2.1气体放电管
2.1.1简介
气体放电管是在放电间隙内充入适当的气体介质，配以高活性的电子发射材料及放电引燃机构，通过银铜焊料高温封接而制成的一种特殊的金属陶瓷结构的气体放电器件。它主要用于瞬时过电压保护，也可作为点火开关。在正常情况下，放电管因其特有的高阻抗(>1000MΩ)及低电容 (<2pF)特性，在它作为保护元件接入线路中时，对线路的正常工作几乎没有任何不利的影响。当有害的瞬时过电压窜入时，放电管首先被击穿放电，其阻抗迅速下降，几乎呈短路状态，此时，放电管将有害的电流通过地线或回路泄放，同时将电压限制在较低的水平，消除了有害的瞬时过电压和过电流，从而保护了线路及元件。当过电压消失后，放电管又迅速恢复到高阻抗状态，线路继续正常工作。
气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。
气体放电管的基本特点是：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。但残压高，反应时间慢(≤100ns)，动作电压精度较低，有续流现象。
气体放电外观图Figure 1气体放电的伏安特性2.1.2
现以一气体放电管的伏安特性通常与管子的哪些电极间施加什么极性的电压没有关系。的二极放电管为例，来说明放电管伏安特性的基本特征。下图是按个直流放电电压为150V以电流为应变量，画作纵电子元件伏安特性的惯用画法，即以电压为自便量，画作横坐标；坐标。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。点的电点放电，A如图所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A）du/di之间的这段伏安特性上，其斜率（即动态电阻到压称为放电管的直流放电电压。在AB放电管即工作的电阻加到放电管上，的直流电压源经1MΩ称为负阻区。是负的，如果200V段为正常辉光放电区，在此区间内电压基本不随BC在此区间，这时的放电具有闪变特征。段称为异常辉光电流而变，当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。CD1.5A～BD的最大电流一般在0.2A放电管，放电区。直流放电电压为90V~300V其辉光放电区放电由点突然进入电弧放电区，即使是同一个放电管，当电流增加到足够大时放电之间。E处在电场中加速了的正离子在电弧放电时，辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加，管壁绝缘变坏。放电管在电弧区，电流数百次。8/20μs、10KA在采用合适的材料后，放电管可以做到导通
两端的电压基本上与通过的电流无关，在管内充以不同的惰性气体并具有不同的电压电弧压降常在10V～30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平，从而达到过电压保护的目的。
当电流下降到比开始燃弧（E点）的数值低的电弧熄灭电流值（F点）时，放电由电弧转为辉光，电弧熄灭电流通常在0.1A～0.5A。
Figure 2气体放电管的伏安特性曲线按照过电压保护的要求，在过电压作用下放电后，放电管应能自动恢复到非导通状态，在辉光区，否则在电弧区的续流可能会烧坏管子，甚至使通过续流的导线或电源也受到损坏。系统中加在放电管两端的系统正常运行因此，毫安级的续流长期流过，也会使放电管损坏。维持放电的电压是维持辉电源内阻较大，电压应低于维持放电的电压。在一般信号电路中，电阻，慢慢升压使放电管动5KΩ光放电的电压。在试验时，将直流电源与放电管之间串联350V测得直流放电电压为测出放电管停止放电时的电压。例如，作，然后再慢慢降低电压，。实际上，随着放电管品种的不同，其维持放电电压值～184V的放电管维持放电电压为68V 只要直流电源电压低于维护放电电压或交流的差异是比较大的。在被放电管保护的系统中，但在某些情况下可过电压过去后就不会有续流，电源电压的幅值低于管子的直流放电电压，能会在
电弧区产生续流，对此需要采取限流措施。气体放电管结构2.1.3
放电管内充早期的放电管是以玻璃作为管子的封装外壳，现已改用陶瓷作为封装外壳，，放电电极一般为两个、三个或五个，电极入电气性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气等）之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极和五极放电管。镍铬钴合金帽、它由纯铁电极、对于两极放电管来说，气体放电管的内部结构如图所示。管内内壁也涂管内放电电极上涂敷有放射性氧化物，银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。．
敷有放射性元素，用于改善放电特性。放电电极主要有针形和杯形两种结构，在针形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂敷放射性氧化物，以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性。
