氣體放電和低溫等離子體.PPT

1、12q 帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)q 氣體原子的電離和激發(fā)氣體原子的電離和激發(fā)q 氣體放電發(fā)展過程氣體放電發(fā)展過程q 低溫等離子體概述低溫等離子體概述q低溫等離子體的產(chǎn)生輝光放電低溫等離子體的產(chǎn)生輝光放電q 弧光放電弧光放電q 高頻放電高頻放電q 低壓力高密度等離子體放電低壓力高密度等離子體放電32.1帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)FqEma電子經(jīng)過電勢(shì)差為電子經(jīng)過電勢(shì)差為U U所得到的能量變成動(dòng)能。所得到的能量變成動(dòng)能。2122mveUeUvm故電子與電勢(shì)差的關(guān)系1、帶電粒子在平行電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在平行電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)42、帶電粒子在徑向電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

2、、帶電粒子在徑向電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)兩個(gè)同軸圓柱電極，兩極兩個(gè)同軸圓柱電極，兩極之間的電場(chǎng)是徑向的。則之間的電場(chǎng)是徑向的。則其強(qiáng)度為其強(qiáng)度為12211lnrUUErrr設(shè)電子以橫向速度設(shè)電子以橫向速度v0在在r=r0處處進(jìn)入此電場(chǎng)，若電子在進(jìn)入此電場(chǎng)，若電子在r=r0處處受到的徑向電場(chǎng)力與慣性離心受到的徑向電場(chǎng)力與慣性離心力大小相等，方向相反，則徑力大小相等，方向相反，則徑向加速度為零，于是電子沿圓向加速度為零，于是電子沿圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為0200()rr rmvEer若電子以橫向速度若電子以橫向速度v1v0,則電子的運(yùn)則電子的運(yùn)動(dòng)軌跡不為圓周，如圖所示。動(dòng)軌跡不為圓周，如

3、圖所示。5當(dāng)帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí): : 當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)垂直時(shí): :0v0vF粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。1、帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。qBmvR0qBmvRT220mqBT2周期和角頻率只與周期和角頻率只與B B有關(guān)。有關(guān)。正離子回轉(zhuǎn)方向與電子方向相反，正離子回轉(zhuǎn)方向與電子方向相反，且回轉(zhuǎn)半徑大、角速度小、周期長(zhǎng)且回轉(zhuǎn)半徑大、角速度小、周期長(zhǎng)6（3 3）如果如果 與與 斜交成斜交成 角角 B0vqBmT2粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)

4、粒子作螺旋運(yùn)動(dòng)，hRB0sinmvRqB螺距螺距qBmvvRvTvhcos220/vv0v72、帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)8當(dāng)電子初速度當(dāng)電子初速度v0=0時(shí)，電子在時(shí)，電子在正交均勻電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是正交均勻電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是回旋運(yùn)動(dòng)加上一個(gè)垂直于電場(chǎng)回旋運(yùn)動(dòng)加上一個(gè)垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向的漂移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)方向的漂移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡為旋輪線。軌跡為旋輪線。1、在正交均勻電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、在正交均勻電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)EuBY方向前進(jìn)的漂移速度：方向前進(jìn)的漂移速度： 漂移速度只與漂移速度只與E和和B有關(guān)，與有關(guān)，與q、m均無關(guān)。不管是正粒子還均無關(guān)。不管是正粒子還是負(fù)粒子，

5、漂移方向是一樣的；離子和電子的漂移速度相同。是負(fù)粒子，漂移方向是一樣的；離子和電子的漂移速度相同。但是正離子的旋輪半徑比電子大得多，角速度小得多。但是正離子的旋輪半徑比電子大得多，角速度小得多。2mEeBReBm旋輪半徑和旋轉(zhuǎn)角頻率旋輪半徑和旋轉(zhuǎn)角頻率9帶電粒子在徑向電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在徑向電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，還要受到軸向磁場(chǎng)的影響。徑還要受到軸向磁場(chǎng)的影響。徑向力包括徑向電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)向力包括徑向電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力，軸向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力，力，軸向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力，還有離心力。還有離心力。橫向力只有軸向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛橫向力只有軸向磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力。電子和粒子的運(yùn)動(dòng)軌倫茲力。電子和粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖

6、所示。跡如圖所示。2、帶電粒子在徑向電場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在徑向電場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電子的回轉(zhuǎn)半徑小，回轉(zhuǎn)頻率大，最后漂移到陽電子的回轉(zhuǎn)半徑小，回轉(zhuǎn)頻率大，最后漂移到陽極上去。離子的的回轉(zhuǎn)半徑大，回轉(zhuǎn)頻率小，最極上去。離子的的回轉(zhuǎn)半徑大，回轉(zhuǎn)頻率小，最后漂移到陰極上去。實(shí)現(xiàn)等離子體分離。后漂移到陰極上去。實(shí)現(xiàn)等離子體分離。10在真空電弧中，帶電粒子的軌跡很復(fù)雜。在電場(chǎng)作用下在真空電弧中，帶電粒子的軌跡很復(fù)雜。在電場(chǎng)作用下做直線漂移運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)作用下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在不斷地做直線漂移運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)作用下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在不斷地碰撞中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。碰撞中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。2、帶電粒子在徑向電場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)

7、中的運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在徑向電場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率取決于粒子在兩次碰撞間平均帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率取決于粒子在兩次碰撞間平均完成旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，是重要的等離子體參完成旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，是重要的等離子體參數(shù)。數(shù)。其中， 為霍耳系數(shù)； 為回轉(zhuǎn)頻率； 為碰撞頻率11圓筒形陽極和中心軸陰極構(gòu)成圓筒形陽極和中心軸陰極構(gòu)成電極結(jié)構(gòu)，兩電極間加電場(chǎng)。電極結(jié)構(gòu)，兩電極間加電場(chǎng)。在軸向有與電場(chǎng)垂直的外加磁在軸向有與電場(chǎng)垂直的外加磁場(chǎng)。場(chǎng)。1、磁控管、磁控管 電子在上述電磁場(chǎng)作用下，會(huì)在陰極表面周圍做回旋漂移電子在上述電磁場(chǎng)作用下，會(huì)在陰極表面周圍做回旋漂移運(yùn)動(dòng)，稱為運(yùn)動(dòng)，稱為

8、電子的磁控管運(yùn)動(dòng)電子的磁控管運(yùn)動(dòng)。發(fā)生這一運(yùn)動(dòng)的電子，在一。發(fā)生這一運(yùn)動(dòng)的電子，在一定條件下因回旋輻射，會(huì)發(fā)射頻率為定條件下因回旋輻射，會(huì)發(fā)射頻率為GHz的強(qiáng)電磁波的強(qiáng)電磁波(微波微波)。稱這種微波發(fā)振管為稱這種微波發(fā)振管為磁控管磁控管12當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，帶電粒子回旋運(yùn)動(dòng)的帶電粒子回旋運(yùn)動(dòng)的頻率與速度無關(guān)頻率與速度無關(guān)，因此若施加于此頻，因此若施加于此頻率相同的變化電場(chǎng)，率相同的變化電場(chǎng)，則帶電粒子將被接力則帶電粒子將被接力加速，稱為電子加速，稱為電子回旋回旋共振共振。2、電子回旋共振（、電子回旋共振（ECR）電子回旋頻率與磁場(chǎng)電子回旋頻率與磁場(chǎng)B的關(guān)系為的關(guān)系為102.8

