史永胜4-气体放电基础.ppt

彩色等离子体彩色等离子体 显示显示 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 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： （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，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实验室西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室 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，n n。，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，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 影响气体放电着火电压的因素 pd值的作用 巴邢定律表明，当其它因素不变时，pd值的 变化对着火电压的变化起了决定性的作用。因此 ，PDP中充入气体的压强和电极间隙对PDP的着火 电压有很大影响。 气体放电物理基础 气体种类和成分的影响 值和击穿电压Ub值，都与气体的性质(种类和气压 )有关，并主要由电子与一定气体粒子发生碰撞的过程 来决定。 气体的电离电位对击穿电位的影响是另一个重要 的因素，在其他条件不变的情况下，通常电离电位越大 的气体，它的击穿电位就越大。 如果碰撞时电子还未达到足以使气体电离的速度 ，电子与这种气体粒子碰撞损失的平均能量较大，那么 这种气体被击穿所需要的电场强度就大，相应地要求击 穿电位也高。 气体放电物理基础 在放电管内有两种气体的混合物时，Ub不能简单 地用混合方法以混合气体的浓度去计算。混合气体的 击穿现象往往与纯粹气体完全不同。 氮氢 混合气 体的最 小着火 电压与 Pd的 关系 气体放电物理基础 空气中水蒸 气含量对放 电击穿电位 的影响 （平面电极 极距为d4 9310-3 m ，空气压 强为400Pa ） 当空气中所含水蒸气量减少时，击穿电压会随 着减少。当空气继续干燥时，在水蒸气分压强约 为3Pa附近时击穿电位开始重新上升。 气体放电物理基础 在氖气中混入少量氩气能使气体的击穿电压降低， 其降低量由氩气的混合量决定。这种现象就是放电中潘 宁效应的结果。这种效应在氖汞混合气体中也存在。 气体放电物理基础 潘宁电离： 设A、B为不同种类的原子，原子A的亚稳激发电 位大于原子B的电离电位，亚稳原子A* 与基态原子B 碰撞时，使B电离，变为基态正离子B+（或激发态正 离子B+*），而亚稳原子A*降低到较低能态，或变为 基态原子A. A*+BA+B+（或B+*）+e 由于亚稳原子平均寿命是10-410-2s ，因此潘宁电离 的几率较高，使得基本气体的有效电离电位明显降低 。另外，着火电压下降的大小还与两种气体的性质和 它们量的混合比有非常密切的关系。 气体放电物理基础 阴极材料和表面状况的影响 在各种 阴极材 料的平 板电圾 之间氩 气的击 穿电压 随Pd的 变化 气体放电物理基础 辅助电离源的影响 使用辅助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使 着火电压降低。 例如： 人工加热阴极产生热电子发射，取代发射过程 的作用； 用紫外光照射阴极，使阴极产生光电发射； 放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体 电离； 通过预放电提供初始的带电粒子等可以大大降 低着火电压。 气体放电物理基础 电场分布的影响 电场分布对 汤生系数和系 数的数值与分布 起决定性作用， 影响气体中电子 与离子的运动轨 迹以及电子雪崩 过程。 气体放电物理基础 同轴圆筒电极系统，中心电 极不同极性，着火电压与气 压的关系 辉光放电的发光 基本特征： (1) 放电时，在放电空间呈现明暗相间、有一定分布规 律的光区。 (2) 由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间 电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降 区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持 辉光放电必不可少的部分。 (3) 管压降明显低于着火电压，并且不随电流而变。电 流为毫安级。电流密度为A/cm2至mA/cm2数量级。 (4) 阴极电子发射主要是过程。 气体放电物理基础 正常辉光放电的光区分布： 一个充氖的冷阴极放电管长50cm，气 压P133Pa，在正常辉光放电时的光 区和电参量分布 (1)阿斯顿暗区 由于受正离子轰击从阴极发 射出来的二次电子初速很小，不 具备激发条件。由于没有受激原 子，因而是暗区。 (2)阴极光层 电子在通过阿斯顿暗区以后 ，从电场中获得了一定的能量， 足以产生激发碰撞，使气体发光 。但电子数量不大，激发很微弱 。 气体放电物理基础 (3)阴极暗区 电子离开阴极后， 到这里获得的能量愈来 愈大，甚至超过了激发 几率的最大值，于是激 发减少，发光减弱。在 这个区域内，电子能量 已超过电离电位，引起 了大量的碰撞电离，繁 流放电集中在这里发生 。 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 气体放电物理基础 (4)负辉区 进入负辉区的电子可以 分为两类: 快电子和慢电子。 慢速电子是多数，它们在负 辉区产生许多激发碰撞，因 而产生明亮的辉光。 在阴极暗区，因离子浓 度很高，它们会向负辉区扩 散，因而负辉区中，电子和 正离子的浓度都很大，而电 场很弱，几乎是无场空间。 负辉区中电子和正离子浓度 比正柱区中约大20倍。 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 气体放电物理基础 （5）法拉第暗区 这是一个处于负 辉区和正柱区之间的 过渡区。由于电子在 负辉区中损失了很多 能量，进入这个区域 以后，便没有足够的 能量来产生激发，所 以是暗区。 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 气体放电物理基础 （6）正柱区 在任何位置电子密度和正离 子密度相等，净空间电荷为零。 电场沿管轴均匀分布。因正离子 的迁移率很小，放电电流主要是 电子流。正柱区中有一定的轴向 电场强度，电子从电场中获得一 定的能量，产生一定数量的碰撞 电离和激发。 （7）阳极区 在该区有时可以看见阳极暗 区，在阳极暗区之后是紧贴在阳 极上的阳极辉光。 在正常辉光放电时的光区和电参量分布 气体放电物理基础 气体放电物理基础 正常辉光放电规律： (1)在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一 部分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也 随之增大，而在这个过程中，阴极电流密度jcn则保持不变， 阴极位降Ucn也保持常数。当阴极面积全部被辉光覆盖后， 若继续增大电流，则阴极位降Ucn随之增加，放电转入了反 常辉光放电阶段。 (2)当放电的其他条件