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1、(1),第二章 气体放电的物理过程,(2),研究气体放电的主要目的：,1、在高电压强电场作用下，由电介质向导体演变的过程。,2、了解电介质的电气强度及提高方法。,学习重点： 气体放电理论、巴申定律、伏秒特性、电晕、污闪,(3),一、带电粒子在气体中的运动 （一）、平均自由行程,第一节 带电质点的产生和消失,自由行程长度,单位行程中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平均自由行程。,(4),1-3,式中 p-气压，Pa； T-气温，K； k-波尔茨曼常数，,可见：平均自由行程正比于温度，反比于气压。,在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程的数量级为10-5 cm。,(5),（二）带电粒子的迁移率
2、 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度v与场强E的比例系数k=v/E，称为迁移率。 它表示该带电粒子单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。,带电粒子的迁移率,(6),( 三 ) 扩散 在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。 气压越低，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程大，所以其扩散速度也要比离子快得多。,二、带电粒子的产生,产生带电粒子
3、的过程称为电离，它是气体放电的首要前提。,扩散、带电粒子的产生,激励,电离,(7),当电子获得外加能量时，由低能轨道转移到离核较远的高能轨道上去，这种现象叫激励。电子发生激励所需要的能量叫激励能。 当电子获得较多的外加能量，摆脱原子核的束缚，成为自由电子，这个过程叫电离。电子发生电离所需要的能量叫电离能。,表1-1列出了某些常见气体的激励能和电离能之值，通常以电子伏 (eV) 表示。由于电子电荷qe 恒等于 ，所以有时也可采用激励电位 Ue (V) 和电离电位 Ui (V) 来代替激励能和电离能，以便在计算中排除 qe 值。,率,电离能,(8),表 1-1 某些气体的激励能和电离能,引起电离所
4、需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如光能、热能、机械能（动）能，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。,子的迁移率,某些气体的激励能和电离能,(9),（一）光电离 频率为的光子能量为 W=h (1-4) 式中 h普郎克常数= 发生空间光电离的条件为 或者 (15) 式中 光的波长，m; c光速 ； Wi 气体的电离能，eV。,（一）光电离,(10),各种可见光都不可能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特别小的金属蒸汽发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线 （ 例如X 射线、 射线等）才能使气体发生光电离。,应该指出：在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界
5、的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如后面将要介绍的带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。,（二）热电离 在常温下，气体分子发生热电离的概率级小。 气体中已发生电离的分子数与总分子的比值m 称为该气体的电离度 。,（二）热电离,(11),（三）碰撞电离 在电场中获得加速的电子在和气体分子碰撞时，可以把自己的动能转传给后者而引起碰撞电离。,下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子都已处于热电离状态。,（三）碰撞电离,(12),电子在电场强度为 E
6、 的电场中移过x 的距离时所获得的动能为,式中 m电子的质量； qe电子的电荷量。,（三）碰撞电离,碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。应该强调的是，主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。,(13),（四）电极表面电离 电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。各种金属的逸出功是不同的，如表1-2所示。,（四）电极表面电离,比较表1-2 与表1-1，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。,(1
7、4),(1) 正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。,(2) 光电子发射： 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。,(3) 热电子发射： 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。,阴极表面电离,随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下列情况下发生：,(4) 强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影
8、响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。,(15),三、负离子的形成,当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。,四、带电粒子的消失,气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况：,(1) 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；,电离能,三、负离子的形成 四、带电粒子的消失和,(2) 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。,(3) 带电粒子的复合。 气体中带异号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电
