氣體放電理論一演示文稿

氣體放電理論一演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共61頁(yè)。優(yōu)選氣體放電理論一當(dāng)前2頁(yè)，總共61頁(yè)。氣體放電 研究在電場(chǎng)作用下，氣體間隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動(dòng)過程氣隙中帶電粒子是如何形成的氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的當(dāng)前3頁(yè)，總共61頁(yè)。主要內(nèi)容氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體放電機(jī)理電暈放電不均勻電場(chǎng)中氣體擊穿的發(fā)展過程雷電放電當(dāng)前4頁(yè)，總共61頁(yè)。名詞解釋激勵(lì)電離電子平均自由行程復(fù)合電子崩當(dāng)前5頁(yè)，總共61頁(yè)。原子激勵(lì)原子能級(jí)以電子伏為單位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵(lì)

原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵(lì)能We

，原子處于激勵(lì)態(tài)激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率，h普朗克常數(shù)當(dāng)前6頁(yè)，總共61頁(yè)。原子激勵(lì)原子處于激勵(lì)態(tài)的平均壽命只有10-7~10-8秒激勵(lì)電位：Ue

=We/e幾種氣體和金屬蒸汽的第一激勵(lì)電位N：6.3V，N2

：6.1V O：9.1V,，O2：沒有

Cs：1.38V（最?。┰泳哂衼喎€(wěn)激勵(lì)態(tài)，其壽命長(zhǎng)10-4~10-2秒當(dāng)前7頁(yè)，總共61頁(yè)。

原子電離在外界因素作用下，其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子電離過程所需要的能量稱為電離能Wi(ev)，也可用電離電位Ui（v）分級(jí)電離

通過亞穩(wěn)激勵(lì)態(tài)原子電離當(dāng)前8頁(yè)，總共61頁(yè)。

幾種氣體的第一電離電位N：14.5V，N2

：15.5VO：13.6V,O2：12.2VCs：3.88V

原子電離當(dāng)前9頁(yè)，總共61頁(yè)。質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程

自由行程

一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的行程平均自由行程（）

自由行程具有統(tǒng)計(jì)性，

定義為質(zhì)點(diǎn)自由行程的平均值當(dāng)前10頁(yè)，總共61頁(yè)。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(shí)的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的自由行程大得多氣體分子密度越大，其中質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程越小。對(duì)于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比，空氣中電子e=10-5cm質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程當(dāng)前11頁(yè)，總共61頁(yè)。自由行程的分布：具有統(tǒng)計(jì)性的規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)的自由行程大于x的概率為如果起始有n0個(gè)質(zhì)點(diǎn)（或一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的質(zhì)點(diǎn)數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程當(dāng)前12頁(yè)，總共61頁(yè)。質(zhì)點(diǎn)的平均自由行程電子在其自由行程內(nèi)從外電場(chǎng)獲得動(dòng)能，能量除決定于電場(chǎng)強(qiáng)度外，還和其自由行程有關(guān)當(dāng)前13頁(yè)，總共61頁(yè)。第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生（一）氣體分子本身的電離，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

（2）各種光輻射（光電離）

（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（4）負(fù)離子的形成（二）氣體中的固體或液體金屬的表面電離當(dāng)前14頁(yè)，總共61頁(yè)。1、碰撞電離（撞擊電離）必要條件撞擊質(zhì)點(diǎn)所具有的總能量（包括動(dòng)能和勢(shì)能）大于被撞擊質(zhì)點(diǎn)在該種狀態(tài)下所需的電離能需要一定的相互用用的時(shí)間和條件 me：電子的質(zhì)量

ve：電子的速度 Wi：氣體分子的電離能僅考慮動(dòng)能，在電場(chǎng)作用下，撞擊質(zhì)點(diǎn)被加速而獲得動(dòng)能。將可能引起碰撞電離的條件當(dāng)前15頁(yè)，總共61頁(yè)。1、碰撞電離（撞擊電離）碰撞電離的形成與電場(chǎng)強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的當(dāng)前16頁(yè)，總共61頁(yè)。2、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、氣體放電過程光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子（光電子）和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長(zhǎng)（即最大波長(zhǎng)）：當(dāng)前17頁(yè)，總共61頁(yè)。2、光電離銫蒸汽的電離電位最小（3.88V），產(chǎn)生直接光電離的波長(zhǎng)應(yīng)小于318nm（紫外）對(duì)所有氣體來說，在可見光（400750nm）的作用下，一般是不能發(fā)生直接光電離的分級(jí)電離光電離在氣體放電中起重要作用反激勵(lì)、復(fù)合釋放具有一定能量的光子(具有較大的初始速度)當(dāng)前18頁(yè)，總共61頁(yè)。3、熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離

