《气体放电的机理》PPT课件.pptx

气体放电的机理 制作人： 朱胜 均匀电场中气体击穿的发展过程 一. 自持放电、非自持放电 1. 非自持放电：如去掉外电离因素 的作用后放电随即停止的放电。 UU0时，气体发生了强烈的电 离，电流剧增，气体的电离仅靠电 场的作用可自行维持，而不再继续 需要外部的电离因素了。 1） 在OA阶段：间隙中的电流随着电压的升高而逐渐增加。 其原因在于电压上升，电场增加，带电质点的运动速度较快， 复合的几率减小，故更多的带电质点落入到极板间，所以电流 上升。 2） AB阶段：电流基本保持不变。其原因在于，这是间隙中 几乎所有的带电质点都落入到了极板中，而外界电离因素单位 时间内产生的自由电子数是一定的，所以电流并不随电压的增 加而增加。 3） BC阶段：电流随这电压的上升而上升。此时出现了新的 电离因素，因为此时的电压已经较高，在高场强下产生了碰撞 电离，产生了新的带电质点，所以电流增加。 4） C阶段以后：电流急剧增加，这时由于电场强度很高，间 隙发生了击穿，放电达到了自持。 放电过程分析 二.汤逊气体放电理论 汤逊放电理论的理论要点 电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离 是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是 的函数. 两种气体放电理论 汤逊放电理论：低气压短间隙 流注放电理论：高气压长间隙 （一）电 子 崩（electron avalanche） 外界电离因 子在阴极附近产 生一个初始电子 如果空间的电场 强度足够大，该 电子在向阳极运 动时就会引起碰 撞电离，产生出 一个新电子，初 始电子和新电子 继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，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。 d dxx n0nna （二）电子碰撞电离系数 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 抵达阳极的电子数 1. 过程引起的电流 将 的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得 到相应的电子电流增长的规律为： 式中， -外电离因素引起的起始光电流； 则外回路中的电流为： 对上式的分析： 在仅有 过程时，若 ，则 。也即去掉外电离 因 素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 在不变的情况下（电极间的电场和气体的状态不变），则 电极间的电流与极间距离为指数关系。 1. 过程引起的电流 当电极间距离在一定 范围内时，在单对数坐标 系中，电流和极间距离的 关系为一倾斜的直线，此 直线的斜率就是 。 2. 系数的计算 3. 电子电离系数的分析 影响 的因素：气体的种类、电场的强度、电子的自由行 程（气体的状态）有关。 为便于分析，进行如下的假设： (1)每次碰撞时电子失去自己的全部动能，然后从速度为零 的起始状态重新被电场加速。 (2)在电场作用下，电子的驱引速度比热运动速度大得多， 故忽略后者。又由于已假定每次碰撞时电子都失去全部动 能，所以可认为，在均匀电场中，两次碰撞之间，电子均 沿电场方向作直线运动。 (3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。 推导： 若使得气体分子发生电离，则自由电子运动 的距离 后所积累的动能 必须大于气体分子的电离能，也即： 或 也即只有那些自由行程大于 的电子才能引起碰撞电离的过程 而电子的自由行程大于 的概率为： ，而在1cm的 长度内，一个自由电子的平均碰撞（注意不一定引起电离）的次数为 因而电离碰撞的次数为： ，也即电离系数 。 因而有： 气体的温度不变时，平均自由程 和气体的压力 成反比， ，并令 ，可得： 写出更一般的表达式： 上式的意义：系数与电场强度以及气体的压力有关。 实验结果 （三）及过程同时引起的电流 1. 过程 系数：一个正离子沿着电场方向行经1厘米长度，平均 发生的碰撞电离次数。因而和电子相比，正离子在间隙中 造成的空间电离过程( 过程)不可能具有显著的作用。 过程： 2. 过程和过程同时引起的电流 系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。 上式中： ：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由 电子数。 ：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。 ：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。 则阴极表面的 个自由电子，到达阳极后，电子数将增 加为： 上述过程中产生的正离子的数量为： ，因为除去从 阴极上释放出的自由电子，每个新增的自由电子都伴随产生一 个正离子，因而有 由上述的三式可得： 因此回路中的电流为： 由于 ， 注意：将该式与仅考虑 过程的电流表达式进行对比分析。 2. 过程和过程同时引起的电流 计算方法： 先由d较小的直线部分得到 系数，然后由上式从d较大时 电流增加更快的这个部分来决定 。 直接有击穿试验来决定。 影响系数的因素 和电极材料的逸出功有关，也即与电极材料及其表面的状 态有关。 与E/P有关，因为离子和光子的动能决定于E/P,因而有： 但在工程实际中在击穿电压的计算中， 一般看作为常 数，因为击穿电压对 的反映不灵敏。 3. 系数 的大致数值 1. 自持放电条件 如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子能 在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去外 界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生 出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持 下去，这就变成了自持放电。 在整个路程撞击出的正离子数为： 令 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，则从金属 表面电离出的电子数为： 若该电子数大于等于起始电子数n0, 那么放电可以自持，即自持放电条件为 （四）均匀电场中的击穿电压 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。 在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成： 自持放电条件的物理意义 外界电离因子 阴极表面电离 气体空间电离 气体中的 自由电子 在电场中加速 碰撞电离 电子崩 （）过程 阴极表面 二次发射 (过程） 正离子 图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程 自持放电条件图解分析 （五）击穿电压、巴申（帕邢）定律 可以得到： 巴申定理： 意义：气体间隙的击穿电压不仅与气压有关还与间隙的距离有关， 是两者乘积的函数。 Ub(kV) 图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线 0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300 1000 50 20 10 1 0.3 5 2 0.2 0.1 0.5 3 30 巴申曲线 1.假设d保持不变， 当p很大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之 间电子积聚到足够动能的几率减小了，故 Ub 必然增大。 当p很小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大 了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次 数却减到很小 ，所以 Ub也会增大。 应用：采用高真空和高气压可提高间隙的击穿电压。 巴申曲线的解释： 真空灭弧室GIS 站 1.假设P保持不变， 当d增加时，场强E降低，因此碰撞电离减弱，故 Ub 必然 增大。 d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。 应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。 1、放电外形 根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展. 低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放 电。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通 道。 2、放电时间 根据汤逊理论，间隙完成击穿，需要好几次这样的循环:形 成电子崩，崩中正离子到达阴极造成二次电子，这些电子重又 形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成击穿所 需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低气 压下的放电时间比较一致，但比火花放电时的放电时间实侧值 要大得多。 汤逊放电理论的适用范围 低气压、 短间隙的电场中，即 汤逊放电理论不能解释的放电现象 3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件 求得