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1、气体放电技术辅导资料一主题：气体放电理论概述学习时间：2011年4月15日4月17日内容：我们这周主要学习气体放电理论的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对气体放电技术知识的理解。一、学习要求1掌握气体放电理论；2掌握气体放电的概念；二、主要内容（一）气体放电概念干燥气体是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为带电，这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电
2、子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决第1页共65页定放电的具体形式和性状（二）气体放电理论气体中流通电流的各种形式的统称。包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比uKE，系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一
3、个常数,而与电场强度E有关。体放电。荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有eVeEmE1，电位Ve称为激发电位。实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的第2页共65页状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量为h
4、v（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态,这时便称为处于亚稳状态,处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子,升到更高的能级,然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能,它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-410-2秒；由于它寿命较长,在放电中常常起重要的作用。当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）
5、激发。电离电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则第3页共65页称为累积（逐次）电离。在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。如果将一切
6、电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。消电离的方式有两种:电子先与中性原子结合成为负离子,然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比uKE。系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数,而与电场强度E有关。三、重要考点（一）单选题下列选项中关于电场中的导体和电
7、介质的描述不正确的是()。A.处于电场中的孤立导体，一端出现负电荷，另一端出现正电荷B.处于电场中的孤立导体，内部电场强度为零，达到静电平衡电介质处于电场中时，电介质表面出现正负电荷第4页共65页电介质处于电场中时，介质表面不会出现电荷正确答案：D(二)判断题电极间原电场E0与介质内部的电场Ed相反，与束缚电荷在气隙中形成的电场Eg相同，放电停止。1. A.错误B.正确正确答案：A（三）多选题电离气体可以分为哪几类()。零电离气体弱电离气体部分电离气体完全电离气体正确答案：ABCD2.按照外界电离源有无，气体放电可以分为()。A.自持放电B.稳定放电C.非自持放电正确答案：AC气体放电技术辅导
8、资料二第5页共65页主题：气体放电理论概述学习时间：2011年4月18日4月24日内容：我们这周继续学习气体放电理论概述的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对气体放电技术知识的理解。一、学习要求1掌握带电粒子在气体中的作用；2掌握等离子体的概念；了解等离子的应用；二、主要内容（一）带电粒子在气体中的作用当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况时，这
9、时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散,其基本特征是:电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。第6页共65页在管壁附近,双极性扩散受到管壁的影响。此时,电子运动速度快先附于管壁，使管壁带负电位负电位阻止后来电子的抵达，但吸引正离子，在其附近形成正电荷鞘层。在鞘层中，电子的浓度随着接近管壁而递减，最终自动调整到每秒飞上管壁的电子数恰好等于飞上的正离子数。气体放电的重要形式最早研究的气体放电形式是低气压（1100帕）
10、直流放电，即在气体中置入两个电极,通以直流电压而得到的放电。为使电流不致过大,回路中串联一个电阻（即限流电阻）。若将电源电压逐渐提高,通过气体的电流就随之增大，当极间电压提高到us时，电流突然急剧增加，放电变为明亮的形式，这称为着火，也称为击穿。着火之后，放电转入自持放电，在开始一段为呈现恒电压特性。(二)等离子体的概念等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信
11、息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目第7页共65页的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎999以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际
12、空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用
13、力才有明显效果，理论上用分子运动论描述在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中产生电场电荷定向运动引起电流，产生磁场电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代等离子体主要用于以下3方面。等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的第8页
14、共65页锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。等离
15、子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢铝及其合金，切割厚度大。三、重要考点（一）判断题等离子体是物质的第四态正确第9页共65页错误正确答案：A(二)单选题输运现象是指当系统的热力学平衡被破坏之后，发生一些物理量的移动现象，直至新平衡形成。那么，气体放电过程中的主要运动形式是()。1. 漂移扩散热扩散正确答案：A（三）多选题等离子体判据包括()。德拜长度远小于等离子体系统的特征尺寸德拜球内部的粒子远大于1等离子体频率必须大于电子和中性粒子的碰撞频率等离子体频率必须小于等于电子和中性粒子的碰撞频率正确答案：ABC2.等离子体按照电离度划分可以分为哪几类()。中性气体完全等离子体不完全等离子体正确答案：ABC第10页共65页气体放电技术辅导资料三主题：气体放电理论概述学习时间：2011年4月25日5月1日内容：我们这周继续学习气体放电理论概述的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们进一步加深对气体放电技术知识的理解。一、学习要求1掌握汤森放电理论；2了解帕邢定律；二、主要内容（一）汤森放电理论解释气
