氣體放電基礎(chǔ)

1、氣體放電中的基本粒子：氣體放電中的基本粒子： 基態(tài)原子（或分子）基態(tài)原子（或分子） 電子電子 e1/2mve2，典型密度為典型密度為10161020/m3. 激發(fā)態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子(或分子或分子) 正離子和負(fù)離子正離子和負(fù)離子 光子光子 h 氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)基本粒子間的相互作用基本粒子間的相互作用 彈性碰撞彈性碰撞 參與碰撞的粒子的運(yùn)動速度和方向發(fā)生變參與碰撞的粒子的運(yùn)動速度和方向發(fā)生變化，而位能不發(fā)生變化。化，而位能不發(fā)生變化。22121)(2mmmm平均能量損失率氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)舉例：舉例：me=9.1 10-31kg, mHe=6.68 10-27kg.e-

2、He原子碰撞：原子碰撞： 2.72 10-4, He+-He原子碰撞：原子碰撞： 0.5 非彈性碰撞非彈性碰撞 使參與碰撞的粒子間發(fā)生了位能的變化。使參與碰撞的粒子間發(fā)生了位能的變化。 第一類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能增加。第一類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能增加。 如如 He+e(快速）快速） He*+e（慢速）慢速） 第二類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能減小。第二類非彈性碰撞：導(dǎo)致粒子體系位能減小。 如如 He* +e(慢速）慢速） He+e（快速）快速） 氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)內(nèi)能的最大值內(nèi)能的最大值21212max)(2EmmmW氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)第一類非彈性碰撞

3、第一類非彈性碰撞:211121mE 如如 m1 m2，Wmax 0.5E1； m1m2，Wmax E1。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體原子的激發(fā)和電離氣體原子的激發(fā)和電離激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)原子能級原子能級諧振能級諧振能級 （受激原子自發(fā)地直接過渡到（受激原子自發(fā)地直接過渡到 基態(tài)，基態(tài)，并產(chǎn)生光子輻射。）并產(chǎn)生光子輻射。）較高激發(fā)態(tài)能級較高激發(fā)態(tài)能級（向較低基發(fā)態(tài)能級躍遷，并產(chǎn)生光子（向較低基發(fā)態(tài)能級躍遷，并產(chǎn)生光子輻射。）輻射。）亞穩(wěn)能級亞穩(wěn)能級 （不能自發(fā)地通過光輻射向基態(tài)躍遷。）（不能自發(fā)地通過光輻射向基態(tài)躍遷。）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 電子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離電子與氣體

4、原子碰撞致激發(fā)和電離原子由基態(tài)原子由基態(tài)E0激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)EmemeeUEEm0221基態(tài)原子被電離基態(tài)原子被電離emeeUEEm0221電子必須具有的動能電子必須具有的動能EeAAe*EeAAe2電子使基態(tài)原子電子使基態(tài)原子(或分子或分子)電離和激發(fā)電離和激發(fā)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)電子使激發(fā)態(tài)原子電離和激發(fā)電子使激發(fā)態(tài)原子電離和激發(fā)eAAe*eeAAe*舉例：舉例： 汞的電離電位為汞的電離電位為10.4V，而汞弧放電的穩(wěn)態(tài)而汞弧放電的穩(wěn)態(tài)電壓只有電壓只有910V。這是因?yàn)檫@是因?yàn)閑eHgpHge)6(03*eeHgpHge)6(23*能級為4.66ev能級為5.43ev氣體放電物理基

5、礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)碰撞截面碰撞截面原子作用半徑原子作用半徑R： 電子與原子間能發(fā)生相互作用的最大距離。電子與原子間能發(fā)生相互作用的最大距離。原子與電子碰撞的有效截面原子與電子碰撞的有效截面 2Rqe電子能量的函數(shù) 有效截面不僅包含原子半徑的概念，還包含了帶電粒有效截面不僅包含原子半徑的概念，還包含了帶電粒子和原子在相互作用中，具有幾率和不確定因素的含意。子和原子在相互作用中，具有幾率和不確定因素的含意。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)電子和氣體原子的碰撞幾率電子和氣體原子的碰撞幾率總有效截面總有效截面eenqQ 電子的平均自由程電子的平均自由程eeenqQ11氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氦

6、原子的激發(fā)截面與電子能量的關(guān)系 原子和離子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離原子和離子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 光致激發(fā)和光致電離光致激發(fā)和光致電離)*(AAh光致激發(fā)和光致電離光致激發(fā)和光致電離的光子波長的光子波長)(1024. 1)(3evWnm氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 熱激發(fā)和熱電離熱激發(fā)和熱電離(1)氣體原子相互碰撞產(chǎn)生電離氣體原子相互碰撞產(chǎn)生電離(2)高溫氣體產(chǎn)生熱輻射而引起的光致電離高溫氣體產(chǎn)生熱輻射而引起的光致電離(3)以上兩種電離過程所產(chǎn)生的高能電子引起的碰撞電離以上兩種電離過程所產(chǎn)生的高能電子引起的碰撞電離氣體