9、 10fB電子在滿足上述條件的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，電子將會(huì)獲得很電子在滿足上述條件的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，電子將會(huì)獲得很大的能量，大的能量， 但由于電子與其他粒子碰撞及電子回旋但由于電子與其他粒子碰撞及電子回旋運(yùn)動(dòng)的能量輻射等，電子獲得的動(dòng)能并不是無限的。運(yùn)動(dòng)的能量輻射等，電子獲得的動(dòng)能并不是無限的。利用利用ECR得到的高能電子，可以獲得更充分的氣體得到的高能電子，可以獲得更充分的氣體放電。放電。13彈性碰撞彈性碰撞：若電子：若電子或離子的動(dòng)能較小，或離子的動(dòng)能較小，當(dāng)其與他原子或分當(dāng)其與他原子或分子碰撞時(shí)，達(dá)不到子碰撞時(shí)，達(dá)不到使后者激發(fā)或電離使后者激發(fā)或電離的程度，碰撞雙方的程度，碰撞雙方僅發(fā)生動(dòng)能交換。僅發(fā)生

10、動(dòng)能交換。1、彈性碰撞和非彈性碰撞、彈性碰撞和非彈性碰撞2.214非彈性碰撞非彈性碰撞：若電子或離子的動(dòng)能達(dá)到：若電子或離子的動(dòng)能達(dá)到數(shù)電數(shù)電子伏以上子伏以上，碰撞造成，碰撞造成，例如造成，例如造成原子激發(fā)、電離、分子原子激發(fā)、電離、分子解離、原子復(fù)合及電子附著等。這樣的碰撞解離、原子復(fù)合及電子附著等。這樣的碰撞稱為非彈性碰撞。稱為非彈性碰撞。1、彈性碰撞和非彈性碰撞、彈性碰撞和非彈性碰撞非彈性碰撞對(duì)于氣體放電和等離子體狀非彈性碰撞對(duì)于氣體放電和等離子體狀態(tài)的維持至關(guān)重要。態(tài)的維持至關(guān)重要。15入射粒子向目標(biāo)粒子的能量入射粒子向目標(biāo)粒子的能量轉(zhuǎn)移比率：轉(zhuǎn)移比率：2、二體彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移、二體

11、彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移2222142cos12tttitiitiimuEmmEmmmv當(dāng)入射粒子與目標(biāo)粒子質(zhì)量相同時(shí)，能量轉(zhuǎn)移比率最大，說明當(dāng)入射粒子與目標(biāo)粒子質(zhì)量相同時(shí)，能量轉(zhuǎn)移比率最大，說明同種氣體原子間碰撞的能量轉(zhuǎn)移十分有效。同種氣體原子間碰撞的能量轉(zhuǎn)移十分有效。非常重的粒子碰撞非常輕的粒子（非常重的粒子碰撞非常輕的粒子（=0=0時(shí)），輕粒子被時(shí)），輕粒子被碰撞后的速度為入射重粒子速度的兩倍。碰撞后的速度為入射重粒子速度的兩倍。非常輕的粒子碰撞非常重的粒子（非常輕的粒子碰撞非常重的粒子（=0=0時(shí)），能量轉(zhuǎn)移時(shí)），能量轉(zhuǎn)移比率非常低。但是電子在由陰極向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，比率非常低。但是電子在

12、由陰極向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，由于碰撞頻繁，每秒內(nèi)傳遞給氣體分子、原子的能量不由于碰撞頻繁，每秒內(nèi)傳遞給氣體分子、原子的能量不可忽視。可忽視。二體彈性碰撞能量傳二體彈性碰撞能量傳遞系數(shù)：遞系數(shù)：24ititmmmm16目標(biāo)粒子內(nèi)能與入射粒目標(biāo)粒子內(nèi)能與入射粒子動(dòng)能之比的最大值：子動(dòng)能之比的最大值：3、非彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移、非彈性碰撞的能量轉(zhuǎn)移22cos12titiimUmmmv當(dāng)離子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時(shí)，由于其質(zhì)量大小當(dāng)離子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時(shí)，由于其質(zhì)量大小差不多，因此內(nèi)能傳遞系數(shù)為差不多，因此內(nèi)能傳遞系數(shù)為0.50.5。即。即離子最多也是將其能量的離子最多也是將其能量的

13、一半傳遞給中性原子，轉(zhuǎn)換為內(nèi)能一半傳遞給中性原子，轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。當(dāng)電子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時(shí)，由于質(zhì)量當(dāng)電子與氣體原子發(fā)生第一類非彈性碰撞時(shí)，由于質(zhì)量相差懸殊，內(nèi)能傳遞系數(shù)為相差懸殊，內(nèi)能傳遞系數(shù)為1 1。即電子幾乎是將其所有即電子幾乎是將其所有的動(dòng)能傳遞給中性原子，轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的動(dòng)能傳遞給中性原子，轉(zhuǎn)換為內(nèi)能titmmm二體非彈性碰撞二體非彈性碰撞內(nèi)能傳遞系數(shù)：內(nèi)能傳遞系數(shù)：17在利用氣體放電的氣相沉積和干法刻蝕中，離子每發(fā)生一次彈在利用氣體放電的氣相沉積和干法刻蝕中，離子每發(fā)生一次彈性碰撞，最多可以損失其全部能量。而發(fā)生一次非彈性碰撞，性碰撞，最多可以損失其全部能量。而發(fā)生一次非彈性

14、碰撞，最多可以損失其全部能量的一半；電子在彈性碰撞中幾乎不損最多可以損失其全部能量的一半；電子在彈性碰撞中幾乎不損失能量，而在非彈性碰撞時(shí)幾乎把所有能量全部傳遞給中性粒失能量，而在非彈性碰撞時(shí)幾乎把所有能量全部傳遞給中性粒子。子。18 激勵(lì)激勵(lì)(激發(fā)激發(fā))：當(dāng)原子獲得外部能量，一個(gè)或若干個(gè)外層電當(dāng)原子獲得外部能量，一個(gè)或若干個(gè)外層電子躍遷到離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去的現(xiàn)象。子躍遷到離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去的現(xiàn)象。激勵(lì)需要外界給原子一定的能量，稱為激勵(lì)能。激勵(lì)需要外界給原子一定的能量，稱為激勵(lì)能。產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的物理過程稱為產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的物理過程稱為電離電離(游離游離)，是，是。 電離電離(游離游離)：

15、若原子從外界獲得的能量足夠大，以致使一個(gè)若原子從外界獲得的能量足夠大，以致使一個(gè)或幾個(gè)電子擺脫原子核的束縛形成自由電子和正離子，這或幾個(gè)電子擺脫原子核的束縛形成自由電子和正離子，這一過程稱為電離。電離所需的能量稱為一過程稱為電離。電離所需的能量稱為，通常用，通常用電子伏電子伏(eV)表示，有時(shí)也用電離電位表示，有時(shí)也用電離電位Ui表示，表示， Ui = Wi /e (e為為電子的電荷量電子的電荷量)。J106 . 1C106 . 1V1eV1191919 碰撞電離碰撞電離 光電離光電離 熱電離熱電離 分級(jí)電離分級(jí)電離 金屬表面電離金屬表面電離 電極表面帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生電極表面帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生電極空