9、离相反的一种过程。,(16),原始电子在电场的加速下因为碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。（ 过程）,激励能,第二节电子崩,一、电子崩,2.2 气体放电机理,(17),电子碰撞电离系数 ，表示一个电子沿电场方向运 动1cm 的行程所完成的碰撞电离次数平均值。,根据碰撞电离系数的定义，可得,分离变量并积分 ，可得,均匀电场，不随x 变化,电子碰撞电离系数,(18),抵达阳极的电子数,（1-7）,图中新增加的电子数或离子数,(1-8),将式1-7的等号两侧乘以电子电荷qe 即成为电流关系式,(1-9),式（1-9）
10、表示虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d 而增大，但这时的放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令I0=0 ),I 即变为零。,放,放电不能自持,(19),二、汤逊气体放电理论,自持放电：放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子就能维持下去，这就是自持放电。,正离子表面电离系数： 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数。,第三节 自持放电条件, 值与阴极材料、气体种类有关。阴极的表面状况（光洁度、污染程度等）对 也有一定影响。,汤逊放电理论要点： （1）电子碰撞电离和正离子撞击阴极表面所造成的阴极表面电离是气体间隙中带电质点激增并导致击穿的主要因素。 （2）认为气体的击穿电压Ub
11、大体上是气压和间隙距离的乘积（pd）的函数。 （3）只适用于低气压、小间隙的情况。一般在pd26.66 kPa.cm时使用。,(20),第三节 自持放电条件,图 1-6 低气压、短气隙情况下气体的放电过程,(21),物理,物理意义,可见自持放电条件应为,（1-14）,式（1-14）包含的物理意义为：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为 ead-1 ,这批在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1) ，如果它等于1，就意味着那个初试电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,(22),三、 巴申定律,利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数 与气压 p 、电场强度E 的关系式
12、，并考虑均匀电场中自持放电起始场强 ，可得到下面的关系式,（1-16）,由于均匀电场气隙的击穿电压 Ub 等于它的自持放电起始电压 U0 , 所以上式表明： U0 或 Ub 是气压和极间距离的乘积（ pd ) 的函数，即,Ub = f ( pd ) (1-17),第三节 自持放电条件,第四节 起始电压与气压的关系,(23),击穿电压Ub具有极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压,上式即为巴申定律，Ub = f ( pd ) 曲线称为巴申曲线。它表明：如果改变极间距离d 的同时，也相应的改变气压 p ，而是pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。,上述巴申定律是
13、在温度T不变的条件下得出 的。在气温 T 并非恒定的情况下，式（1-17）应改写成,Ub = F ( d ),式中 气体的相对密度。,第三电条件,巴申定律,(24),第三节 自持放电条件,巴申曲线,(25),S2,S1,气压调节装置,U,如图,一密闭容器，气压可调节，已知S1S2，问两间隙击穿电压哪个大？,(26),第五节 气体放电的流注理论,高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况。汤逊理论并不适用，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。,因此在实验的基础上，人们得出了流注理论，流注理论的要点如下： （1）认为电子碰撞电离和空间光电是使气隙中带电粒子激增并导
14、致气隙击穿的主要因素。 （2）流注理论强调了空间电荷对外电场的畸变作用。 流注理论影响因素主要有以下几方面：,(一) 空间电荷对原有电场的影响,第三节,第五节 气体放电的流注理论（一）空间电荷对原有电场的影响,(27),上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。,(二)空间光电离的作用,流注：这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。,流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积
15、聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这是放电即转入新的流注阶段。,第三节 （自持放电条件,（二）空间光电离的作用 流注理论,(28),流注的特点：电离强度很大，传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。,出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用可见出现流注的条件也就是自持放电条件。,初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值，对于均匀电场自持放电条件应为,e ad = 常数,或 ad = 常数 （1-20）,第三节 自持放电条件,流注的特点,(29),可见初崩头部的电子数要达到 108 时，放电才能转为自持（出现流注）。,如果电极见所加电压正好等于自持放电起始电压 U0 ，那就意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子数而引起流注。如果所加电压超过自持放电电压 U0 ，流注将提前出现和以更快的速度发展。,流注理论能够说明汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象。,注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。,第三节 持放电条件,自持放电条件,(30),2.3
