高电压技术2、气体放电的物理过程—均匀电场中气体击穿.ppt

气体放电的物理过程和气体放电理论,气体放电过程：,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。 问题的提出： 1、气隙中带电粒子是如何形成的？ 2、气隙中的导电通道是如何形成的？ 3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？,一、名词解释： 1、电子平均自由行程 2、激励 3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离） 4、复合 5、电子崩 二、自持与非自持放电 三、自持放电条件,一、名词解释： 电子平均自由行程,一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。与气体分子的大小和密度有关。,2、激励 原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。 该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。 激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能(光子)的形式放出。 如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。,3、电离 原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离 原子被分解成两种带电粒子电子和正离子 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,电离形式： 1）、碰撞电离 在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离： me电子的质量， ve电子的速度； Wi气体分子的电离能。 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,2）光电离 当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子： h 普朗克常数 h6.62 x 10-27尔格秒。 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有 粒子性，称为光子） 导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。,3）热电离 一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 包括： 随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离， 高温下高能热辐射光子引起的光电离。,4）金属(阴极)的表面电离： a、正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。 b、光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。 c、强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。 d、热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。,4 、复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程称为复合过程。 在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。,5、电子崩,由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。,二、自持与非自持放电：,1、外施电压小于U0 时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿， 这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电 流将消失。这类放电称为非自持放电。 2、当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中 的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。这种 放电形式称为自持放电。 3、 U0 称起始电压。在均匀电场中为击穿电压，在极不均匀电场中 为电晕起始电压,三、自持放电条件： 电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经 1 厘米长度，平均发 生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。 表面电离系数 ：每个正离子碰幢阴极表面平均释放出的自由电子数。,设：一个电子从阴极行走 x 距离产 生的自由电子数为 n n 个电子前进 dx 产生的新电子数为：,所以：一个电子从阴极到阳极产生 的电子数为：,一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：,自持放电条件：,均匀电场中气体击穿的发展过程,气体击穿的两个基本理论： 一、汤逊理论（巴申定律） 二、流注理论,一、巴申定律（汤逊理论）：,汤逊理论中气隙的击穿过程是： 电子崩气隙击穿 仅适用于短间隙低气压的辉光放电,流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体 放电的主要因素： 电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用，流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。 放电过程：主电子崩二次电子崩流注气隙击穿,二、流注理论：,Eex: 外加电场 E: 正空间电荷与负极板产生的电场 E：正空间电荷与负空间电荷产生的电场 E：负空间电荷与正极板产生的电场 E：空间电荷产生的电场与外加电场叠加 后的实际电场,