16、間帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生電極空間帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（空間電離）（空間電離）20為維持輝光放為維持輝光放電，最為重要電，最為重要的碰撞即為電的碰撞即為電子碰撞電離。子碰撞電離。1、電子碰撞電離過程、電子碰撞電離過程電離碰撞產(chǎn)生電離碰撞產(chǎn)生2個(gè)電子，在電場(chǎng)中加個(gè)電子，在電場(chǎng)中加速，直到下一次碰撞電離。依靠這速，直到下一次碰撞電離。依靠這種反復(fù)發(fā)生的過程維持輝光放電。種反復(fù)發(fā)生的過程維持輝光放電。2eAAe21212imveExWiUxE條 件 ：電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能與質(zhì)電子或離子在電場(chǎng)作用下加速所獲得的動(dòng)能與質(zhì)點(diǎn)的電荷點(diǎn)的電荷(e)、電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度(E)以及碰撞前的行程以及碰撞前的行程(

17、x)有有關(guān)，即：關(guān)，即：高速運(yùn)動(dòng)的電子與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如原高速運(yùn)動(dòng)的電子與中性的原子或分子碰撞時(shí)，如原子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會(huì)發(fā)子或分子獲得的能量等于或大于其電離能，則會(huì)發(fā)生電離，這種由碰撞而引起的電離稱為生電離，這種由碰撞而引起的電離稱為碰撞電離碰撞電離。22即使?jié)M足碰撞電離條件即使?jié)M足碰撞電離條件,也不一定每次碰撞都引起電離也不一定每次碰撞都引起電離引入引入“平均自由程平均自由程”概念。概念。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由通過的平均距離。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每?jī)纱闻鲎查g自由通過的平均距離。電子：平均自由程大，獲取的動(dòng)能大；質(zhì)量小，彈性碰撞時(shí)幾電子：平均自由程大，獲取的動(dòng)能大；

18、質(zhì)量小，彈性碰撞時(shí)幾乎不損失動(dòng)能。乎不損失動(dòng)能。離子：平均自由程短，碰撞間獲得的動(dòng)能少；碰撞時(shí)要損失動(dòng)離子：平均自由程短，碰撞間獲得的動(dòng)能少；碰撞時(shí)要損失動(dòng)能。能。23電子與電子與原子碰撞的截原子碰撞的截面面與原子的幾何截面與原子的幾何截面有關(guān)，而有關(guān)，而碰撞電離的碰撞電離的有效截面有效截面還與電子的還與電子的能量有關(guān)。能量有關(guān)。2、碰撞電離有效截面、碰撞電離有效截面電子在氣壓為電子在氣壓為1Torr，0氣體中每經(jīng)過氣體中每經(jīng)過1cm1cm路程所產(chǎn)生的離子數(shù)稱為路程所產(chǎn)生的離子數(shù)稱為微分電離系數(shù)微分電離系數(shù)eeiieiSZ fZf為單位路程電子與氣體分子碰撞的平均次數(shù)，即平均自由程的倒數(shù)。為產(chǎn)

19、生電離的碰撞占總碰撞次數(shù)的比例，稱為碰撞電離幾率。24曲線上升部分近似為曲線上升部分近似為直線，直線斜率為常直線，直線斜率為常數(shù)數(shù)，稱為，稱為電離系數(shù)電離系數(shù)。表示能量為表示能量為的電子的電子在氣壓為在氣壓為1Torr，0氣體中每經(jīng)過氣體中每經(jīng)過1cm1cm路程所產(chǎn)生的離子數(shù)路程所產(chǎn)生的離子數(shù)2、碰撞電離有效截面、碰撞電離有效截面在離子氣相沉積中，為了提高沉積層原子的在離子氣相沉積中，為了提高沉積層原子的離化率，不一定追求高的加速電壓，按上兩離化率，不一定追求高的加速電壓，按上兩圖中曲線最大值出現(xiàn)的位置可知，當(dāng)電子獲圖中曲線最大值出現(xiàn)的位置可知，當(dāng)電子獲得幾十到一百電子伏能量時(shí)，電離幾率最大。

20、得幾十到一百電子伏能量時(shí)，電離幾率最大。25影響碰撞電離系數(shù)的因素影響碰撞電離系數(shù)的因素26由光輻射引起的氣體分子的電離過程，稱為由光輻射引起的氣體分子的電離過程，稱為光電離。光電離。即當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí)，若光子能量大于氣體分子電離即當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí)，若光子能量大于氣體分子電離能，則可能引起氣體分子的光電離。能，則可能引起氣體分子的光電離。Wh普朗克常數(shù)6.6310-34Js ihcW條 件 ：頻率為頻率為v的光子能量：的光子能量：因?yàn)榇髿鈱拥淖钃?，陽光到達(dá)地面的波長(zhǎng)因?yàn)榇髿鈱拥淖钃酰柟獾竭_(dá)地面的波長(zhǎng) 290nm（可見（可見光波長(zhǎng)為光波長(zhǎng)為380780nm），因此，普通陽光照射不足

21、以引起），因此，普通陽光照射不足以引起氣體分子的光電離。氣體分子的光電離。例如波長(zhǎng)為例如波長(zhǎng)為300nm的紫外線，其光波能量為：的紫外線，其光波能量為：eV14. 4)10300/(1031062. 6/9834hcW3、其他電離方式、其他電離方式 光電離光電離hAA27 熱電離熱電離氣體在熱狀態(tài)下引起的電離過程稱為熱電離。氣體在熱狀態(tài)下引起的電離過程稱為熱電離。熱電離本質(zhì)：熱電離本質(zhì)：高速運(yùn)動(dòng)的氣體分子的碰撞電離和光電離，只高速運(yùn)動(dòng)的氣體分子的碰撞電離和光電離，只不過能量不是來自電場(chǎng)而是氣體分子本身的熱能。不過能量不是來自電場(chǎng)而是氣體分子本身的熱能。氣體分子平均動(dòng)能與分子溫度的關(guān)系：氣體分子

22、平均動(dòng)能與分子溫度的關(guān)系：32WkT波爾茨曼常數(shù)1.3810-23J/K 熱力學(xué)溫度 熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)產(chǎn)生的碰撞電離和光電離的綜合。熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)產(chǎn)生的碰撞電離和光電離的綜合。3、其他電離方式、其他電離方式283、其他電離方式、其他電離方式 熱電離熱電離室溫氣體分子的動(dòng)能只有室溫氣體分子的動(dòng)能只有0.1eV左右，遠(yuǎn)不能引起激左右，遠(yuǎn)不能引起激發(fā)和電離，只有當(dāng)氣體的溫度達(dá)到發(fā)和電離，只有當(dāng)氣體的溫度達(dá)到3000K以上時(shí)，以上時(shí)，才可以觀察到高速原子碰撞而引起的熱激發(fā)和熱電才可以觀察到高速原子碰撞而引起的熱激發(fā)和熱電離。通常，在一個(gè)大氣壓以上的弧光放電的溫度可離。通常，在一個(gè)大氣壓以上的

