氣體放電的物理過程-均勻電場中氣體擊穿

氣體放電的物理過程和氣體放電理論氣體放電過程：在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動(dòng)過程。問題的提出：1、氣隙中帶電粒子是如何形成的？2、氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？3、氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？一、名詞解釋：1、電子平均自由行程

2、激勵(lì)3、電離（碰撞電離、光電離、熱電離、陰極的表面電離）4、復(fù)合5、電子崩二、自持與非自持放電三、自持放電條件一、名詞解釋：電子平均自由行程

一個(gè)電子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程。與氣體分子的大小和密度有關(guān)。2、激勵(lì)原子在外界因素作用下，其電子從處在距原子核較近的低能態(tài)軌道躍遷到離核較遠(yuǎn)的較高能態(tài)的軌道，這個(gè)過程稱為激勵(lì)。該原子稱為激勵(lì)狀態(tài)的原子。高于正常狀態(tài)的能級(jí)均稱為激勵(lì)能級(jí)。激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)間很短(大致為10-8s)，電子將自動(dòng)返回常態(tài)軌道上，這時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)所吸收的外加能量將以輻射能(光子)的形式放出。如果原子獲得的外加能量足夠大，其電子將擺脫原子核的約束而成為自由電子。3、電離原子在外界因素作用下，其電子受到激勵(lì)擺脫原子核的約束而成為自由電子，這一現(xiàn)象稱為電離原子被分解成兩種帶電粒子—電子和正離子使電子電離出來所需的最小能量稱為電離能。電離形式：1）、碰撞電離碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的，在電場作用下，電子被加速而獲得動(dòng)能。當(dāng)電子的動(dòng)能滿足如下條件時(shí)，將引起碰掩電離：

me——電子的質(zhì)量，

ve——電子的速度；

Wi——?dú)怏w分子的電離能。碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)

2）光電離當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí)，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子：

h—

普朗克常數(shù)h＝6.62x10-27焦耳/秒。

—

頻率（光是頻率不同的電磁輻射，也具有粒子性，稱為光子）

導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。3）熱電離一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離。包括：隨著溫度升高氣體分子動(dòng)能增加引起的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。

4）金屬(陰極)的表面電離：

a、正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)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(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能出現(xiàn)自由電子。

b、光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時(shí)，金屬表面放射出電子。

c、強(qiáng)場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時(shí)，使陰極放射出電子。

d、熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬。4、復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程稱為復(fù)合過程。在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程會(huì)以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光輻射。這種光輻射在一定條件下有可能成為導(dǎo)致電離的因素（如流柱理論中二次電子崩的起因）。5、電子崩

由于光電效應(yīng)從陰極產(chǎn)生的第一個(gè)起始電子，從電場獲得一定動(dòng)能后，會(huì)碰撞電離出一個(gè)第二代電子，這兩個(gè)電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時(shí)空間已存在四個(gè)自由電子，這樣一代一代不斷增加的過程，會(huì)使帶電質(zhì)點(diǎn)迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。二、自持與非自持放電：1、外施電壓小于U0時(shí)，間隙內(nèi)電流數(shù)值很小，間隙還未被擊穿，這時(shí)電流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，電流將消失。這類放電稱為非自持放電。2、當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電流劇增，其中的電離只靠電場的作用自行維持，不再需要外電離因素。這種放電形式稱為自持放電。3、U0稱起始電壓。在均勻電場中為擊穿電壓，在極不均勻電場中為電暈起始電壓三、自持放電條件：電子電離系數(shù)：一個(gè)電子沿著電場方向行經(jīng)1厘米長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（由電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)）。表面電離系數(shù)：每個(gè)正離子碰幢陰極表面平均釋放出的自由電子數(shù)。設(shè)：一個(gè)電子從陰極行走x距離產(chǎn)生的自由電子數(shù)為nn個(gè)電子前進(jìn)dx產(chǎn)生的新電子數(shù)為：所以：一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)為：一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為：自持放電條件：15當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去16四氣體放電的主要形式

根據(jù)氣體壓強(qiáng)、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。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化

輝光放電電弧放電火花放電電暈放電刷狀放電

17輝光放電當(dāng)氣體壓強(qiáng)不大，電源功率很小（放電回路中串入很大阻抗）時(shí)，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內(nèi)陰極和陽極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象特點(diǎn)是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個(gè)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，發(fā)光顏色也不同18電弧放電減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細(xì)，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導(dǎo)越來越大電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征

19火花放電在較高氣壓（例如大氣壓強(qiáng)）下，擊穿后總是形成收細(xì)的發(fā)光放電通道，而不再擴(kuò)散于間隙中的整個(gè)空間。當(dāng)外回路中阻抗很大，限制了放電電流時(shí)，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細(xì)火花

火花放電的特征是具有收細(xì)的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定

20電暈放電電極曲率半徑很小或電極間距離很遠(yuǎn)，即電場極不均勻，則當(dāng)電壓升高到一定值后，首先緊貼電極在電場最強(qiáng)處出現(xiàn)發(fā)光層，回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴(kuò)大，放電電流也逐漸增大發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用

21刷狀放電電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細(xì)放電通道，稱為刷狀放電

電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電或電弧放電，最后整個(gè)間隙被擊穿如電場稍不均勻，則可能不出現(xiàn)刷狀放電，而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿

均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程氣體擊穿的兩個(gè)基本理論：一、湯遜理論（巴申定律）二、流注理論一、巴申定律（湯遜理論）：湯遜理論中氣隙的擊穿過程是：

電子崩——?dú)庀稉舸?/p>

僅適用于短間隙低氣壓的輝光放電湯遜理論的不足：理論與實(shí)際不符處：1、擊穿電壓2、放電形式3、陰極材料4、放電時(shí)間未考慮的因素：1、空間電荷對(duì)電場的畸變2、光子的影響

流注：由正負(fù)離子構(gòu)成的具有良好導(dǎo)電性的冷等離子體放電的主要因素：電子的碰撞電離及空間光電離（光子、短波光射線引起的空間電離），強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場的作用，流注是由二次電子崩匯入主崩形成的。放電過程：主電子崩——二次電子崩——流注——?dú)庀稉舸┒?、流注理論：Eex:外加電場E’:正空間電荷與負(fù)極板產(chǎn)生的電場E’’：正空間電荷與負(fù)空間電荷產(chǎn)生的電場E’’’：負(fù)空間電荷與正