对于三级放电管，它也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三电极，即接地电极。五极放电管的主要部件与二、三极放电管基本相同，它具有较好的放电对称性，可适合于多线路的保护。
Figure 3气体放电管的组成
二极气体放电管的结构Figure
4．
三极气体放电管的结构Figure 5气体放电管工作原理2.1.4
实际上没有电流流过，Vs电压上升到击穿电压值期间，下图描述了放电管的放电过程。。1.5安培据管型而定）着火后电压降至辉光状态电压量级Vgl(70~150伏，电流从几百毫安至10~35。在这种状态下，弧光电压极低，一般为随着电流的进一步增加，跃变到弧光状态A，通过放电管的电伏，在很宽的范围实际与电流无关。随着过电压降低（即波形第二半周），据管型而定）以下，从而，必至100mA流相应降到维持弧光状态所需的最小值（此10mA 处熄灭。定停止弧光放电，通过辉光状态后，放电管在电压Ve
Figure 6气体放电管的特性曲线气体放电管的微观过程如图所
示。．
Figure 7气体放电管的微观过程汤生放电1)气体放电分为两大类：非自持放电和自持放电。 A.非自持放电是指在存在外致电源的条件下放电才能维持的现象；自持放电是指去掉外致电离源的情况下放电仍能维持的现象 B.这种放电现象与理论是本世纪初由科学放电从非自持过渡到自持的现象称为气体击穿。家汤生提出
的。．
汤生放电的伏安特性Figure 8剩余电离粒子和电子在电场的作用下定向运动，电流从零开始逐渐增加，区：A.T0由这时电流到达某一最大值。当极间电场足够大时，所有带电粒子都可到达电极，区域饱和电流值仍然很小（约T0于剩余电离产生的带电粒子密度一般很弱，所以。量级)10^-12A 阴极发射的电子在电场的作用下获得足够的能量，它们与气体分子碰撞并区：T1B. 产生电离，导致带电粒子增加，放电电流随之上升。电子与气体分子碰撞产生正离子，电流进一步增大。这里从阴极发射的最T2区：C.
那么汤生放电原始的电子是由某种光电效应产生的，如果这种光电效应突然消失，当作用在放电管两端的电压大区域的电流会立即中断，所以这种属于非自持放电。时，放电管的电流会突然迅速上升，如此时移去外界电离源放电于某一临界值Vs这时气体产如辉光放电和弧光放电。会照旧维持，气体出现某种类型的自持放电，就称为击穿电压。生了击穿或着火，其临界电压值Vs 帕邢定律和潘宁效应2)
)帕邢定律。试验证明，在放电空间里，气体的击穿电压只是气压和极距乘积的函数(它的着火电压会低于单种气体的着火实验发现，在适当的良种气体组成的混合气体中，氩混合气体中都发现了这种现象，这种效应称为潘宁效应。汞以及氖电压，目前在氩--辉光放电3)
主要区别在于辉光放电有辉光放电是一种重要的放电形式，是汤生放电的进一步发展，正常辉光及反常辉辉光放电可分为亚辉光、因放电管出现特有的光辉而得名，较大的电流。光放电三种类型。它是靠正离子轰击阴极所产生的二辉光放电是一种自持放电，放电电流大小为毫安级，次电子发射来维持的。辉光放电很明显分为以下几个区域：
A.阴极位降区：阴极与a之间，这里有很大的电场强度。
B.负辉区：ab之间，这里电离和激发主要由阴极位降加速下的快速电子碰撞气体原子而引起。
C.法拉第暗区：bc之间，这里电子能量太低，不足以激发气体原子，在ac之间的电子流主要是扩散电子流。
D.正柱区：cd之间，这里电场强度为常数。
E.阳极辉区：阳极附近的发光区。
辉光放电的区域Figure 9弧光放电4)
伏以内。由于弧30弧光放电是一种自持放电，它的主要特点是维持电压低，通常只有更多的电子应该是阴极自身发射电单靠正离子轰击阴极不能提供这么多电子，光电流很大，子。弧光放电分为三个区。这个区域，电流密度很大（10^10A/m2),阴极位降区：区域很短<10^-4m，压降10VA.
对于阴极发射电子及维持放电很重要。通常位降及电流密度小于阴而且不存在阳极发射，阳极位降区：空间电荷是负的， B. 极。气体是中性的，电场强度也是等离子区， C.弧光正柱：在两者之间的是弧光正柱区，的大小与气体的性质、气压、及电流有关。
弧光放电中电位的轴向分布Figure 10．
5)辉弧转换过程
从辉光放电相对低的电流密度、高的电压过渡到弧光放电高的电流密度、低的放电电压需要阴极电子发射机构本质的改变才行。
在反辉光区，电流密度增加，阴极位降增加，这使得撞击阴极的正离子能量增加，并提高了阴极的温度，反常辉光放电较高电流那部分对应阴极温度将变得足够高，从而使阴极发射出足够多的电子，这样最后只用较低的电压就能维持放电。
-弧光过渡Figure 11氮气放电的辉光气体放电管参数特性2.1.5
）直流击穿电压（Vs1)
100V/S缓慢上升的点电压时，致使放电管发生击穿的电压值。在放电管两端施加一个。由于放电具有分散性，围绕着这个平均值还需要同时给:Vs亦称“直流击穿电压”，记为出允许的偏差上限和下限值。