23、弧光放電的溫度可達(dá)達(dá)5000-6000k，可能導(dǎo)致熱電離?？赡軐?dǎo)致熱電離。而在一般低氣而在一般低氣壓氣體放電中，中性氣體分子很難達(dá)到如此的高溫，壓氣體放電中，中性氣體分子很難達(dá)到如此的高溫，很難發(fā)生熱電離。很難發(fā)生熱電離。29原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的外層軌原子中電子在外界因素的作用下可躍遷到能級(jí)較高的外層軌道，稱之為道，稱之為激勵(lì)（激發(fā)）激勵(lì)（激發(fā)），所需的能量稱為，所需的能量稱為激勵(lì)能激勵(lì)能We 。 激勵(lì)能比電離能小，激勵(lì)能比電離能小，原子或分子有可能在外界給予的能量小原子或分子有可能在外界給予的能量小于電離能于電離能Wi但大于激勵(lì)能但大于激勵(lì)能We時(shí)發(fā)生激勵(lì)。時(shí)發(fā)生激

24、勵(lì)。氣體電離能激勵(lì)能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電離，原子或分子在激勵(lì)態(tài)再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級(jí)電離，此時(shí)所需要能量為此時(shí)所需要能量為Wi-We。激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，經(jīng)過約激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，經(jīng)過約10-8s就會(huì)回就會(huì)回復(fù)到基態(tài)。分級(jí)電離概率小。復(fù)到基態(tài)。分級(jí)電離概率小。某些原子具有亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，其平均某些原子具有亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，其平均壽命較長(zhǎng)，可達(dá)壽命較長(zhǎng)，可達(dá)10-410-5s 。只有亞。只有亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)才會(huì)引起分級(jí)電離。穩(wěn)激發(fā)態(tài)才會(huì)引起分級(jí)電離。3、其他電離方式、其他電離方式 分級(jí)電離分級(jí)

25、電離30 分級(jí)電離分級(jí)電離若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，若混合氣體中甲氣體的亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)能高于乙氣體的電離能，則會(huì)出現(xiàn)則會(huì)出現(xiàn)潘寧效應(yīng)（潘寧效應(yīng)（潘寧電離潘寧電離），可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度，可使混合氣體的擊穿強(qiáng)度低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。低于這兩種氣體各自的擊穿強(qiáng)度。 從絕緣的觀點(diǎn)看，潘寧效應(yīng)是很不利的；但從絕緣的觀點(diǎn)看，潘寧效應(yīng)是很不利的；但在氣體放電應(yīng)用在氣體放電應(yīng)用中，如在電光源和激光技術(shù)中，則常常利用潘寧效應(yīng)。中，如在電光源和激光技術(shù)中，則常常利用潘寧效應(yīng)。3、其他電離方式、其他電離方式 *ABABe在離子氣相沉積中，潘寧電離起著非常重要的作在離子氣相沉積中，潘

26、寧電離起著非常重要的作用。離子沉積中通常通入保護(hù)氣體或反應(yīng)氣體，用。離子沉積中通常通入保護(hù)氣體或反應(yīng)氣體，如氬氣、氮?dú)獾?。氬氣的亞穩(wěn)激發(fā)電位是如氬氣、氮?dú)獾?。氬氣的亞穩(wěn)激發(fā)電位是11.55eV，多數(shù)沉積元素是金屬或其化合物，金，多數(shù)沉積元素是金屬或其化合物，金屬的電離電位是屬的電離電位是7-10eV。當(dāng)氬的亞穩(wěn)原子與金。當(dāng)氬的亞穩(wěn)原子與金屬原子相互作用時(shí)，產(chǎn)生潘寧電離，提高金屬的屬原子相互作用時(shí)，產(chǎn)生潘寧電離，提高金屬的離化率。離化率。31 中性亞穩(wěn)原子之間的碰撞電離中性亞穩(wěn)原子之間的碰撞電離3、其他電離方式、其他電離方式受某一激發(fā)能激發(fā)的中性亞穩(wěn)原子之間發(fā)生碰受某一激發(fā)能激發(fā)的中性亞穩(wěn)原子之

27、間發(fā)生碰撞，若二者能量之和大于其中某一中性粒子的撞，若二者能量之和大于其中某一中性粒子的電離能，則可引起電解。電離能，則可引起電解。中性亞穩(wěn)原子激發(fā)能量之和同中性亞穩(wěn)原子激發(fā)能量之和同B的電離能之差的電離能之差變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能。變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能。*ABABe32一些金屬的逸出功金屬逸出功鋁1.8銀3.1銅3.9鐵3.9氧化銅5.3電子從金屬電極電子從金屬電極(陰極陰極)表面逸出來的過程稱為表面逸出來的過程稱為電極表面電離電極表面電離。使陰極釋放電子需要的能量使陰極釋放電子需要的能量: 逸出功逸出功。逸出功與金屬的微觀結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)有關(guān)逸出功與金屬的微觀結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)有關(guān), 與金屬溫度無關(guān)。與金屬溫

28、度無關(guān)。金屬表面逸出功比氣體電離能小很多，因此電極表面電離在氣金屬表面逸出功比氣體電離能小很多，因此電極表面電離在氣體放電過程中有相當(dāng)重要的作用。體放電過程中有相當(dāng)重要的作用。3、其他電離方式、其他電離方式 電極表面的電子逸出（電極表面的電子逸出（電極表面電離或金屬表面電離）電極表面電離或金屬表面電離）。33 正離子撞擊陰極正離子撞擊陰極：正離子能量傳遞給陰極，不?。赫x子能量傳遞給陰極，不小于于2倍金屬表面逸出功時(shí)發(fā)生電離。倍金屬表面逸出功時(shí)發(fā)生電離。 光電子發(fā)射光電子發(fā)射：金屬表面受到短波長(zhǎng)光照時(shí)，光子：金屬表面受到短波長(zhǎng)光照時(shí)，光子能量能量金屬表面逸出功時(shí)，可造成電離。金屬表面逸出功時(shí)，

29、可造成電離。 強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：在陰極附近施加強(qiáng)電場(chǎng)可使陰極釋放：在陰極附近施加強(qiáng)電場(chǎng)可使陰極釋放電子。在真空的擊穿過程中，具有決定性的作用。電子。在真空的擊穿過程中，具有決定性的作用。 熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射：加熱陰極，使電子獲取足夠動(dòng)能，：加熱陰極，使電子獲取足夠動(dòng)能，克服金屬表面逸出功。僅對(duì)電弧放電有意義?？朔饘俦砻嬉莩龉?。僅對(duì)電弧放電有意義。34電子與常態(tài)原子電子與常態(tài)原子A A發(fā)生非發(fā)生非彈性碰撞，彈性碰撞，A A中的電子吸中的電子吸收了入射電子的能量后，收了入射電子的能量后，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，破壞了原子的穩(wěn)定狀態(tài)破壞了原子的穩(wěn)定狀態(tài)稱為稱為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)，

