研究基于离子化表达式和Townsend/Takeishi系数提出新电离系数模型，假设麦克斯韦型自由电子气体分布，实验验证显示该模型在Paschen效应区域预测击穿电压最准确，为理解惰性气体击穿机制提供新方法。

　　

摘要：

在帕申最小值区域，雪崩式真空击穿机制、异常帕申击穿机制和汤森击穿机制会交替出现。这些机制之间的界限并不明确，而是相互交织并影响彼此。由于这些电击穿机制基于气体放电现象，本研究仔细分析了基于汤森（Townsend）和竹石（Takeishi）提出的电离表达式及系数的数学模型。在此基础上，假设自由电子气体遵循麦克斯韦分布（Maxwellian spectrum），提出了新的电离系数表达式。实验验证表明，这种电离系数在帕申效应区域能够获得最佳结果。通过应用推导出的算法计算击穿电压值，并将其与相应的实验值进行比较，解释了帕申区域内惰性气体的电击穿机制。实验在受控良好的实验室条件下进行，测量不确定性极低。

引言

气体击穿是由于电子与气体分子或原子碰撞而产生的，这种碰撞会导致离子和电子的形成，从而形成自维持放电机制。自维持放电的发展在很大程度上受到涉及带电粒子的碰撞过程及其传输特性的控制。击穿本身取决于负责产生和消除电子-离子对的机制的有效性，这些机制决定了电放电过程中的电子密度 [1]、[2]。