7、放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) X射線及核輻射引起的電離和剩余電離射線及核輻射引起的電離和剩余電離(1)氣體原子吸收氣體原子吸收X射線量子后，使一個(gè)價(jià)電子脫離射線量子后，使一個(gè)價(jià)電子脫離。這這個(gè)高能電子使氣體原子產(chǎn)生大量的碰撞電離。個(gè)高能電子使氣體原子產(chǎn)生大量的碰撞電離。(2)高能高能X射線量子被原子吸收，使原子一個(gè)內(nèi)層電子電射線量子被原子吸收，使原子一個(gè)內(nèi)層電子電離，隨即有較外層的電子躍遷到內(nèi)層空位上，這個(gè)過程離，隨即有較外層的電子躍遷到內(nèi)層空位上，這個(gè)過程也伴隨著能量的釋放。新的也伴隨著能量的釋放。新的X量子又可以產(chǎn)生新的電離量子又可以產(chǎn)生新的電離。(3)原子不是完全吸收原子不是完全吸收x射

8、線量子，而是產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。射線量子，而是產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。X射線：射線：氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)核輻射引起的電離：核輻射引起的電離：（1） 射線、質(zhì)子和氘核射線、質(zhì)子和氘核 它們引起的電離，相當(dāng)于高速正離子與氣體原子產(chǎn)生它們引起的電離，相當(dāng)于高速正離子與氣體原子產(chǎn)生的第一類非彈性碰撞。的第一類非彈性碰撞。（2） 射線射線 它引起的電離，相當(dāng)于極高速電子與氣體原子的第一它引起的電離，相當(dāng)于極高速電子與氣體原子的第一類非彈性碰撞。類非彈性碰撞。（3） 射線射線 射線引起的電離相當(dāng)于能量很大的光子引起的光致電射線引起的電離相當(dāng)于能量很大的光子引起的光致電離，主要產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。離，主要產(chǎn)生康

9、普頓效應(yīng)。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)（1）在地面附近產(chǎn)生剩余電離的原因是地殼中）在地面附近產(chǎn)生剩余電離的原因是地殼中放射性物質(zhì)的輻射。放射性物質(zhì)的輻射。（2）高空中的剩余電離主要是宇宙射線引起的。）高空中的剩余電離主要是宇宙射線引起的。宇宙線是來自星際空間的高能粒子。宇宙線是來自星際空間的高能粒子。剩余電離剩余電離 從地面向上升高時(shí)，剩余電離作用開始隨高從地面向上升高時(shí)，剩余電離作用開始隨高度增加而下降，度增加而下降， 在到達(dá)在到達(dá)1.5km以后，剩余電離重以后，剩余電離重新增加。新增加。氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離 氣體粒子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離是氣體粒子的激發(fā)和氣

10、體粒子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離是氣體粒子的激發(fā)和電離的逆過程，這些基本過程屬于重粒子間的第二類非電離的逆過程，這些基本過程屬于重粒子間的第二類非彈性碰撞。彈性碰撞。1氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移 自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷 與電子的非彈性碰撞與電子的非彈性碰撞 與基態(tài)原子的非彈性碰撞與基態(tài)原子的非彈性碰撞潘寧效應(yīng)潘寧效應(yīng)輻射的淬滅輻射的淬滅敏化熒光敏化熒光氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)2帶電粒子的復(fù)合帶電粒子的復(fù)合 電子和正離子間的復(fù)合電子和正離子間的復(fù)合氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 假定電子質(zhì)量為假定電子質(zhì)量為m，正離子質(zhì)量為正離子質(zhì)量為M。復(fù)合之前，。復(fù)合之前，電子相對于離子的速度為

11、電子相對于離子的速度為 ，復(fù)合后形成中性原子速，復(fù)合后形成中性原子速度為度為u。中性原子的質(zhì)量則為。中性原子的質(zhì)量則為mM。eUi為其電離能。為其電離能。 根據(jù)動量守恒有根據(jù)動量守恒有uMmmv)(根據(jù)動量守恒有根據(jù)動量守恒有22)(2121uMmeUmvi氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)從以上兩式得出從以上兩式得出)()(22無解MMmmeUui說明說明 電子與正離子的二體復(fù)合不可能發(fā)生。電子與正離子的二體復(fù)合不可能發(fā)生。三體碰撞復(fù)合三體碰撞復(fù)合輻射復(fù)合輻射復(fù)合氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 正負(fù)離子間的復(fù)合正負(fù)離子間的復(fù)合（a）輻射復(fù)合輻射復(fù)合 X - +Y+ XY +h （b）電荷交換

12、電荷交換 X - +Y+ XY（c）三體復(fù)合三體復(fù)合 X - +Y+Z XY +Z 由于正、負(fù)離子間的相對運(yùn)動速度比較小，所以由于正、負(fù)離子間的相對運(yùn)動速度比較小，所以離子復(fù)合幾率比電子復(fù)合幾率大得多。離子復(fù)合幾率比電子復(fù)合幾率大得多。 在能夠形成負(fù)離子的氣體中，體積復(fù)合大多分兩在能夠形成負(fù)離子的氣體中，體積復(fù)合大多分兩步進(jìn)行，首先是電子和原子結(jié)合形成負(fù)離子，然后負(fù)步進(jìn)行，首先是電子和原子結(jié)合形成負(fù)離子，然后負(fù)離子再與正離子發(fā)生復(fù)合。離子再與正離子發(fā)生復(fù)合。3. 帶電粒子的電荷轉(zhuǎn)移帶電粒子的電荷轉(zhuǎn)移EBABAEBABA*EBABA*4負(fù)離子的形成負(fù)離子的形成中性原子捕獲電子形成負(fù)離子中性原子捕