30、該原子稱該原子稱為為受激原子。受激原子。1、電子碰撞激發(fā)、電子碰撞激發(fā)亞穩(wěn)原子亞穩(wěn)原子：受激原子如果不能以輻射光量子：受激原子如果不能以輻射光量子的形式自發(fā)的回到正常的穩(wěn)態(tài)，而是停留時(shí)的形式自發(fā)的回到正常的穩(wěn)態(tài)，而是停留時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到間較長(zhǎng)，達(dá)到10-4秒到數(shù)秒，這種激發(fā)態(tài)稱秒到數(shù)秒，這種激發(fā)態(tài)稱為為亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)，其激發(fā)原子稱為亞穩(wěn)原子。，其激發(fā)原子稱為亞穩(wěn)原子。*AeAe352、電子碰撞激發(fā)截面、電子碰撞激發(fā)截面363、其他激發(fā)方式、其他激發(fā)方式 光致激發(fā)光致激發(fā)*hAAA為受激原子 離子碰撞激發(fā)離子碰撞激發(fā)*BAABA為受激原子當(dāng)光子能量超過原子的激發(fā)閾值當(dāng)光子能量超過原子的激發(fā)閾值時(shí)，會(huì)

31、引起原子激發(fā)。時(shí)，會(huì)引起原子激發(fā)。具有一定動(dòng)能的離子與原子碰撞具有一定動(dòng)能的離子與原子碰撞時(shí)，可以引起原子激發(fā)。時(shí)，可以引起原子激發(fā)。374、亞穩(wěn)原子在氣相沉積中的作用、亞穩(wěn)原子在氣相沉積中的作用亞穩(wěn)原子在離子氣相沉積中，既可提高沉積亞穩(wěn)原子在離子氣相沉積中，既可提高沉積原子的能量，又可產(chǎn)生累積電離，提高離化原子的能量，又可產(chǎn)生累積電離，提高離化率率。亞穩(wěn)原子是長(zhǎng)壽命的受激原子，它的作用首亞穩(wěn)原子是長(zhǎng)壽命的受激原子，它的作用首先是使逐次躍遷和累積電離的可能性增加；先是使逐次躍遷和累積電離的可能性增加；另一個(gè)重要作用是進(jìn)行第二類非彈性碰撞，另一個(gè)重要作用是進(jìn)行第二類非彈性碰撞，如前面提到的潘寧電

32、離、中性亞穩(wěn)原子之間如前面提到的潘寧電離、中性亞穩(wěn)原子之間的碰撞電離等。的碰撞電離等。38 電子被原子、分子等捕獲形成負(fù)離子的過程電子被原子、分子等捕獲形成負(fù)離子的過程叫做附著叫做附著，反之，電子被負(fù)離子放出的過程，反之，電子被負(fù)離子放出的過程叫叫離脫離脫39電子與中性氣體分子或原子碰撞時(shí)，也有可能發(fā)生電子電子與中性氣體分子或原子碰撞時(shí)，也有可能發(fā)生電子附著過程而形成負(fù)離子，并釋放出能量，稱為附著過程而形成負(fù)離子，并釋放出能量，稱為電子親合能電子親合能。電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個(gè)電子的難易，越電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個(gè)電子的難易，越大則越易形成負(fù)離子。大則越易形成負(fù)離子

33、。為了說明原子在分子（化合物）中吸引電子的能力，引為了說明原子在分子（化合物）中吸引電子的能力，引入入電負(fù)性電負(fù)性概念，是一個(gè)無量綱的數(shù)，其值越大，表明原子在概念，是一個(gè)無量綱的數(shù)，其值越大，表明原子在分子中吸引電子的能力越大。電負(fù)性綜合考慮了分子中吸引電子的能力越大。電負(fù)性綜合考慮了電離能電離能和和電電子親合能子親合能。用來表示兩個(gè)不同用來表示兩個(gè)不同原子原子間形成間形成化學(xué)鍵化學(xué)鍵時(shí)吸引電子時(shí)吸引電子能力的相對(duì)強(qiáng)弱，是元素的原子在分子中吸引共用電子的能能力的相對(duì)強(qiáng)弱，是元素的原子在分子中吸引共用電子的能力。力。元素電子親合能（eV）電負(fù)性值F3.454.0Cl3.613.0Br3.362.

34、8I3.062.540負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)放負(fù)離子的形成使自由電子數(shù)減少，因而對(duì)放電發(fā)展起抑制作用電發(fā)展起抑制作用。SF6氣體含氣體含F(xiàn)，其分子俘獲電，其分子俘獲電子的能力很強(qiáng)，屬強(qiáng)電負(fù)性氣體，因而具有很高子的能力很強(qiáng)，屬強(qiáng)電負(fù)性氣體，因而具有很高的電氣強(qiáng)度。的電氣強(qiáng)度。 電負(fù)性氣體分子捕獲電子的能力除與氣體性電負(fù)性氣體分子捕獲電子的能力除與氣體性質(zhì)有關(guān)外，還與電子的動(dòng)能有關(guān)，電子速度高時(shí)質(zhì)有關(guān)外，還與電子的動(dòng)能有關(guān)，電子速度高時(shí)不容易被捕獲，因此不容易被捕獲，因此電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)電子附著率電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)電子附著率很低。很低。41帶電質(zhì)點(diǎn)受電場(chǎng)力的作用定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消失

35、帶電質(zhì)點(diǎn)受電場(chǎng)力的作用定向運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電極時(shí)，消失于電極上而形成外電路中的電流。于電極上而形成外電路中的電流。 帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域移動(dòng)，帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域移動(dòng)，從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的從而使?jié)舛茸兊镁鶆虻倪^程，稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散擴(kuò)散。電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高、平均自由程大，其擴(kuò)散比離子電子的熱運(yùn)動(dòng)速度高、平均自由程大，其擴(kuò)散比離子擴(kuò)散快得多。擴(kuò)散快得多。42帶異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而帶異號(hào)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞和中和而還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為還原為中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為復(fù)合復(fù)合。復(fù)合是電離的復(fù)合是電離的逆過程逆過程

36、。43帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時(shí)會(huì)以帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合時(shí)會(huì)以光輻射光輻射的形的形式將電離時(shí)獲得的能量釋放出來，式將電離時(shí)獲得的能量釋放出來，這種光輻射這種光輻射在一定條件下能導(dǎo)致在一定條件下能導(dǎo)致間隙中其他中性原子或分子的電間隙中其他中性原子或分子的電離。離。帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合率與正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合率與正、負(fù)電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)電荷的濃度有關(guān)，濃度越大則復(fù)合率越高。合率越高。44 帶電粒子除了進(jìn)行上述的空間復(fù)合之外，還帶電粒子除了進(jìn)行上述的空間復(fù)合之外，還可能在器壁上復(fù)合或者進(jìn)入電極消失?？赡茉谄鞅谏蠌?fù)合或者進(jìn)入電極消失。 電子進(jìn)入陽極：電子進(jìn)入陽極：電子在電場(chǎng)作用下進(jìn)入陽極，電電子在電場(chǎng)作用下進(jìn)入陽極，

