气体放电基础综述

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1、彩色等离子体显示,气体放电中的基本粒子： 基态原子（或分子） 电子 e1/2mve2，典型密度为10161020/m3. 激发态原子(或分子) 正离子和负离子 光子 h,气体放电物理基础,基本粒子间的相互作用 弹性碰撞 参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变化，而位能不发生变化。,平均能量损失率,气体放电物理基础,举例：me=9.110-31kg, mHe=6.6810-27kg. e-He原子碰撞：2.7210-4, He+-He原子碰撞：0.5, 非弹性碰撞 使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。 如 He+e(快速） He*+e（慢速） 第二类非弹性

2、碰撞：导致粒子体系位能减小。 如 He* +e(慢速） He+e（快速）,气体放电物理基础,内能的最大值,气体放电物理基础,第一类非弹性碰撞:,如 m1m2，Wmax0.5E1； m1m2，WmaxE1。,气体放电物理基础,气体原子的激发和电离,激发态 原子能级,谐振能级 （受激原子自发地直接过渡到 基态，并产生光子辐射。）,较高激发态能级 （向较低基发态能级跃迁，并产生光子辐射。）,亚稳能级 （不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）,气体放电物理基础, 电子与气体原子碰撞致激发和电离,原子由基态E0激发态Em,基态原子被电离,电子必须具有的动能,电子使基态原子(或分子)电离和激发,气体放电物理基

3、础,电子使激发态原子电离和激发,举例： 汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态电压只有910V。这是因为,能级为4.66ev,能级为5.43ev,气体放电物理基础,碰撞截面,原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。 原子与电子碰撞的有效截面,电子能量的函数,有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。,气体放电物理基础,电子和气体原子的碰撞几率,总有效截面,电子的平均自由程,气体放电物理基础,氦原子的激发截面与电子能量的关系, 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离,气体放电物理基础, 光致激发和光致电离,光致激发和光致电离

4、 的光子波长,气体放电物理基础,气体放电物理基础, 热激发和热电离,(1)气体原子相互碰撞产生电离 (2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离 (3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离,气体放电物理基础, X射线及核辐射引起的电离和剩余电离,(1)气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离。这个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。 (2)高能X射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离。 (3)原子不是完全吸收x射线量子，而是产生康普顿效应。,X射线：,气体放电物理基础,核辐射引起的电离：

5、 （1）射线、质子和氘核 它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生的第一类非弹性碰撞。 （2）射线 它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一类非弹性碰撞。 （3）射线 射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电离，主要产生康普顿效应。,气体放电物理基础,（1）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中放射性物质的辐射。 （2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。宇宙线是来自星际空间的高能粒子。,剩余电离,从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高度增加而下降， 在到达1.5km以后，剩余电离重新增加。,气体原子的激发转移和消电离 气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和电离的逆过程

6、，这些基本过程属于重粒子间的第二类非弹性碰撞。,1气体原子的激发转移 自发辐射跃迁 与电子的非弹性碰撞 与基态原子的非弹性碰撞,潘宁效应 辐射的淬灭 敏化荧光,气体放电物理基础,2带电粒子的复合, 电子和正离子间的复合,气体放电物理基础,假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前，电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速度为u。中性原子的质量则为mM。eUi为其电离能。 根据动量守恒有,根据动量守恒有,气体放电物理基础,从以上两式得出,说明 电子与正离子的二体复合不可能发生。,三体碰撞复合,辐射复合,气体放电物理基础, 正负离子间的复合,（a）辐射复合 X - +Y+ XY +h （b）电

7、荷交换 X - +Y+ XY （c）三体复合 X - +Y+Z XY +Z,由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以离子复合几率比电子复合几率大得多。 在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负离子再与正离子发生复合。,3. 带电粒子的电荷转移,4负离子的形成,中性原子捕获电子形成负离子,三体碰撞,分解吸附,分子气体与电子碰撞产生离子对,重粒子间的电荷转移产生离子对,气体放电物理基础,带电粒子在气体中的运动, 带电粒子的热运动 带电粒子的扩散运动 带电粒子的漂移运动,气体放电物理基础,气体放电物理基础,带电粒子的热运动,（1）带电粒子的速度分布与

8、平均动能,麦克斯韦分布：,气体放电物理基础,三种统计速度：,最可几速度,平均速度,方均根速度,带电粒子的平均动能：,气体放电物理基础,带电粒子的平均自由程及其分布律,分子平均自由程,离子平均自由程,电子平均自由程,电子自由程分布律,气体放电物理基础,杂乱电流密度,在无外场作用时，带电离子在气体中的无规则热运动，在宏观上对外并不表现出电流。但在电离气体中，某一指定方向的单位面积上，在单位时间内有一定量的带电粒子通过。 电离气体中的杂乱电子、离子流密度为,气体放电物理基础,带电粒子在气体中的迁移运动,离子迁移速度,电子迁移速度,通过气体的电流,气体放电物理基础,西安交通大学电子物理与器件教育部重点

9、实验室,离子迁移率（Longevin公式）,温度为0C，气体压强为133Pa,气体放电物理基础,电子迁移率,电子在每次碰撞中传给气体粒子的平均能量百分数,气体放电物理基础,带电粒子在气体中的扩散运动,电子扩散系数,离子扩散系数,由于ei， ei ，所以DeDi。,爱因斯坦关系式,带电粒子的双极性扩散运动,带电粒子的浓度分布随时间的变化,气体放电物理基础,气体放电物理基础,气体发生稳定放电的区域：正常辉光放电区(EF) 反常辉光放电区(FG) 弧光放电区(GH),气体放电的伏安特性,为了描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种电离过程，并引出三个对应的电离系数： （1） 汤生第一电离系数系数。它