13、獲電子形成負(fù)離子hAAe三體碰撞三體碰撞BABAe分解吸附分解吸附Y(jié)XXYXYe*)(分子氣體與電子碰撞產(chǎn)生離子對分子氣體與電子碰撞產(chǎn)生離子對eYXXYe重粒子間的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生離子對重粒子間的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生離子對BABA氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帶電粒子在氣體中的運(yùn)動帶電粒子在氣體中的運(yùn)動 帶電粒子的熱運(yùn)動帶電粒子的熱運(yùn)動 帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動 帶電粒子的漂移運(yùn)動帶電粒子的漂移運(yùn)動氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帶電粒子的熱運(yùn)動帶電粒子的熱運(yùn)動（1）帶電粒子的速度分布與平均動能）帶電粒子的速度分布與平均動能麥克斯韋分布：麥克斯韋分布：氣體放電

14、物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)三種統(tǒng)計(jì)速度：三種統(tǒng)計(jì)速度：最可幾速度最可幾速度mkTp2平均速度平均速度pmkT13. 18方均根速度方均根速度psmkT22. 132帶電粒子的平均動能：帶電粒子的平均動能：TTTTkTMMmniesnnsiisee,23212121222氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帶電粒子的平均自由程及其分布律帶電粒子的平均自由程及其分布律分子平均自由程分子平均自由程nr2241離子平均自由程離子平均自由程i電子平均自由程電子平均自由程nre2124電子自由程分布律電子自由程分布律)exp(eexxnn氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)雜亂電流密度雜亂電流密度 在無外場作用時(shí)，

15、帶電離子在氣體中的無規(guī)則在無外場作用時(shí)，帶電離子在氣體中的無規(guī)則熱運(yùn)動，在宏觀上對外并不表現(xiàn)出電流。但在電熱運(yùn)動，在宏觀上對外并不表現(xiàn)出電流。但在電離氣體中，某一指定方向的單位面積上，在單位離氣體中，某一指定方向的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)有一定量的帶電粒子通過。時(shí)間內(nèi)有一定量的帶電粒子通過。 電離氣體中的雜亂電子、離子流密度為電離氣體中的雜亂電子、離子流密度為eeeenj41iiienj41氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帶電粒子在氣體中的遷移運(yùn)動帶電粒子在氣體中的遷移運(yùn)動離子遷移速度離子遷移速度iiKu 電子遷移速度電子遷移速度eeKu 通過氣體的電流通過氣體的電流iieeieuenuenj

16、jj氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)離子遷移率（Longevin公式）iiMeaK 溫度為0C，氣體壓強(qiáng)為133Pa氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)電子遷移率4eeimeCK 電子在每次碰撞中傳給氣體粒子的平均能量百分?jǐn)?shù)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帶電粒子在氣體中的擴(kuò)散運(yùn)動電子擴(kuò)散系數(shù)離子擴(kuò)散系數(shù)eeeD31iiiD31由于ei， ei ，所以DeDi。愛因斯坦關(guān)系式ekTKDeeeekTKDiii帶電粒子的雙極性擴(kuò)散運(yùn)動帶電粒子的濃度分布隨時(shí)間的變化氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)湯生放電自 持暗放電輝光放電弧光放電自持放電非自持放電Vf10-1610-1

17、410-1210-110-210-310-410-510-610110010-1002004006008001000ABCDEVREaIFGHVa(V)I(A)氣體發(fā)生穩(wěn)定放電的區(qū)域：正常輝光放電區(qū)(EF) 反常輝光放電區(qū)(FG) 弧光放電區(qū)(GH)氣體放電的伏安特性氣體放電的伏安特性 為了描述氣體放電中的電離現(xiàn)象，湯生提出了三種為了描述氣體放電中的電離現(xiàn)象，湯生提出了三種電離過程，并引出三個(gè)對應(yīng)的電離系數(shù)：電離過程，并引出三個(gè)對應(yīng)的電離系數(shù)：（1 1） 湯生第一電離系數(shù)湯生第一電離系數(shù)系數(shù)。它是指每個(gè)電子系數(shù)。它是指每個(gè)電子在沿電場反方向運(yùn)行單位距離的過程中，與氣體原子發(fā)在沿電場反方向運(yùn)行單

18、位距離的過程中，與氣體原子發(fā)生碰撞電離的次數(shù)。生碰撞電離的次數(shù)。氣體的擊穿和巴邢定律氣體的擊穿和巴邢定律電電子子繁繁流流示示意意圖圖氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)（2 2）湯生第二電離系數(shù)）湯生第二電離系數(shù)系數(shù)。它是指系數(shù)。它是指一個(gè)正離子沿電場方向運(yùn)行單位路程所產(chǎn)一個(gè)正離子沿電場方向運(yùn)行單位路程所產(chǎn)生的碰撞電離次數(shù)。生的碰撞電離次數(shù)。 （3 3） 湯生第三電離系數(shù)湯生第三電離系數(shù) 系數(shù)。它是系數(shù)。它是指每個(gè)正離子打上陰極表面時(shí)，產(chǎn)生的二指每個(gè)正離子打上陰極表面時(shí)，產(chǎn)生的二次電子發(fā)射數(shù)。次電子發(fā)射數(shù)。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 當(dāng)一個(gè)電子由陰極方向進(jìn)入當(dāng)一個(gè)電子由陰極方向進(jìn)入dx層，則