37、電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使陽極升溫或者激發(fā)出二子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽龟枠O升溫或者激發(fā)出二次電子。次電子。 正離子進(jìn)入陰極：正離子進(jìn)入陰極：正離子從陰極拉出電子與其復(fù)正離子從陰極拉出電子與其復(fù)合成中性原子。正離子轟擊陰極，其能量轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣芍行栽?。正離子轟擊陰極，其能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使陰極升溫或者激發(fā)出二次電子。這是熱能，使陰極升溫或者激發(fā)出二次電子。這是維維持氣體放電的關(guān)鍵。持氣體放電的關(guān)鍵。 負(fù)離子到達(dá)陽極放出一個(gè)電子變?yōu)橹行粤Ｗ印Ｘ?fù)離子到達(dá)陽極放出一個(gè)電子變?yōu)橹行粤Ｗ印?帶電粒子在器壁上復(fù)合：帶電粒子在器壁上復(fù)合：帶電粒子在器壁上碰到帶電粒子在器壁上碰到一起很容易復(fù)合，多余的能量使器壁升溫。一

38、起很容易復(fù)合，多余的能量使器壁升溫。45激發(fā)過程產(chǎn)生的激激發(fā)過程產(chǎn)生的激發(fā)狀態(tài)，一般情況發(fā)狀態(tài)，一般情況下是不穩(wěn)定的。下是不穩(wěn)定的。受受激原子激原子在在10-7秒到秒到10-8秒內(nèi)放出所獲秒內(nèi)放出所獲得的能量回復(fù)到正得的能量回復(fù)到正常狀態(tài)，放出的能常狀態(tài)，放出的能量以光子形式輻射量以光子形式輻射出去。出去。*AAh 該過程又稱該過程又稱退激發(fā)光退激發(fā)光。平常見到的等離子體。平常見到的等離子體發(fā)光，幾乎都是這種回復(fù)過程產(chǎn)生的。發(fā)光，幾乎都是這種回復(fù)過程產(chǎn)生的?；貜?fù)是激發(fā)的逆過程回復(fù)是激發(fā)的逆過程46 回復(fù)過程放出光回復(fù)過程放出光的波長(zhǎng)與核外電子的波長(zhǎng)與核外電子從較高能級(jí)返回較從較高能級(jí)返回較低能

39、級(jí)的能量差有低能級(jí)的能量差有關(guān)。這對(duì)原子、分關(guān)。這對(duì)原子、分子來說是固有的。子來說是固有的。因此，對(duì)因此，對(duì)等離子體等離子體的發(fā)光光譜的發(fā)光光譜進(jìn)行分進(jìn)行分析，可以確定等離析，可以確定等離子體中激發(fā)原子的子體中激發(fā)原子的種類。種類。47 解離是由幾個(gè)原子組成的分子分解為單個(gè)原解離是由幾個(gè)原子組成的分子分解為單個(gè)原子的過程子的過程。通過非彈性碰撞，分子若能獲得。通過非彈性碰撞，分子若能獲得大于其結(jié)合能的能量，可以實(shí)現(xiàn)解離。大于其結(jié)合能的能量，可以實(shí)現(xiàn)解離。 一般工程用等離子體中，這種解離過程以及一般工程用等離子體中，這種解離過程以及前面的激發(fā)過程和復(fù)合過程，都可以形成激前面的激發(fā)過程和復(fù)合過程，

40、都可以形成激發(fā)態(tài)的亞穩(wěn)原子發(fā)態(tài)的亞穩(wěn)原子。利用這些亞穩(wěn)原子可以進(jìn)。利用這些亞穩(wěn)原子可以進(jìn)行等離子體刻蝕和等離子體化學(xué)氣相沉積等。行等離子體刻蝕和等離子體化學(xué)氣相沉積等。hABABeABABeCABABC實(shí)現(xiàn)解離的方法主要有：實(shí)現(xiàn)解離的方法主要有：48 在離子氣相沉積中，等離子體化學(xué)的作用越在離子氣相沉積中，等離子體化學(xué)的作用越來越重要，它促進(jìn)化合物涂層的形成?？梢詠碓街匾?，它促進(jìn)化合物涂層的形成?？梢詫⒒瘜W(xué)氣相沉積中在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)，降將化學(xué)氣相沉積中在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)，降低到低溫下進(jìn)行。低到低溫下進(jìn)行。492.3氣體放電發(fā)展過程氣體放電發(fā)展過程輸電線路遭受雷擊輸電線路遭受雷擊5051525

41、35455電介質(zhì)電介質(zhì)：不導(dǎo)電或?qū)щ娐蕵O小的物質(zhì)。：不導(dǎo)電或?qū)щ娐蕵O小的物質(zhì)。 例如：空氣、橡膠、純凈水。例如：空氣、橡膠、純凈水。擊穿擊穿：電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電通道的現(xiàn)象。：電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電通道的現(xiàn)象。放電放電：氣體電介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象。：氣體電介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象。 562.3氣體放電發(fā)展過程氣體放電發(fā)展過程將真空容器抽真空至將真空容器抽真空至10-1Pa的某一壓強(qiáng)時(shí)，接通相距的某一壓強(qiáng)時(shí)，接通相距d的兩個(gè)電極間的電源，使其電壓逐漸上升。當(dāng)電壓低的兩個(gè)電極間的電源，使其電壓逐漸上升。當(dāng)電壓低時(shí)，基于宇宙線及存在于自然界的極微量放射性物質(zhì)射時(shí)，基于宇宙線及存在于自然界的極微量放射性物質(zhì)射線引起的電離，電路中僅

42、流過與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娋€引起的電離，電路中僅流過與初始電子數(shù)相當(dāng)?shù)陌惦娏?。隨著電壓增加，當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，流。隨著電壓增加，當(dāng)加速電子能量大到一定值之后，與中性氣體分子或者原子碰撞使之電離，于是電子數(shù)按與中性氣體分子或者原子碰撞使之電離，于是電子數(shù)按等比級(jí)數(shù)迅速增加，等比級(jí)數(shù)迅速增加，形成電子繁衍過程，稱為雪崩式放形成電子繁衍過程，稱為雪崩式放電過程。電過程。但此時(shí)的放電屬于但此時(shí)的放電屬于非自持式放電過程非自持式放電過程，其特點(diǎn)，其特點(diǎn)是，若將原始電離源出去，放電立刻停止。若將原始電是，若將原始電離源出去，放電立刻停止。若將原始電離源去掉放電仍能維持，稱為離源去掉放電仍能維持

43、，稱為自自持式放電過程。持式放電過程。57氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類氣體種類、氣氣壓大小壓大小、氣隙中的電場(chǎng)形式氣隙中的電場(chǎng)形式、電源容量電源容量等一系列等一系列因素有關(guān)。因素有關(guān)。但無論何種氣體放電都但無論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰撞一定有一個(gè)電子碰撞電離導(dǎo)致電子崩的階段電離導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。581、非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)、非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 各種高能輻射射線（外界電離因素）引起：各種高能輻射射線（外界電離因素）引起：陰極表面光電離陰極表面光電離氣體中的空間光電離氣體中的

