1、2021/3/231氣體放電理論（一）氣體放電理論（一）2021/3/2322021/3/2332021/3/234氣體放電氣體放電在電場作用下在電場作用下, ,氣隙中帶電粒子的形成和運動過程氣隙中帶電粒子的形成和運動過程n氣隙中帶電粒子是如何形成的氣隙中帶電粒子是如何形成的? ?n氣隙中的導電通道是如何形成的氣隙中的導電通道是如何形成的? ?n氣隙中導電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的氣隙中導電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的? ? 2021/3/2352.1 2.1 氣體中帶電質點的產生和消失氣體中帶電質點的產生和消失 n氣體中帶電質點的產生氣體中帶電質點的產生 （一）氣體分子的電離可由下列因

2、素引起（一）氣體分子的電離可由下列因素引起: （1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離 （2）各種光輻射（光電離）各種光輻射（光電離） （3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）高溫下氣體中的熱能（熱電離） （4）負離子的形成）負離子的形成 （二）（二） 金屬（陰極）的表面電離金屬（陰極）的表面電離2021/3/236碰撞電離碰撞電離 n氣體放電中氣體放電中,碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的的 n在電場作用下在電場作用下,電子被加速而獲得動能。當電子的動能滿電子被加速而獲得動能。當電子的動能滿足如下條件時足如下條件時,將引起

3、碰掩電離將引起碰掩電離 me電子的質量電子的質量; ve 電子的速度電子的速度; Wi氣體分子的電離能。氣體分子的電離能。n碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關碰撞電離的形成與電場強度和平均自由行程的大小有關ieeWvm2212021/3/237光電離光電離 n光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離 自然界、人為照射、自然界、人為照射、氣體放電過程氣體放電過程n當氣體分子受到光輻射作用時當氣體分子受到光輻射作用時,如光子能量滿足下面條件如光子能量滿足下面條件,將引起光電離將引起光電離,分解成電子和正離子分解成電子和正離子n光輻射能夠引起光電

4、離的臨界波長（即最大波長）為光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為n對所有氣體來說對所有氣體來說,在可見光（在可見光（400 750nm）的作用下）的作用下,一一般是不能直接發(fā)生光電離的般是不能直接發(fā)生光電離的 iWhnm 12340iiUeUhc2021/3/238熱電離熱電離 n因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離 氣體分子的平均動能和氣體溫度的關系為氣體分子的平均動能和氣體溫度的關系為 在它們相互碰撞時在它們相互碰撞時,就可能引起激勵或電離就可能引起激勵或電離 n在高溫下在高溫下,例如發(fā)生電弧放電時例如發(fā)生電弧放電時,氣體溫度可達數(shù)千度氣體溫度

5、可達數(shù)千度,氣體分子動能就足以導致發(fā)生明顯的碰撞電離氣體分子動能就足以導致發(fā)生明顯的碰撞電離 n高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離 KTWm232021/3/239負離子的形成負離子的形成 n有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子,反反而是碰撞電子附著分子而是碰撞電子附著分子,形成了負離子形成了負離子 n有些氣體形成負離子時可釋放出能量。這類氣體容易有些氣體形成負離子時可釋放出能量。這類氣體容易形成負離子形成負離子,稱為電負性氣體（如氧、氟、氯等）稱為電負性氣體（如氧、氟、氯等）n負離子的形成起著阻礙放電的

6、作用負離子的形成起著阻礙放電的作用 2021/3/2310金屬（陰極）的表面電離金屬（陰極）的表面電離 n陰極發(fā)射電子的過程陰極發(fā)射電子的過程 逸出功逸出功 :金屬的微觀結構金屬的微觀結構 、金屬表面狀態(tài)、金屬表面狀態(tài) n金屬表面電離有多種方式金屬表面電離有多種方式,即可以有多種方法供給電子即可以有多種方法供給電子以逸出金屬所需的能量以逸出金屬所需的能量 （1）正離子碰撞陰極）正離子碰撞陰極 正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結合成為大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結合成為原子原子,其余的成為自由