19、在層，則在dx層中將產(chǎn)生層中將產(chǎn)生dx個(gè)電子。如果在個(gè)電子。如果在x處，單位時(shí)間處，單位時(shí)間通過單位面積的電子數(shù)為通過單位面積的電子數(shù)為n，則則經(jīng)過經(jīng)過dx層后，新產(chǎn)生的電子數(shù)層后，新產(chǎn)生的電子數(shù)為為ndx，dxndn 如已知邊界條件為如已知邊界條件為x0，nn。，。，則在均勻電場中則在均勻電場中(常數(shù)常數(shù))，對式上積分，得，對式上積分，得xdxenennx000（1）（2）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 如極間距離為如極間距離為d，則到達(dá)陽極的電子數(shù)則到達(dá)陽極的電子數(shù)0dnn e相應(yīng)的電子流密度為相應(yīng)的電子流密度為0djj e從陽極發(fā)射的從陽極發(fā)射的n0個(gè)電子，在到達(dá)陽極過程中，因個(gè)電子，

20、在到達(dá)陽極過程中，因作用在作用在空間新產(chǎn)生的電子數(shù)為空間新產(chǎn)生的電子數(shù)為na- n0 。這些也是新產(chǎn)這些也是新產(chǎn)生的正離子數(shù)。如果忽略正離子在空間的碰撞電離作用生的正離子數(shù)。如果忽略正離子在空間的碰撞電離作用( 0)，就有就有 個(gè)正離子轟擊陰極，它們將在陰極上新個(gè)正離子轟擊陰極，它們將在陰極上新產(chǎn)生產(chǎn)生 個(gè)電子。個(gè)電子。) 1(0den) 1(0den) 1(0den（3）（4）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 假定假定n0是外界電離源，它的大小不隨時(shí)間變化。把它是外界電離源，它的大小不隨時(shí)間變化。把它看成第一周期從陰極發(fā)射的電子。到了第二周期陰極單位看成第一周期從陰極發(fā)射的電子。到了第二周期

21、陰極單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的它于數(shù)等于時(shí)間、單位面積發(fā)射的它于數(shù)等于 。令令依次類推，可以寫出第三、第四、依次類推，可以寫出第三、第四、周期、陰極單位時(shí)周期、陰極單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電子數(shù)以及到達(dá)陽極的電子數(shù)。經(jīng)過間、單位面積發(fā)射的電子數(shù)以及到達(dá)陽極的電子數(shù)。經(jīng)過無限周期以后，到達(dá)陽極的電子數(shù)為無限周期以后，到達(dá)陽極的電子數(shù)為其極限值為其極限值為) 1(00denn) 1(0den)1 (320 daenn) 1(1100dddaeenenn（5）（6）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)電子繁流過程中，陰極發(fā)出的電子數(shù)和到達(dá)陽極的電子數(shù)電子繁流過程中，陰極發(fā)出的電子數(shù)和到達(dá)陽極的電子數(shù)氣體放

22、電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)相應(yīng)的電子流密度為相應(yīng)的電子流密度為) 1(10ddaeejj相應(yīng)的極間電壓為自持放電的擊穿電壓或著火電壓。相應(yīng)的極間電壓為自持放電的擊穿電壓或著火電壓。 當(dāng)分母為零，分子也趨于零時(shí)，當(dāng)分母為零，分子也趨于零時(shí)，ja仍可以為有限值。仍可以為有限值。這表明，當(dāng)外界電離源去除，即使初始電流這表明，當(dāng)外界電離源去除，即使初始電流j00，放放電仍然繼續(xù)進(jìn)行，這就形成了自持放電。因此放電著電仍然繼續(xù)進(jìn)行，這就形成了自持放電。因此放電著火火(或稱擊穿或稱擊穿)的條件為的條件為1) 1(de（7）（8）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 定量分析定量分析 與場強(qiáng)與場強(qiáng) 和氣壓和氣壓P

23、關(guān)系時(shí)的近似假設(shè)：關(guān)系時(shí)的近似假設(shè)：(1)電場較強(qiáng)，電子在氣體中以定向運(yùn)動為主，忽略亂向熱電場較強(qiáng)，電子在氣體中以定向運(yùn)動為主，忽略亂向熱運(yùn)動；運(yùn)動；(2)電子和氣體原子每次磁撞后，沿電場方向的初速度為零；電子和氣體原子每次磁撞后，沿電場方向的初速度為零； (3)電子在一個(gè)自由程中從電場獲得能量電子在一個(gè)自由程中從電場獲得能量Eee，只要，只要ee eUi，則電離幾率為則電離幾率為1；如果；如果eeeUi，電離幾率為電離幾率為零。零。 根據(jù)假設(shè)根據(jù)假設(shè)(1)和和 的定義，的定義， 系數(shù)應(yīng)等于電子在系數(shù)應(yīng)等于電子在1cm路路程中與氣體原子的平均碰撞次數(shù)和電離幾率的乘積，即程中與氣體原子的平均碰撞