10、是指每个电子在沿电场反方向运行单位距离的过程中，与气体原子发生碰撞电离的次数。,气体的击穿和巴邢定律,电子繁流示意图,气体放电物理基础,（2）汤生第二电离系数系数。它是指一个正离子沿电场方向运行单位路程所产生的碰撞电离次数。 （3） 汤生第三电离系数系数。它是指每个正离子打上阴极表面时，产生的二次电子发射数。,气体放电物理基础,当一个电子由阴极方向进入dx层，则在dx层中将产生dx个电子。如果在x处，单位时间通过单位面积的电子数为n，则经过dx层后，新产生的电子数为ndx，,如已知边界条件为x0，nn。，则在均匀电场中(常数)，对式上积分，得,（1）,（2）,气体放电物理基础,如极间距离为d，

11、则到达阳极的电子数,相应的电子流密度为,从阳极发射的n0个电子，在到达阳极过程中，因作用在空间新产生的电子数为na- n0 。这些也是新产生的正离子数。如果忽略正离子在空间的碰撞电离作用(0)，就有 个正离子轰击阴极，它们将在阴极上新产生 个电子。,（3）,（4）,气体放电物理基础,假定n0是外界电离源，它的大小不随时间变化。把它看成第一周期从阴极发射的电子。到了第二周期阴极单位时间、单位面积发射的它于数等于 。 令 依次类推，可以写出第三、第四、周期、阴极单位时间、单位面积发射的电子数以及到达阳极的电子数。经过无限周期以后，到达阳极的电子数为 其极限值为,（5）,（6）,气体放电物理基础,电

12、子繁流过程中，阴极发出的电子数和到达阳极的电子数,气体放电物理基础,相应的电子流密度为,相应的极间电压为自持放电的击穿电压或着火电压。,当分母为零，分子也趋于零时，ja仍可以为有限值。这表明，当外界电离源去除，即使初始电流j00，放电仍然继续进行，这就形成了自持放电。因此放电着火(或称击穿)的条件为,（7）,（8）,气体放电物理基础,定量分析与场强 和气压P关系时的近似假设： (1)电场较强，电子在气体中以定向运动为主，忽略乱向热运动； (2)电子和气体原子每次磁撞后，沿电场方向的初速度为零； (3)电子在一个自由程中从电场获得能量Eee，只要ee eUi，则电离几率为1；如果eeeUi，电离

13、几率为零。,根据假设(1)和的定义， 系数应等于电子在1cm路程中与气体原子的平均碰撞次数和电离几率的乘积，即,（9）,气体放电物理基础,确 根据假设(2)和(3)，当电子在一个自由程中获得的能量ee等于或大于原子电离能eUi时，就一定产生电离碰撞。即当电子在两次碰撞间的自由程满足,可产生电离碰撞。因此自由程大于Ui/的几率，就是电离几率。根据自由程分布规律，立即可得,（10）,（11）,气体放电物理基础,将式(11)代入式(9)，得,令 ，P为气体压强。又令B=AUi。代入式（12）得,（12）,或,（13）,气体放电物理基础,几种气体的巴邢曲线,帕邢(Paschen)定律 在气体种类、电极

14、材料等条件不变时，着火电压Ub不仅单独和压强P或极间距离d有关，而且和Pd的乘积有关 Ub=f（Pd）,（14）,Ub与Pd的函数关系的推导：,根据着火条件 ，系数必须满足,（15）,气体放电物理基础,据式(13),（16）,从式(15)和(16)相等，可得,上式两边取对数,整理后得,（17）,气体放电物理基础,因而,令,（18）,从 ，可得最低着火点：,（19）,（20）,气体放电物理基础,帕邢定律的物理意义： 电子从阴极到阳极全部路程d内，所产生的总碰撞次数为,而电子在一个平均自由程中从电场获得的能量为,因电子碰撞电离几率E1/Pd，因此无论改变压强P或极间距离d，只要Pd乘积不变，则Nd

15、和电离几率都不变，也就是电子从阴极到阳极所产生的总电离碰撞次数不变，着火电压也不变。,气体放电物理基础,存在Ub的物理解释： 当p不变，而d由小增大时，E变小，变小，但d的乘积可能增大也可能减小，因此存在最佳放电状态。 当d不变，而p增大时，电子在一个自由程中获得的能量减小，电离几率下降，这对放电不利；但另一方面电子在极间碰撞总数增大，这对放电发展有利，因此也存在最佳放电状态。 当pd乘积从小到大发生变化时，一方面因碰撞次数增多，有利于放电发展；另一方面，因电子在一个自由程中获得能量减小，不利于放电的发展。综合两方面的影响因素，存在最小着火电压。,气体放电物理基础,汤生放电理论的缺陷：,自持放电的条件：,则由,气体放电物理基础,若j00， ja .,无法说明着火以后，自持放电的发展情况。,原因： 没有考虑繁流过程中，逐渐增长的空间电荷对电场畸变造成的影响。,罗果夫斯基的空间电荷理论,气体放电物理基础,已知空间电荷分布，由泊松方程可得电场和电位分布为,空间电荷影响下的电位分布,空间电荷影响下的电场分布,气体放电物理基础,放电发展过程中，极间电位分布的变化,影响气体放电