7、電子。因此正離子必須碰撞出一其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個以上電子時才能出現(xiàn)自由電子個以上電子時才能出現(xiàn)自由電子2021/3/2311 （2）光電效應）光電效應 金屬表面受到光的照射金屬表面受到光的照射,當光子的能量大于逸出功時當光子的能量大于逸出功時,金金屬表面放射出電子屬表面放射出電子 （3）強場發(fā)射（冷發(fā)射）強場發(fā)射（冷發(fā)射） 當陰極附近所加外電場足夠強時當陰極附近所加外電場足夠強時,使陰極發(fā)射出電子使陰極發(fā)射出電子 （4）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射 當陰極被加熱到很高溫度時當陰極被加熱到很高溫度時,其中的電子獲得巨大動能其中的電子獲得巨大動能,逸出金屬逸出金屬2021/3/2

8、312n氣體中帶電質點的消失氣體中帶電質點的消失 （一）電場力作用下進入電極（一）電場力作用下進入電極 （二）帶電質點的擴散（二）帶電質點的擴散 （三）帶電質點的復合（三）帶電質點的復合 2021/3/2313電場作用下氣體中帶電質點的運動電場作用下氣體中帶電質點的運動n帶電質點產生以后帶電質點產生以后,在外電場作用下將作定向運動在外電場作用下將作定向運動,形成形成電流電流 n在氣體放電空間在氣體放電空間 ,帶電質點在一定的電場強度下運動達帶電質點在一定的電場強度下運動達到某種穩(wěn)定狀態(tài)到某種穩(wěn)定狀態(tài) ,保持平均速度保持平均速度,即上述的帶電質點的驅即上述的帶電質點的驅引速度引速度 b 遷移率遷

9、移率 u電子遷移率比離子遷移率大得多電子遷移率比離子遷移率大得多,即使在很弱的電場中即使在很弱的電場中,電子遷移率也隨場強而變電子遷移率也隨場強而變 bEvddenvj 2021/3/2314帶電質點的擴散帶電質點的擴散 n帶電質點的擴散和氣體分子的擴散一樣帶電質點的擴散和氣體分子的擴散一樣,都是由于熱運都是由于熱運動造成動造成,帶電質點的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律也是相帶電質點的擴散規(guī)律和氣體的擴散規(guī)律也是相似的似的 n氣體中帶電質點的擴散和氣體狀態(tài)有關氣體中帶電質點的擴散和氣體狀態(tài)有關,氣體壓力越高氣體壓力越高或者溫度越低或者溫度越低,擴散過程也就越弱擴散過程也就越弱n電子的質量遠小于離子電

10、子的質量遠小于離子,所以電子的熱運動速度很高所以電子的熱運動速度很高,它它在熱運動中受到的碰撞也較少在熱運動中受到的碰撞也較少,因此因此,電子的擴散過程比電子的擴散過程比離子的要強得多離子的要強得多 2021/3/2315帶電質點的復合帶電質點的復合 n正離子和負離子或電子相遇正離子和負離子或電子相遇,發(fā)生電荷的傳遞而互相中發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程和、還原為分子的過程n在帶電質點的復合過程中會發(fā)生光輻射在帶電質點的復合過程中會發(fā)生光輻射,這種光輻射在這種光輻射在一定條件下又可能成為導致電離的因素一定條件下又可能成為導致電離的因素 n正、負離子間的復合概率要比離子和電子間的復合

11、概正、負離子間的復合概率要比離子和電子間的復合概率大得多。通常放電過程中離子間的復合更為重要率大得多。通常放電過程中離子間的復合更為重要 n一定空間內帶電質點由于復合而減少的速度決定于其一定空間內帶電質點由于復合而減少的速度決定于其濃度濃度 2021/3/23162.2 2.2 氣體放電機理氣體放電機理 （一）氣體放電的主要形式（一）氣體放電的主要形式 根據氣體壓強、電源功率、電極形狀等因素的不同根據氣體壓強、電源功率、電極形狀等因素的不同,擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化可以觀察放電現(xiàn)象的變化 n輝光放電輝光放電n