44、空間光電離因此：氣體空間中存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。因此：氣體空間中存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。 在氣隙的電極間施加電壓時(shí)，可檢測(cè)到很微小的電流。在氣隙的電極間施加電壓時(shí)，可檢測(cè)到很微小的電流。591、非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn)、非自持放電和自持放電的不同特點(diǎn) 電流隨外施電壓的提高而增大，因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)向電極運(yùn)動(dòng)的速度加快復(fù)合率減小 電流飽和，帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極，電流僅取決于外電離因素的強(qiáng)弱（良好的絕緣狀態(tài)） 電流開始增大，由于電子碰撞電離引起的 電流急劇上升放電過程進(jìn)入了一個(gè)新的階段（擊穿） 外施電壓小于外施電壓小于U0時(shí)的放電是時(shí)的放電是非自持放電非自持放電。電壓到達(dá)。電壓到達(dá)U0后，后，電

45、流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需電流劇增，間隙中電離過程只靠外施電壓已能維持，不再需要外電離因素，此時(shí)的放電為要外電離因素，此時(shí)的放電為自持放電自持放電。自持放電起始電壓602、電子崩的形成（、電子崩的形成（BC段電流劇增原因）段電流劇增原因） 放電由非自持向自持轉(zhuǎn)化的機(jī)制與氣體的壓強(qiáng)和放電由非自持向自持轉(zhuǎn)化的機(jī)制與氣體的壓強(qiáng)和氣隙長(zhǎng)度的乘積氣隙長(zhǎng)度的乘積(pd)有關(guān)：有關(guān)： 湯遜理論湯遜理論(pd值較小值較小) 流注理論流注理論(pd值較大值較大)共同理論基礎(chǔ)：共同理論基礎(chǔ)：電子碰撞電離形成電子崩電子碰撞電離形成電子崩。612、電子崩的形成、電子崩的形成外界電離因素在陰極附

46、近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如外界電離因素在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引果空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼起碰撞電離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩似依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流稱為地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流稱為電子崩電子崩。622、電子崩的形成、電子崩的形成ddnnx0d0exxnnddn

47、xn0ednn00(e1)dnnnn 電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù)：代表一個(gè)電子從陰極到陽極行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。 0exnn均勻電場(chǎng) 不隨x變化dIIe0新增電子數(shù)回路電流I0：外電離因素引：外電離因素引起的初始光電流起的初始光電流63 過程：電子在電場(chǎng)作用下，向陽過程：電子在電場(chǎng)作用下，向陽極加速運(yùn)動(dòng)，超過一定能量值后，極加速運(yùn)動(dòng)，超過一定能量值后，與氣體分子發(fā)生碰撞電離。一個(gè)電與氣體分子發(fā)生碰撞電離。一個(gè)電子產(chǎn)生了兩個(gè)電子，重復(fù)這一過程，子產(chǎn)生了兩個(gè)電子，重復(fù)這一過程，實(shí)現(xiàn)了電子的繁衍，即實(shí)現(xiàn)了電子的繁衍，即電子崩電子崩形成。形成。過程：離子在陰極位降的作用下，過程：離

48、子在陰極位降的作用下，轟擊陰極，產(chǎn)生轟擊陰極，產(chǎn)生電子，電子，即即二次電二次電子子。以。以電子為火種，引起后續(xù)的電子為火種，引起后續(xù)的過程，繼而繼續(xù)產(chǎn)生過程，繼而繼續(xù)產(chǎn)生電子。達(dá)到電子。達(dá)到一定條件，即使沒有外界因素產(chǎn)生一定條件，即使沒有外界因素產(chǎn)生的電子，也能維持放電進(jìn)行，即的電子，也能維持放電進(jìn)行，即放放電進(jìn)入自持狀態(tài)。電進(jìn)入自持狀態(tài)。64 湯遜理論湯遜理論 (pd值較小值較小) 流注理論流注理論 (pd值較大值較大)要達(dá)到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電子崩消失要達(dá)到自持放電的條件，必須在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子（二次電子）來取代外電離因素產(chǎn)生的前產(chǎn)生新的電子（二次電子）來取

49、代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。初始電子。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子產(chǎn)生的機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，二次電子產(chǎn)生的機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積（的乘積（pd）有關(guān)：）有關(guān)：65 1、pd 值較小的情況（湯遜理論）值較小的情況（湯遜理論）1903年，由英國人湯遜年，由英國人湯遜(J.S.Townsend)根據(jù)試根據(jù)試驗(yàn)事實(shí)，提出了比較系統(tǒng)的氣體放電理論，闡述了驗(yàn)事實(shí)，提出了比較系統(tǒng)的氣體放電理論，闡述了氣體放電過程，并確定出放電電流和擊穿電壓之間氣體放電過程，并確定出放電電流和擊穿電壓之間的函數(shù)關(guān)系。湯遜氣體放電理論最早定量地解釋了的函數(shù)關(guān)系。湯遜氣體放電理論最早定量地解釋了氣體放電理論。氣體放電

50、理論。適用條件：均勻電場(chǎng)，低氣壓，短間隙。適用條件：均勻電場(chǎng)，低氣壓，短間隙。66 1、pd 值較小的情況（湯遜理論）值較小的情況（湯遜理論）（1）湯遜自持放電判據(jù)）湯遜自持放電判據(jù)在電場(chǎng)作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由在電場(chǎng)作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由行程長(zhǎng)度較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰行程長(zhǎng)度較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞電離。撞電離。但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起表面電離而拉但當(dāng)正離子撞擊陰極表面時(shí)卻有可能引起表面電離而拉出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運(yùn)動(dòng)出電子，部分電子和正離子復(fù)合，其余部分則向著陽極運(yùn)動(dòng)形

51、成形成新的電子崩新的電子崩。 電子碰撞電離系數(shù)電子碰撞電離系數(shù) ：一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)一個(gè)電子沿電力線方向行經(jīng)1cm時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。時(shí)平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。 陰極表面電離系數(shù)陰極表面電離系數(shù) ：一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)從：一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)從陰極表面平均逸出的自由電子數(shù)。陰極表面平均逸出的自由電子數(shù)。67如果電壓足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生如果電壓足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)生出來的新電子等于或大于出來的新電子等于或大于n0，即使除去外界電離因子的作用，即使除去外界電離因子的作用，放電也不會(huì)停止，這就變成了自持放電。放電也不會(huì)停止，這就變成了自持放電

52、。到達(dá)陽極的電子數(shù)目：到達(dá)陽極的電子數(shù)目： 1、pd 值較小的情況（湯遜理論）值較小的情況（湯遜理論）（1）湯遜自持放電判據(jù)）湯遜自持放電判據(jù)0ednn00(e1)dnnnn 新增電子數(shù)個(gè)正離子轟擊陰極時(shí)，個(gè)正離子轟擊陰極時(shí)，過程過程將使陰極逸出將使陰極逸出 個(gè)新電個(gè)新電子，因此，從陰極逸出的電子數(shù)子，因此，從陰極逸出的電子數(shù)將不止是由外界因素所產(chǎn)生的電將不止是由外界因素所產(chǎn)生的電子數(shù)子數(shù)10den0n10den68（1）湯遜自持放電判據(jù)）湯遜自持放電判據(jù)上式寫作：上式寫作：1101denn到達(dá)陽極的電子數(shù)：到達(dá)陽極的電子數(shù)：daenn1則有：則有：110ddaeenn110ddaeejj陽極