分子的熱運(yùn)動(dòng)所固有的動(dòng)能不足以產(chǎn)生碰撞電離，20oC時(shí)，氣體分子平均動(dòng)能約0.038eV。熱電離起始溫度為103K在一定熱狀態(tài)下物質(zhì)會(huì)發(fā)出輻射，熱輻射光子能量大，會(huì)引起光電離K

：波爾茨曼常數(shù)

K=1.38×10-23J/K

T：絕對(duì)溫度，K當(dāng)前19頁(yè)，總共61頁(yè)。3、熱電離熱電離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合例如：發(fā)生電弧放電時(shí)，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動(dòng)能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離當(dāng)前20頁(yè)，總共61頁(yè)。4、負(fù)離子的形成有時(shí)電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負(fù)離子形成負(fù)離子時(shí)可釋放出能量有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯等），SF6在工業(yè)上有典型應(yīng)用負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用

當(dāng)前21頁(yè)，總共61頁(yè)。5、金屬（陰極）的表面電離金屬陰極表面發(fā)射電子

逸出功：與金屬的微觀結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)有關(guān)金屬的逸出功一般比氣體的電離能小得多，在氣體放電中起重要作用金屬表面電離所需能量獲得的方式正離子碰撞陰極（二次發(fā)射）當(dāng)前22頁(yè)，總共61頁(yè)。正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)把能量（主要是勢(shì)能）傳遞給金屬中的電子，使其逸出金屬正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能產(chǎn)生自由電子正離子與電子復(fù)合時(shí)發(fā)出的勢(shì)能起作用逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子

當(dāng)前23頁(yè)，總共61頁(yè)。5、金屬（陰極）的表面電離光電效應(yīng)金屬表面受到短波光的照射。同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多強(qiáng)場(chǎng)放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，可使陰極發(fā)射出電子。場(chǎng)強(qiáng)在106V/cm左右，一般氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于此值

此情況會(huì)出現(xiàn)在高氣壓間隙和高真空間隙放電中當(dāng)前24頁(yè)，總共61頁(yè)。5、金屬（陰極）的表面電離熱電子放射當(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，逸出金屬表面對(duì)于某些電弧放電的過程有重要的意義當(dāng)前25頁(yè)，總共61頁(yè)。氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失

（一）電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)流入電極（二）帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散（三）帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失當(dāng)前26頁(yè)，總共61頁(yè)。1、電場(chǎng)作用下氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)帶電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生以后，在外電場(chǎng)作用下將作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流：

vd：平均速度帶電質(zhì)點(diǎn)在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下運(yùn)動(dòng)達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)引速度

b：遷移率

電子遷移率比離子遷移率大兩個(gè)數(shù)量級(jí)當(dāng)前27頁(yè)，總共61頁(yè)。2、帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)造成，帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度很高，它在熱運(yùn)動(dòng)中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過程比離子的要強(qiáng)得多當(dāng)前28頁(yè)，總共61頁(yè)。3、帶電質(zhì)點(diǎn)的復(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、還原為分子的過程在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致電離的因素

參與復(fù)合的質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度愈大，復(fù)合概率愈小。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要帶電質(zhì)點(diǎn)濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)

當(dāng)前29頁(yè)，總共61頁(yè)。第二節(jié)氣體放電機(jī)理氣體放電的主要形式非自持放電和自持放電湯森德氣體放電理論流注放電理論

當(dāng)前30頁(yè)，總共61頁(yè)。第二節(jié)氣體放電機(jī)理外電離因數(shù)：宇宙線、地面上的放射性輻射、太陽(yáng)光中的紫外線等1cm3氣體介質(zhì)中每秒產(chǎn)生一對(duì)離子，達(dá)到平衡狀態(tài)，離子濃度約為500~1000對(duì)/cm31、氣體放電的主要形式當(dāng)前31頁(yè)，總共61頁(yè)。非自持放電外施電壓小于U0時(shí)，間隙電流遠(yuǎn)小于微安級(jí)，此階段氣體絕緣性能完好電流要依靠外電離因素來維持。如果取消外電離因素，那么電流也將消失U0以前的放電形式稱為非自持放電當(dāng)前32頁(yè)，總共61頁(yè)。自持放電當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電產(chǎn)生電子崩，電流劇增氣體中電離過程只靠電場(chǎng)作用可自行維持，不再需要外電離因素了U0以后的放電形式稱為自持放電當(dāng)前33頁(yè)，總共61頁(yè)。由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電場(chǎng)強(qiáng)稱為臨界場(chǎng)強(qiáng)(Ecr)，相應(yīng)的電壓稱為臨界電壓(Ucr)如電場(chǎng)比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而間隙的擊穿電壓Ub也就是形成自持放電的臨界電壓Ucr如電場(chǎng)極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時(shí)，在大曲率電極表面電場(chǎng)集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時(shí)臨界電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多非自持放電和自持放電當(dāng)前34頁(yè)，總共61頁(yè)。1、氣體放電的主要形式根據(jù)氣體壓力、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當(dāng)前35頁(yè)，總共61頁(yè)。輝光放電當(dāng)氣體壓力不大，電源功率很?。ǚ烹娀芈分写牒艽笞杩梗r(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(yáng)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1、氣體放電的主要形式當(dāng)前36頁(yè)，總共61頁(yè)?；鸹ǚ烹娫谳^高氣壓（例如大氣壓力）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)定火花間斷的原因1、氣體放電的主要形式當(dāng)前37頁(yè)，總共61頁(yè)。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1、氣體放電的主要形式當(dāng)前38頁(yè)，總共61頁(yè)。電暈放電電極曲率半徑很小或電極間距離很遠(yuǎn)（電場(chǎng)極不均勻），當(dāng)電壓升高到一定值后，首先在緊貼電極電場(chǎng)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1、氣體放電的主要形式當(dāng)前39頁(yè)，總共61頁(yè)。刷狀放電電極間距較大、電場(chǎng)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)線狀光束，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)間隙被擊穿電場(chǎng)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1、氣體放電的主要形式當(dāng)前40頁(yè)，總共61頁(yè)。