12、電弧放電電弧放電n火花放電火花放電n電暈放電電暈放電n刷狀放電刷狀放電2021/3/2317輝光放電輝光放電 n當氣體壓強不大當氣體壓強不大,電源功率很小（放電回路中串入電源功率很小（放電回路中串入很大阻抗）時很大阻抗）時,外施電壓增到一定值后外施電壓增到一定值后,回路中電流回路中電流突增至明顯數(shù)值突增至明顯數(shù)值,管內陰極和陽極間整個空間忽然管內陰極和陽極間整個空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象 n特點是放電電流密度較小特點是放電電流密度較小,放電區(qū)域通常占據了整放電區(qū)域通常占據了整個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子。管中所充氣體不同的例子

13、。管中所充氣體不同,發(fā)光顏色也不同發(fā)光顏色也不同 2021/3/2318電弧放電電弧放電 n減小外回路中的阻抗減小外回路中的阻抗,則電流增大則電流增大,電流增大到一電流增大到一定值后定值后,放電通道收細放電通道收細,且越來越明亮且越來越明亮,管端電壓管端電壓則更加降低則更加降低,說明通道的電導越來越大說明通道的電導越來越大n電弧通道和電極的溫度都很高電弧通道和電極的溫度都很高,電流密度極大電流密度極大,電電路具有短路的特征路具有短路的特征 2021/3/2319火花放電火花放電n在較高氣壓（例如大氣壓強）下在較高氣壓（例如大氣壓強）下,擊穿后總是形成擊穿后總是形成收細的發(fā)光放電通道收細的發(fā)光放

14、電通道,而不再擴散于間隙中的整個而不再擴散于間隙中的整個空間。當外回路中阻抗很大空間。當外回路中阻抗很大,限制了放電電流時限制了放電電流時,電電極間出現(xiàn)貫通兩極的極間出現(xiàn)貫通兩極的的明亮細火花的明亮細火花 n火花放電的特征是具有收細的通道形式火花放電的特征是具有收細的通道形式,并且放電并且放電過程不穩(wěn)定過程不穩(wěn)定 n火花間斷的原因火花間斷的原因 2021/3/2320電暈放電電暈放電 n電極曲率半徑很小或電極間距離很遠電極曲率半徑很小或電極間距離很遠,即電場極不即電場極不均勻均勻,則當電壓升高到一定值后則當電壓升高到一定值后,首先緊貼電極在電首先緊貼電極在電場最強處出現(xiàn)發(fā)光層場最強處出現(xiàn)發(fā)光層

15、,回路中出現(xiàn)用一般儀表即可回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高察覺的電流。隨著電壓升高,發(fā)光層擴大發(fā)光層擴大,放電電流放電電流也逐漸增大也逐漸增大n發(fā)生電暈放電時發(fā)生電暈放電時,氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能性能,放電電流很小放電電流很小,間隙仍能耐受電壓的作用間隙仍能耐受電壓的作用 2021/3/2321刷狀放電刷狀放電 n電場極不均勻情況下電場極不均勻情況下,如電壓繼續(xù)升高如電壓繼續(xù)升高,從電暈電極從電暈電極伸展出許多較明亮的細放電通道伸展出許多較明亮的細放電通道,稱為刷狀放電稱為刷狀放電 n電壓再升高電壓再升高,根據電源功率而轉入火花放電或電弧根