53、電流密度：陽極電流密度：從陰極逸出的電子數(shù)是加上由從陰極逸出的電子數(shù)是加上由過程產(chǎn)生的二次電子數(shù)，過程產(chǎn)生的二次電子數(shù)，即為：即為：1001dennn如果放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則從陰極逸出的電子數(shù)不會(huì)再如果放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則從陰極逸出的電子數(shù)不會(huì)再增加，仍為增加，仍為 ，即有，即有1n1101dennn69(e1)1de1d1lnd將電子崩和陰極上的將電子崩和陰極上的過程作為氣體自持放電的決定過程作為氣體自持放電的決定因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。因素是湯遜理論的基礎(chǔ)。（1）湯遜自持放電判據(jù)）湯遜自持放電判據(jù)均勻電場(chǎng)中自均勻電場(chǎng)中自持放電的條件：持放電的條件：上式中如果上式中如果000也可以不等于ajj

54、 其物理意義為：在放電滿足自持條件時(shí)，盡管除去了原其物理意義為：在放電滿足自持條件時(shí)，盡管除去了原始電離源，電極間仍然有電流通過。即始電離源，電極間仍然有電流通過。即上式中分母為零。上式中分母為零。110ddaeejj70湯遜理論的實(shí)質(zhì)：湯遜理論的實(shí)質(zhì)：氣體間隙中發(fā)生的氣體間隙中發(fā)生的(電子崩電子崩)。二次電子來源于二次電子來源于正離子撞擊陰極表面逸出電子正離子撞擊陰極表面逸出電子，。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。電的判據(jù)。71（2）氣體擊穿的帕邢定律）氣體擊穿的帕邢定律 1889年，帕邢（年，帕邢（Paschen）從大量實(shí)驗(yàn)中總

55、結(jié)了）從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了擊擊穿電壓穿電壓Ub與與pd的關(guān)系，稱為帕邢定律的關(guān)系，稱為帕邢定律。b()Uf pd當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體壓力壓力p和氣隙距離和氣隙距離d乘積的函數(shù)，即：乘積的函數(shù)，即：72（2）氣體擊穿的帕邢定律）氣體擊穿的帕邢定律 對(duì)應(yīng)于某一對(duì)應(yīng)于某一pd值，空氣間隙的擊穿電壓最低。即值，空氣間隙的擊穿電壓最低。即Ub有有極小值。極小值。b()Uf pd73帕邢定律：帕邢定律：直流輝直流輝光放電的擊穿電壓、光放電的擊穿電壓、壓強(qiáng)與電極間距乘壓強(qiáng)與電極間距乘積積Pd之間存在的函之間存在的函數(shù)關(guān)系。數(shù)關(guān)系。只有在適當(dāng)?shù)?/p>

56、只有在適當(dāng)?shù)腜d乘乘積下，氣體放電的積下，氣體放電的擊穿電壓才最低。擊穿電壓才最低。74（2）氣體擊穿的帕邢定律）氣體擊穿的帕邢定律 由帕邢定律可知，當(dāng)極間距離由帕邢定律可知，當(dāng)極間距離d不變時(shí)，提高氣壓或降低不變時(shí)，提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。有十分重要的實(shí)用意義。 帕邢定律與湯遜理論的關(guān)系帕邢定律與湯遜理論的關(guān)系前者為后者提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持；后者為前者提供理論依據(jù)。前者為后者提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持；后者為前者提供理論依據(jù)。75（3）湯遜理論的不足）湯遜理論的不足湯遜理論是在湯遜理論是在pd較小時(shí)

57、在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，當(dāng)較小時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，當(dāng)pd較大時(shí)，較大時(shí)，此理論就不再適用，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋。此理論就不再適用，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋。 放電外形：放電外形：按湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均按湯遜理論，氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展，但在大氣壓下?lián)舸?huì)出現(xiàn)有分支的明勻連續(xù)地發(fā)展，但在大氣壓下?lián)舸?huì)出現(xiàn)有分支的明亮細(xì)通道。亮細(xì)通道。 放電時(shí)間：放電時(shí)間：高氣壓下?lián)舸┻^程所需時(shí)間，實(shí)測(cè)值比理高氣壓下?lián)舸┻^程所需時(shí)間，實(shí)測(cè)值比理論值小論值小10100倍。倍。 陰極材料：陰極材料：按湯遜理論，擊穿過程與陰極材料有關(guān)，然按湯遜理論，擊穿過程與陰極材料有關(guān)，然而在大氣壓力下的空

58、氣隙中擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。76主要原因：主要原因： 湯遜理論沒有考慮電離出來的空間電荷對(duì)電場(chǎng)湯遜理論沒有考慮電離出來的空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。的畸變作用。 湯遜理論沒有考慮光子在放電過程中的作用湯遜理論沒有考慮光子在放電過程中的作用（空間光電離和陰極表面光電離）。（空間光電離和陰極表面光電離）。77在在pd較小時(shí)這兩個(gè)因素影響不顯著的原因：較小時(shí)這兩個(gè)因素影響不顯著的原因： 空間電荷是電子崩過程中氣體分子電離的產(chǎn)物?？臻g電荷是電子崩過程中氣體分子電離的產(chǎn)物。pd越大，電離總數(shù)越多，空間電荷數(shù)越多，電越大，電離總數(shù)越多，空間電荷數(shù)越多，電荷數(shù)

59、按指數(shù)規(guī)律增加。荷數(shù)按指數(shù)規(guī)律增加。 pd大時(shí)，因電離總數(shù)劇增，電子及正離子的濃大時(shí)，因電離總數(shù)劇增，電子及正離子的濃度很大，所以必然伴隨著強(qiáng)烈的復(fù)合和激勵(lì)過度很大，所以必然伴隨著強(qiáng)烈的復(fù)合和激勵(lì)過程，放出的光子數(shù)量急劇的增加。程，放出的光子數(shù)量急劇的增加。 大量空間電荷造成局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，而碰撞電離系大量空間電荷造成局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，而碰撞電離系數(shù)數(shù) 對(duì)電場(chǎng)很敏感。在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，由光子電離出對(duì)電場(chǎng)很敏感。在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，由光子電離出來的電子容易形成二次電子崩。來的電子容易形成二次電子崩。782、pd 值較大的情況（流注理論）值較大的情況（流注理論）1937年年（1）電子崩中空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用）電子崩中空間

60、電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用a圖：電子崩發(fā)展過程中，電子移動(dòng)速度圖：電子崩發(fā)展過程中，電子移動(dòng)速度快，正離子相對(duì)于電子可看成靜止的，快，正離子相對(duì)于電子可看成靜止的，崩頭集中電子，后部為正離子；由于電崩頭集中電子，后部為正離子；由于電子的擴(kuò)散作用，電子崩橫向半徑逐漸擴(kuò)子的擴(kuò)散作用，電子崩橫向半徑逐漸擴(kuò)大大形成半球頭的錐體。形成半球頭的錐體。b圖：電子崩過程中，電子數(shù)圖：電子崩過程中，電子數(shù) N 呈指數(shù)呈指數(shù)增加。電子崩的電離過程集中在頭部，增加。電子崩的電離過程集中在頭部，空間電荷分布極不均勻?？臻g電荷分布極不均勻。c圖：當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度，其形成圖：當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度，其形成的空間電荷的電場(chǎng)