2、湯森德氣體放電理論湯森德（Townsend）放電理論流注（Streamer）放電理論這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說明廣闊的S（為氣體的相對(duì)密度，以標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的大氣密度為基準(zhǔn)；S為氣隙距離）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象當(dāng)前41頁(yè)，總共61頁(yè)。2、湯森德氣體放電理論

過程（電子崩的形成）過程自持放電條件

過程和過程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流擊穿電壓、帕邢定律湯森德放電理論的適用范圍當(dāng)前42頁(yè)，總共61頁(yè)。2、湯森德氣體放電理論20世紀(jì)初，湯森德根據(jù)大量的試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了較均勻電場(chǎng)和S較小時(shí)氣體放電理論理論認(rèn)為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計(jì)算公式當(dāng)前43頁(yè)，總共61頁(yè)。

過程（電子崩的形成）一個(gè)起始電子自電場(chǎng)獲得動(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)使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了電子崩當(dāng)前44頁(yè)，總共61頁(yè)。電子崩當(dāng)前45頁(yè)，總共61頁(yè)。電離系數(shù)定義：一個(gè)電子沿著電場(chǎng)方向行經(jīng)1cm長(zhǎng)度，與氣體分子發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù) 即是一個(gè)電子在單位長(zhǎng)度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)

過程當(dāng)前46頁(yè)，總共61頁(yè)。

過程設(shè)：在外電離因素光輻射的作用下，單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生n0個(gè)電子

在距離陰極為x的橫截面上，單位時(shí)間內(nèi)單位面積有n個(gè)電子飛過這n個(gè)電子行過dx之后，又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新的電子將此式積分，可得電子的增長(zhǎng)規(guī)律為當(dāng)前47頁(yè)，總共61頁(yè)。對(duì)于均勻電場(chǎng)，

不隨空間位置而變相應(yīng)的電子電流增長(zhǎng)規(guī)律為令x=S，得進(jìn)入陽(yáng)極的電子電流，即外回路中的電流

過程當(dāng)前48頁(yè)，總共61頁(yè)。過程正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著作用，一般不考慮β過程正離子向陰極移動(dòng)，依靠它所具有的動(dòng)能及位能，在撞擊陰極時(shí)能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子

電離系數(shù)定義一個(gè)正離子碰撞到陰極表面時(shí)使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)當(dāng)前49頁(yè)，總共61頁(yè)。過程從陰極飛出n0個(gè)電子，到達(dá)陽(yáng)極后電子數(shù)將增加為正離子數(shù)為正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)為當(dāng)前50頁(yè)，總共61頁(yè)。放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為在均勻電場(chǎng)中，這也就是間隙擊穿的條件，上式具有清楚的物理意義自持放電條件設(shè)n0＝1，當(dāng)前51頁(yè)，總共61頁(yè)。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當(dāng)前52頁(yè)，總共61頁(yè)。

過程和過程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流設(shè)：n0表示在外電離因素作用下單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生的電子數(shù)

n表示單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積由于過程產(chǎn)生的電子數(shù)則單位時(shí)間內(nèi)陰極單位面積上產(chǎn)生的電子總數(shù)

從陰極出來的電子到達(dá)陽(yáng)極后，電子數(shù)na成為 當(dāng)前53頁(yè)，總共61頁(yè)。產(chǎn)生的正離子數(shù)為陰極金屬平均釋放出的電子數(shù)

過程和過程同時(shí)作用產(chǎn)生的電流得回路電流放電自持的條件為當(dāng)前54頁(yè)，總共61頁(yè)。擊穿電壓、帕邢定律擊穿電壓：根據(jù)自持放電條件推導(dǎo)擊穿電壓

設(shè)電子在均勻電場(chǎng)中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，電子從電場(chǎng)獲得的能量為eEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必須滿足條件 只