24、次數(shù)和電離幾率的乘積，即電離幾率e1（9）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 確確 根據(jù)假設(shè)根據(jù)假設(shè)(2)和和(3)，當(dāng)電子在一個(gè)自由程中獲得，當(dāng)電子在一個(gè)自由程中獲得的能量的能量ee等于或大于原子電離能等于或大于原子電離能eUi時(shí)，就一定產(chǎn)生時(shí)，就一定產(chǎn)生電離碰撞。即當(dāng)電子在兩次碰撞間的自由程滿足電離碰撞。即當(dāng)電子在兩次碰撞間的自由程滿足iiU可產(chǎn)生電離碰撞。因此自由程大于可產(chǎn)生電離碰撞。因此自由程大于Ui/ 的幾率，就的幾率，就是電離幾率。根據(jù)自由程分布規(guī)律，立即可得是電離幾率。根據(jù)自由程分布規(guī)律，立即可得)exp(eiU電離幾率（10）（11）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)將式將式(11

25、)代入式代入式(9)，得，得)exp(1eieU令令 ，P為氣體壓強(qiáng)。又令為氣體壓強(qiáng)。又令B=AUi。代入式（代入式（12）得）得APe1（12）)exp(BPAP或或)()exp(PfPBAP（13）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)幾種氣體的巴邢曲線幾種氣體的巴邢曲線 Vf(V)11010-1102102103104Pd(1.33Pa.m)Ne-Ar(0.1%)NeArH2Hg空氣(Pd)minVfmin帕邢帕邢(Paschen)定律定律 在氣體種類、電極材在氣體種類、電極材料等條件不變時(shí)，著火電料等條件不變時(shí)，著火電壓壓Ub不僅單獨(dú)和壓強(qiáng)不僅單獨(dú)和壓強(qiáng)P或極或極間距離間距離d有關(guān)，而且和有

26、關(guān)，而且和Pd的的乘積有關(guān)乘積有關(guān) Ub=f（Pd）（14）Ub與與Pd的函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)：的函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)：根據(jù)著火條件根據(jù)著火條件 ， 系數(shù)必須滿足系數(shù)必須滿足1) 1(de1ln1d（15）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)據(jù)式據(jù)式(13)exp(BPAP（16）從式從式(15)和和(16)相等，可得相等，可得)exp(1ln1bUBPdAPd上式兩邊取對數(shù)上式兩邊取對數(shù)bUBPdPdAln)1ln1ln(整理后得整理后得)1ln(ln)ln(ApdBpdUb（17）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ))11ln(72. 2minABUbApd)11ln(72. 2)(min因而因而 令令常數(shù))

27、11ln(lnAC)(lnPdfCPdBPdUb（18）從從 ，可得最低著火點(diǎn)：，可得最低著火點(diǎn)：0)(PdddUb（19）（20）氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)帕邢定律的物理意義：帕邢定律的物理意義： 電子從陰極到陽極全部路程電子從陰極到陽極全部路程d內(nèi)，所產(chǎn)生的總內(nèi)，所產(chǎn)生的總碰撞次數(shù)為碰撞次數(shù)為PddNed而電子在一個(gè)平均自由程中從電場獲得的能量為而電子在一個(gè)平均自由程中從電場獲得的能量為PddUeeEee1因電子碰撞電離幾率因電子碰撞電離幾率 E 1/Pd，因此無論改變壓強(qiáng)因此無論改變壓強(qiáng)P或極間距離或極間距離d，只要只要Pd乘積不變，則乘積不變，則Nd和電離幾率和電離幾率都不變，也

28、就是電子從陰極到陽極所產(chǎn)生的總電離都不變，也就是電子從陰極到陽極所產(chǎn)生的總電離碰撞次數(shù)不變，著火電壓也不變。碰撞次數(shù)不變，著火電壓也不變。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)存在存在Ub的物理解釋：的物理解釋： 當(dāng)當(dāng)p不變，而不變，而d由小增大時(shí)，由小增大時(shí)，E變小，變小， 變小，但變小，但 d的乘的乘積可能增大也可能減小，因此存在最佳放電狀態(tài)。積可能增大也可能減小，因此存在最佳放電狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)d不變，而不變，而p增大時(shí)，電子在一個(gè)自由程中獲得的能量增大時(shí)，電子在一個(gè)自由程中獲得的能量減小，電離幾率下降，這對放電不利；但另一方面電子在極減小，電離幾率下降，這對放電不利；但另一方面電子在極間碰撞總數(shù)

