ガス中の放電

ガス中の放電は、ガスのイオン化により電流がガス媒体を流れるときに発生します。いくつかの要因に応じて、放電は可視光を放射する場合があります。ガス中の放電の特性は、照明源の設計や高電圧電気機器の設計に関連して研究されています。

冷陰極管では、ガス中の放電は3つの領域に分かれており、それぞれ異なる電流電圧特性を持っている。^[1]

• I :タウンゼント放電、ブレークダウン電圧以下。低電圧では、宇宙線やその他の電離放射線源によってガス内に電荷キャリアが生成され、電流のみが流れます。印加電圧が増加すると、電流を運ぶ自由電子が十分なエネルギーを得てさらに電離し、電子なだれが発生します。この状態では、電圧がほとんど上昇しないのに、電流はフェムトアンペアからマイクロアンペアに、つまり 9 桁増加します。電圧電流特性はブレークダウン電圧付近で徐々に低下し始め、グローが見えるようになります。
• II :グロー放電。ブレークダウン電圧に達すると発生します。電極間の電圧が突然低下し、電流がミリアンペアの範囲まで増加します。低電流では、管全体の電圧は電流にほとんど依存しません。これは、グロー放電電圧調整管で使用されます。低電流では、グロー放電で覆われた電極の面積は電流に比例します。高電流では、通常のグローが異常なグローに変わり、管全体の電圧が徐々に増加し、グロー放電が電極の表面をますます覆います。低電力スイッチング（グロー放電サイラトロン）、電圧安定化、および照明アプリケーション（ニキシー管、デカトロン、ネオンランプなど）は、この領域で動作します。
• III :アーク放電は、電流のアンペア範囲で発生し、管の両端の電圧は電流の増加とともに低下します。トリガースパークギャップ、イグニトロン、サイラトロン、クライトロン（およびその真空管派生品で真空アークを使用するスプライトロン）などの高電流スイッチング管、高出力水銀アークバルブ、および水銀灯やメタルハライドランプなどの高出力光源は、この範囲で動作します。

グロー放電は、電子がガス原子に衝突してイオン化することで促進されます。グロー放電を形成するには、電子の平均自由行程が適度に長く、かつ電極間の距離より短くなければなりません。そのため、ガス圧が低すぎても高すぎてもグロー放電は容易には発生しません。

グロー放電の破壊電圧は、パッシェンの法則に従って、ガス圧と電極距離の積に非線形に依存します。特定の圧力×距離値では、破壊電圧は最低になります。電極距離が短い場合の放電電圧の増加は、電極距離に比べて電子の平均自由行程が長すぎることに関係しています。

少量の放射性元素を、別の材料（例えば、クリトロンのニッケル63）として、または電極の合金（例えば、トリウム）への添加として、管内に追加して、ガスを予備イオン化し、電気絶縁破壊およびグロー放電またはアーク放電点火の信頼性を高めることができる。気体放射性同位体（例えば、クリプトン85）も使用できる。点火電極およびキープアライブ放電電極も使用できる。^[2]

電子の平均エネルギー (したがって放電のその他の多くの特性) は E/N の関数であるため、電界E と中性粒子の濃度 Nの間の E/N 比がよく使用されます。電気強度 E をある係数 q だけ増加させることは、ガス密度 N を係数 q だけ低下させることと同じ結果をもたらします。

SI単位はV·cm ²ですが、タウンゼント単位（Td）がよく使用されます。

2002年には、グロー放電を利用した特定の地図作成問題の解決法が発表された。 ^[3]この研究を紹介するNatureのニュース記事によると、^[4]インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは、観光客に光るルート案内を提供するミニマップの作成方法を実証した。1インチのロンドンチップを作成するために、研究チームはガラススライドに市内中心部の計画図をエッチングした。上部に平らな蓋をかぶせると、通りは中空の連結されたチューブになった。研究チームはこれにヘリウムガスを充填し、主要な観光拠点に電極を挿入した。2点間に電圧をかけると、A地点からB地点までの最短ルートに沿って電気が自然に通りを流れ、ガスが小さな光るストリップライトのように光る。このアプローチ自体は、マイクロ流体チップでのグロー放電の点灯特性に基づいて、幅広い種類の迷路探索問題を解決するための 新しい可視アナログコンピューティングアプローチを提供する。