16、據電源功率而轉入火花放電或電弧放電放電,最后整個間隙被擊穿最后整個間隙被擊穿n如電場稍不均勻如電場稍不均勻,則可能不出現(xiàn)刷狀放電則可能不出現(xiàn)刷狀放電,而由電暈而由電暈放電直接轉入擊穿放電直接轉入擊穿 2021/3/2322（二）非自持放電和自持放電（二）非自持放電和自持放電 2021/3/2323非自持放電非自持放電n外施電壓小于外施電壓小于U0時時,間隙內雖有間隙內雖有電流電流,但其數(shù)值甚小但其數(shù)值甚小,通常遠小于通常遠小于微安級微安級,因此氣體本身的絕緣性因此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞能尚未被破壞,即間隙還未被擊即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依靠外電離穿。而且這時電流要依靠外電離因素來

17、維持因素來維持,如果取消外電離因如果取消外電離因素素,那么電流也將消失。那么電流也將消失。 2021/3/2324自持放電自持放電n當電壓達到當電壓達到U0后后,氣體中氣體中發(fā)生了強烈的電離發(fā)生了強烈的電離,電流電流劇增。同時氣體中電離劇增。同時氣體中電離過程只靠電場的作用已過程只靠電場的作用已可自行維持可自行維持,而不再繼續(xù)而不再繼續(xù)需要外電離因素了。因需要外電離因素了。因此此U0以后的放電形式也以后的放電形式也稱為自持放電稱為自持放電 2021/3/2325n由非持放電轉入自持放電的電壓稱為起始電壓由非持放電轉入自持放電的電壓稱為起始電壓n如電場比較均勻如電場比較均勻,則間隙將被擊穿則間隙

18、將被擊穿,此后根據氣壓此后根據氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電或電弧放電,而起始電壓而起始電壓U0也就是間隙的擊穿電也就是間隙的擊穿電壓壓Ubn如電場極不均勻如電場極不均勻,則當放電由非自持轉入自持時則當放電由非自持轉入自持時,在大曲率電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放在大曲率電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電電,這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓,而擊穿而擊穿電壓可能比起始電壓高很多電壓可能比起始電壓高很多2021/3/2326均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程 n湯遜放電理論湯遜

19、放電理論n流注放電理論流注放電理論 這兩種理論互相補充這兩種理論互相補充,可以說明廣闊的可以說明廣闊的pd（壓（壓強和極間距離的乘積）范圍內氣體放電的現(xiàn)象強和極間距離的乘積）范圍內氣體放電的現(xiàn)象 2021/3/2327（一）湯遜氣體放電理論（一）湯遜氣體放電理論n湯遜理論認為湯遜理論認為,當當pd較小時較小時,電子的碰撞電離電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起著主要和正離子撞擊陰極造成的表面電離起著主要作用作用,氣隙的擊穿電壓大體上是氣隙的擊穿電壓大體上是pd的函數(shù)的函數(shù)2021/3/23281 1、電子崩的形成、電子崩的形成 （ 過程過程 ） 一個起始電子自電場一個起始電子自電場獲

20、得一定動能后獲得一定動能后,會碰撞會碰撞電離出一個第二代電子電離出一個第二代電子;這兩個電子作為新的第這兩個電子作為新的第一代電子一代電子,又將電離出新又將電離出新的第二代電子的第二代電子,這時空間這時空間已存在四個自由電子已存在四個自由電子;這這樣一代一代不斷增加的樣一代一代不斷增加的過程過程,會使電子數(shù)目迅速會使電子數(shù)目迅速增加增加,如同冰山上發(fā)生雪如同冰山上發(fā)生雪崩一樣崩一樣 2021/3/2329n 電離系數(shù)電離系數(shù) 一個電子沿著電場方向行經一個電子沿著電場方向行經1cm長度長度,平均發(fā)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)生的碰撞電離次數(shù) 如設每次碰撞電離只產生一個電子和一個正離如設每次碰撞電離只產

21、生一個電子和一個正離子子, 即即是一個電子在單位長度行程內新電離是一個電子在單位長度行程內新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)出的電子數(shù)或正離子數(shù) 2021/3/2330設設:在外電離因素光輻射的作用下在外電離因素光輻射的作用下,單單位時間內陰極單位面積產生位時間內陰極單位面積產生n0 個電個電子子 在距離陰極為在距離陰極為x的橫截面上的橫截面上,單位單位時間內單位面積有時間內單位面積有n個電子飛過個電子飛過 這這n個電子行過個電子行過dx之后之后,又會產生又會產生dn個新的電子個新的電子 dxndn將此式積分將此式積分,可得電子的增長規(guī)律為可得電子的增長規(guī)律為 xdxnn00exp2021/3/233