29、增大，這對放電發(fā)展有利，因此也存在最佳放電間碰撞總數(shù)增大，這對放電發(fā)展有利，因此也存在最佳放電狀態(tài)。狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)pd乘積從小到大發(fā)生變化時(shí)，一方面因碰撞次數(shù)增乘積從小到大發(fā)生變化時(shí)，一方面因碰撞次數(shù)增多，有利于放電發(fā)展；另一方面，因電子在一個(gè)自由程中獲多，有利于放電發(fā)展；另一方面，因電子在一個(gè)自由程中獲得能量減小，不利于放電的發(fā)展。綜合兩方面的影響因素，得能量減小，不利于放電的發(fā)展。綜合兩方面的影響因素，存在最小著火電壓。存在最小著火電壓。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)湯生放電理論的缺陷：湯生放電理論的缺陷：1) 1(de) 1(10ddaeejj自持放電的條件：自持放電的條件：則由則由氣體

30、放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)若若j0 0， ja .無法說明著火以后，自持放電的發(fā)展情況。無法說明著火以后，自持放電的發(fā)展情況。原因：原因： 沒有考慮繁流過程中，逐漸增長的空間電荷對電沒有考慮繁流過程中，逐漸增長的空間電荷對電場畸變造成的影響。場畸變造成的影響。羅果夫斯基的空間電荷理論羅果夫斯基的空間電荷理論氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)已知空間電荷分布，由泊松方程可得電場和電位分布為已知空間電荷分布，由泊松方程可得電場和電位分布為202d Udx 空間電荷影響下的電位分布空間電荷影響下的電位分布空間電荷影響下的電場分布空間電荷影響下的電場分布?xì)怏w放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)放電發(fā)展過程中，

31、極間電位分布的變化放電發(fā)展過程中，極間電位分布的變化影響氣體放電著火電壓的因素影響氣體放電著火電壓的因素 pd值的作用值的作用 巴邢定律表明，當(dāng)其它因素不變時(shí)，巴邢定律表明，當(dāng)其它因素不變時(shí)，pdpd值的值的變化對著火電壓的變化起了決定性的作用。因此變化對著火電壓的變化起了決定性的作用。因此，PDPPDP中充入氣體的壓強(qiáng)和電極間隙對中充入氣體的壓強(qiáng)和電極間隙對PDPPDP的著火的著火電壓有很大影響。電壓有很大影響。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 氣體種類和成分的影響氣體種類和成分的影響 值和擊穿電壓值和擊穿電壓Ub值，都與氣體的性質(zhì)值，都與氣體的性質(zhì)(種類和氣壓種類和氣壓)有關(guān)，并主要由電子

32、與一定氣體粒子發(fā)生碰撞的過程有關(guān)，并主要由電子與一定氣體粒子發(fā)生碰撞的過程來決定。來決定。 氣體的電離電位對擊穿電位的影響是另一個(gè)重要?dú)怏w的電離電位對擊穿電位的影響是另一個(gè)重要的因素，在其他條件不變的情況下，通常電離電位越大的因素，在其他條件不變的情況下，通常電離電位越大的氣體，它的擊穿電位就越大。的氣體，它的擊穿電位就越大。 如果碰撞時(shí)電子還未達(dá)到足以使氣體電離的速度如果碰撞時(shí)電子還未達(dá)到足以使氣體電離的速度，電子與這種氣體粒子碰撞損失的平均能量較大，那么，電子與這種氣體粒子碰撞損失的平均能量較大，那么這種氣體被擊穿所需要的電場強(qiáng)度就大，相應(yīng)地要求擊這種氣體被擊穿所需要的電場強(qiáng)度就大，相應(yīng)地

33、要求擊穿電位也高。穿電位也高。 氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 在放電管內(nèi)有兩種氣體的混合物時(shí)，在放電管內(nèi)有兩種氣體的混合物時(shí)，Ub不能簡單不能簡單地用混合方法以混合氣體的濃度去計(jì)算?；旌蠚怏w的地用混合方法以混合氣體的濃度去計(jì)算?；旌蠚怏w的擊穿現(xiàn)象往往與純粹氣體完全不同。擊穿現(xiàn)象往往與純粹氣體完全不同。氮氮?dú)錃浠旌蠚饣旌蠚怏w的最體的最小著火小著火電壓與電壓與Pd的的關(guān)系關(guān)系氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)空氣中水蒸空氣中水蒸氣含量對放氣含量對放電擊穿電位電擊穿電位的影響的影響（平面電極（平面電極極距為極距為d49310-3 m ，空氣空氣壓強(qiáng)為壓強(qiáng)為400Pa） 當(dāng)空氣中所含水蒸氣量減少時(shí)，

34、擊穿電壓會隨當(dāng)空氣中所含水蒸氣量減少時(shí)，擊穿電壓會隨著減少。當(dāng)空氣繼續(xù)干燥時(shí)，在水蒸氣分壓強(qiáng)約著減少。當(dāng)空氣繼續(xù)干燥時(shí)，在水蒸氣分壓強(qiáng)約為為3Pa附近時(shí)擊穿電位開始重新上升。附近時(shí)擊穿電位開始重新上升。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 在氖氣中混入少量氬氣能使氣體的擊穿電壓降低，在氖氣中混入少量氬氣能使氣體的擊穿電壓降低，其降低量由氬氣的混合量決定。這種現(xiàn)象就是放電中潘其降低量由氬氣的混合量決定。這種現(xiàn)象就是放電中潘寧效應(yīng)的結(jié)果。這種效應(yīng)在氖寧效應(yīng)的結(jié)果。這種效應(yīng)在氖汞混合氣體中也存在。汞混合氣體中也存在。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)潘寧電離：潘寧電離： 設(shè)設(shè)A、B為不同種類的原子，原子為

35、不同種類的原子，原子A的亞穩(wěn)激發(fā)電的亞穩(wěn)激發(fā)電位大于原子位大于原子B的電離電位，亞穩(wěn)原子的電離電位，亞穩(wěn)原子A* 與基態(tài)原子與基態(tài)原子B碰撞時(shí)，使碰撞時(shí)，使B電離，變?yōu)榛鶓B(tài)正離子電離，變?yōu)榛鶓B(tài)正離子B+（或激發(fā)態(tài)正或激發(fā)態(tài)正離子離子B+*），），而亞穩(wěn)原子而亞穩(wěn)原子A*降低到較低能態(tài)，或變?yōu)榻档偷捷^低能態(tài)，或變?yōu)榛鶓B(tài)原子基態(tài)原子A. . A*+BA+B+（或或B+*）+e由于亞穩(wěn)原子平均壽命是由于亞穩(wěn)原子平均壽命是10-4 10-2s ，因此潘寧電離因此潘寧電離的幾率較高，使得基本氣體的有效電離電位明顯降低的幾率較高，使得基本氣體的有效電離電位明顯降低。另外，著火電壓下降的大小還與兩種氣體的性

36、質(zhì)和。另外，著火電壓下降的大小還與兩種氣體的性質(zhì)和它們量的混合比有非常密切的關(guān)系。它們量的混合比有非常密切的關(guān)系。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)陰極材料和表面狀況的影響陰極材料和表面狀況的影響 在各種在各種陰極材陰極材料的平料的平板電圾板電圾之間氬之間氬氣的擊氣的擊穿電壓穿電壓隨隨Pd的的變化變化氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ) 輔助電離源的影響輔助電離源的影響 使用輔助電離源來加快帶電粒子的形成，也可以使使用輔助電離源來加快帶電粒子的形成，也可以使著火電壓降低。著火電壓降低。 例如：例如： 人工加熱陰極產(chǎn)生熱電子發(fā)射，取代人工加熱陰極產(chǎn)生熱電子發(fā)射，取代 發(fā)射過程發(fā)射過程的作用；的作用；

37、用紫外光照射陰極，使陰極產(chǎn)生光電發(fā)射；用紫外光照射陰極，使陰極產(chǎn)生光電發(fā)射； 放射性物質(zhì)靠近放電管，放射性射線引起氣體放射性物質(zhì)靠近放電管，放射性射線引起氣體電離；電離； 通過預(yù)放電提供初始的帶電粒子等可以大大降通過預(yù)放電提供初始的帶電粒子等可以大大降低著火電壓。低著火電壓。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)電場分布的影響電場分布的影響 電場分布對電場分布對湯生湯生 系數(shù)和系數(shù)和 系系數(shù)的數(shù)值與分布數(shù)的數(shù)值與分布起決定性作用，起決定性作用，影響氣體中電子影響氣體中電子與離子的運(yùn)動軌與離子的運(yùn)動軌跡以及電子雪崩跡以及電子雪崩過程。過程。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)同軸圓筒電極系統(tǒng)，中心電極不同

38、極性，著火電壓與氣壓的關(guān)系輝光放電的發(fā)光輝光放電的發(fā)光 基本特征：基本特征： (1) 放電時(shí)，在放電空間呈現(xiàn)明暗相間、有一定分布規(guī)放電時(shí)，在放電空間呈現(xiàn)明暗相間、有一定分布規(guī)律的光區(qū)。律的光區(qū)。 (2) 由于著火后，空間電荷引起的電場畸變使放電空間由于著火后，空間電荷引起的電場畸變使放電空間電位基本上分成兩段：陰極位降區(qū)和正柱區(qū)。在陰極位降電位基本上分成兩段：陰極位降區(qū)和正柱區(qū)。在陰極位降區(qū)中產(chǎn)生電子繁流過程，滿足放電自持條件，故它是維持區(qū)中產(chǎn)生電子繁流過程，滿足放電自持條件，故它是維持輝光放電必不可少的部分。輝光放電必不可少的部分。 (3) 管壓降明顯低于著火電壓，并且不隨電流而變。電管壓降

39、明顯低于著火電壓，并且不隨電流而變。電流為毫安級。電流密度為流為毫安級。電流密度為 A/cm2至至mA/cm2數(shù)量級。數(shù)量級。 (4) 陰極電子發(fā)射主要是陰極電子發(fā)射主要是 過程。過程。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強(qiáng)電 位場 強(qiáng)空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V正常輝光放電的光區(qū)分布：正常輝光放電的光區(qū)分布：一個(gè)充氖的冷陰極放電管長一個(gè)充氖的冷陰極放電管長50cm，氣氣壓壓P133Pa，在正常輝光放電時(shí)的光在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布區(qū)和電參量分布(1)阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū) 由于受正離子轟擊從陰極發(fā)由