22、1對于均勻電場對于均勻電場, 不隨空間位置而變不隨空間位置而變 相應的電子電流增長規(guī)律為相應的電子電流增長規(guī)律為 令令xd,得進入陽極的電子電流得進入陽極的電子電流,此即外回路中的電流此即外回路中的電流 xenn0 xeII0deII02021/3/2332質點的平均自由行程質點的平均自由行程 : :一個質點在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通一個質點在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程過的平均行程電子在其自由行程內從外電場獲得動能電子在其自由行程內從外電場獲得動能 , ,能量除決定于能量除決定于電場強度外電場強度外, ,還和其自由行程有關還和其自由行程有關 2021/3/2333

23、n氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞時的行程子發(fā)生碰撞時的行程n電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多n氣體分子密度越大氣體分子密度越大,其中質點的平均自由行程越其中質點的平均自由行程越小。對于同一種氣體小。對于同一種氣體,其分子密度和該氣體的密其分子密度和該氣體的密度成正比度成正比pT2021/3/23342 2、 過程過程n 電離系數(shù)電離系數(shù) 正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著的作用顯著的作用 正離子向陰極移動正離子向陰極移動,依靠它所具有

24、的動能及位能依靠它所具有的動能及位能,在在撞擊陰極時能引起表面電離撞擊陰極時能引起表面電離,使陰極釋放出自由電使陰極釋放出自由電子來子來 表示折算到每個碰撞陰極表面的正離子表示折算到每個碰撞陰極表面的正離子,陰極金屬陰極金屬平均釋放出的自由電子數(shù)平均釋放出的自由電子數(shù)2021/3/2335從陰極飛出從陰極飛出n0個電子個電子,到達陽極后到達陽極后,電子數(shù)將增加為電子數(shù)將增加為 正離子數(shù)正離子數(shù)正離子到達陰極正離子到達陰極,從陰極電離出的電子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)denn0) 1(0denn) 1(0denn2021/3/23363 3、自持放電條件、自持放電條件 設設 n01 放電有非自持轉入

25、自持的條件為放電有非自持轉入自持的條件為 在均勻電場中在均勻電場中,這也就是間隙擊穿的條件這也就是間隙擊穿的條件,上式具有上式具有清楚的物理意義清楚的物理意義 11 de2021/3/2337 當自持放電條件得到滿足時當自持放電條件得到滿足時,就會形成圖解中閉環(huán)部分就會形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)所示的循環(huán)不息的狀態(tài),放電就能自己維持下去放電就能自己維持下去 2021/3/23384 4、擊穿電壓、巴申定律、擊穿電壓、巴申定律 n根據自持放電條件推導擊穿電壓根據自持放電條件推導擊穿電壓 ,先推導先推導 的計算式的計算式設電子在均勻電場中行經距離設電子在均勻電場中行經距離x而未發(fā)生碰撞而未發(fā)生碰撞,則此時電子從則此時電子從電場獲得的能量為電場獲得的能量為eEx,電子如要能夠引起碰撞電離電子如要能夠引起碰撞電離,必須必須滿足條件滿足條件 只有那些自由行程超過只有那些自由行程超過xiUiE的電子的電子,才能與分子發(fā)生碰才能與分子發(fā)生碰撞電離撞電離 若電子的平均自由行程為若電子的平均自由行程為 ,自由行程大于自由行程大于xi的概率為的概率為 iiUexWeEx 或/ ixe2021/3/2339在在lcm長度內長度內,一個電子的平均碰撞次數(shù)為一個電子的平均碰撞次數(shù)為l 其中其中是電子自由行程超過是電子自由行程超過