40、于受正離子轟擊從陰極發(fā)射出來的二次電子初速很小，不射出來的二次電子初速很小，不具備激發(fā)條件。由于沒有受激原具備激發(fā)條件。由于沒有受激原子，因而是暗區(qū)。子，因而是暗區(qū)。(2)陰極光層陰極光層 電子在通過阿斯頓暗區(qū)以后，電子在通過阿斯頓暗區(qū)以后，從電場中獲得了一定的能量，足從電場中獲得了一定的能量，足以產(chǎn)生激發(fā)碰撞，使氣體發(fā)光。以產(chǎn)生激發(fā)碰撞，使氣體發(fā)光。但電子數(shù)量不大，激發(fā)很微弱。但電子數(shù)量不大，激發(fā)很微弱。氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強(qiáng)電 位場 強(qiáng)空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V(3)陰極暗區(qū)陰極暗區(qū) 電

41、子離開陰極后，電子離開陰極后，到這里獲得的能量愈來到這里獲得的能量愈來愈大，甚至超過了激發(fā)愈大，甚至超過了激發(fā)幾率的最大值，于是激幾率的最大值，于是激發(fā)減少，發(fā)光減弱。在發(fā)減少，發(fā)光減弱。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，電子能量這個(gè)區(qū)域內(nèi)，電子能量已超過電離電位，引起已超過電離電位，引起了大量的碰撞電離，繁了大量的碰撞電離，繁流放電集中在這里發(fā)生。流放電集中在這里發(fā)生。在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)(4)負(fù)輝區(qū)負(fù)輝區(qū) 進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子可以進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子可以分為兩類分為兩類: 快電子和慢電子快電子和慢電子。慢速電子是多數(shù)，它們在負(fù)慢速電子是多

42、數(shù)，它們在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生許多激發(fā)碰撞，因輝區(qū)產(chǎn)生許多激發(fā)碰撞，因而產(chǎn)生明亮的輝光。而產(chǎn)生明亮的輝光。 在陰極暗區(qū)，因離子濃在陰極暗區(qū)，因離子濃度很高，它們會向負(fù)輝區(qū)擴(kuò)度很高，它們會向負(fù)輝區(qū)擴(kuò)散，因而負(fù)輝區(qū)中，電子和散，因而負(fù)輝區(qū)中，電子和正離子的濃度都很大，而電正離子的濃度都很大，而電場很弱，幾乎是無場空間。場很弱，幾乎是無場空間。負(fù)輝區(qū)中電子和正離子濃度負(fù)輝區(qū)中電子和正離子濃度比正柱區(qū)中約大比正柱區(qū)中約大20倍。倍。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強(qiáng)電 位場 強(qiáng)空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時(shí)

43、的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)（5）法拉第暗區(qū)）法拉第暗區(qū) 這是一個(gè)處于負(fù)這是一個(gè)處于負(fù)輝區(qū)和正柱區(qū)之間的輝區(qū)和正柱區(qū)之間的過渡區(qū)。由于電子在過渡區(qū)。由于電子在負(fù)輝區(qū)中損失了很多負(fù)輝區(qū)中損失了很多能量，進(jìn)入這個(gè)區(qū)域能量，進(jìn)入這個(gè)區(qū)域以后，便沒有足夠的以后，便沒有足夠的能量來產(chǎn)生激發(fā)，所能量來產(chǎn)生激發(fā)，所以是暗區(qū)。以是暗區(qū)。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強(qiáng)電 位場 強(qiáng)空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)（6）正柱區(qū)）正柱區(qū) 在

44、任何位置電子密度和正離在任何位置電子密度和正離子密度相等，凈空間電荷為零。子密度相等，凈空間電荷為零。電場沿管軸均勻分布。因正離子電場沿管軸均勻分布。因正離子的遷移率很小，放電電流主要是的遷移率很小，放電電流主要是電子流。正柱區(qū)中有一定的軸向電子流。正柱區(qū)中有一定的軸向電場強(qiáng)度，電子從電場中獲得一電場強(qiáng)度，電子從電場中獲得一定的能量，產(chǎn)生一定數(shù)量的碰撞定的能量，產(chǎn)生一定數(shù)量的碰撞電離和激發(fā)。電離和激發(fā)。 （7）陽極區(qū)）陽極區(qū) 在該區(qū)有時(shí)可以看見陽極暗在該區(qū)有時(shí)可以看見陽極暗區(qū)，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽區(qū)，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽極上的陽極輝光。極上的陽極輝光。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強(qiáng)電 位

45、場 強(qiáng)空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時(shí)的光區(qū)和電參量分布?xì)怏w放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)氣體放電物理基礎(chǔ)正常輝光放電規(guī)律：正常輝光放電規(guī)律： (1)在正常輝光放電時(shí)，放電僅僅發(fā)生在陰極表面的一在正常輝光放電時(shí)，放電僅僅發(fā)生在陰極表面的一部分面積上，隨著放電電流的增大，陰極表面的輝光面積也部分面積上，隨著放電電流的增大，陰極表面的輝光面積也隨之增大，而在這個(gè)過程中，陰極電流密度隨之增大，而在這個(gè)過程中，陰極電流密度jcn則保持不變，則保持不變，陰極位降陰極位降Ucn也保持常數(shù)。當(dāng)陰極面積全部被輝光覆蓋后，也保持常數(shù)。