气体放电现象及其应用

1、实用标准文案气体放电的研究报告一、气体放电根本理论1、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象,如闪电、日光灯等,它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离,形成能导电的电离气体.气体放电是产生低温等离子体的主要途径.所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的.低温等离子体物理与技术在经历了一个由20世纪60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后,现在已经成为具有全球影响的重要课题,其开展对于高科技经济的开展及传统工业的改造有着巨大的影响.2、气体放电的根本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理

2、论等.1903年,为了解释低气压下的气体放电现象,汤森(J.S.Townsend)提出了气体击穿理论,引入了三个系数来描述气体放电的机理,并给出了气体击穿判据.汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象,如击穿电压与放电间距及气压之间的关系,二次电子发射的作用等.但是汤森放电解释某些现象也有困难,如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用,而这一点对于放电的开展是非常重要的.电子雪崩中的正离子随着放电的开展可以达到很高的密度,从而可以明显的引起电场的畸变,进而引起局部电子能量的增强,加剧电离.针对汤森放电理论的缺乏,1940年左右,HRaether及Loeb、Meek

3、等人提出了流注(Streamer)击穿理论,从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷,能有效地解释高气压下,如大气压下的气体放电现象,使得放电理论得到进一步的完善.近年来,随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步开展,将放电理论与非线性动力学相结合,利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容.3、气体放电的主要类型通常,低气压、低温等离子体是在1100Pa的气体中进行直流、射频或微波放电产生的,而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD).比拟而言,电晕放电比拟微弱且产生的活性粒子效率较低而难以应用于工业生产.电弧

4、放电那么与此相反,由于产生的能量密度过高,导致电子与离子的能量较大足以损伤比拟脆弱的工件.与此不同的是,介质阻挡放电能比拟容易的产生非平衡等离子体,且等离子体的温度、密度适中.应该说,从目前来看介质阻挡放电是主要的一种大气压放电的实现形式.介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种放电系统.由于介质的存在,可以限制电流的增长,使放电不至于形成火花放电或电弧放电.依赖于放电气体的种类、介质的属性及外加电压的幅值与频率,介质阻挡放电可以呈现三种不同的放电模式,即丝状放电、均匀放电与斑图放电.介质阻挡放电在大气压下通常表现为丝状放电,其放电能量大局部集中于放电细丝中,这限制了其工业应用前景.为此研究

5、人员采用多种方法来提升其均匀性.近年来基于介质阻挡放电原理来产生低温等离子体,尤其是大气压下均匀辉光放电(APGD的研究受到国内外关注.通常鼓励介质阻挡放电的电源是工频或高频交流电源,随着脉冲电源技术的开展,近年来脉文档实用标准文案冲高压也被用于鼓励介质阻挡放电,并被证实能较好地改善均匀性并提升放电效率.4、气体放电的主要应用气体放电产生的低温等离子体在材料改性、废水废气处理、灭菌消毒、薄膜生长、纳米粉末制备、等离子体显示和生物技术等领域有许多重要的应用,并逐渐显示出很好的经济效益,具有重大的研究价值和深远的研究前景.二、研究现状1、研究内容在放电方式上,有电晕放电、 弧光放电和介质阻挡放电,

6、而尤以介质阻挡放电的研究居多.在介质阻挡放电的三种放电模式中,又尤以大气压辉光放电的研究最多.均匀辉光放电一般在惰性气体中相对容易实现,而在空气中除非采取特殊方式,如降低气压、火花预电离辅助、采用特殊结构电极等,否那么放电多表现为丝状介质阻挡放电.为了在大气压下获得大面积均匀的等离子体,人们采用各种方法提升放电的均匀性和稳定性,这是国内外的研究热点,同时也是研究难点.根据研究目的来分,气体放电的研究可分为理论研究和应用研究.理论研究侧重于研究气体放电的物理过程、等离子体性质、放电机理及稳定机制,着重解决如何产生、稳定和限制等离子体的问题,探究各种放电的机理.而应用研究那么是在理论研究的根底上,

7、研究低温等离子体在各种实际问题中的应用技术.应用研究多采用实验研究的方法,针对某一具体应用问题,设计相应的等离子体产生、 限制装置,分析实验现象,评判实验效果,并设计出实用乃至工用的设备装置.目前状态是,研究如何从技术上实现放电及放电的应用研究较多,但放电的物理过程、等离子体性质、稳定机制等相对研究较少.2、研究方法在研究方法上,有实验研究、数值模拟和仿真研究等.1实验研究实验研究是目前气体放电研究中采用最多的一种方法.根据研究目的,设计出相应的放电装置,选取一定的测量或观察方法,观察实验现象,分析实验结果.在实验设计中,提出一定的假设或研究物理量,并根据假设设定一定的变量；通过改变这些变量进

8、行屡次实验,对假设进行效果检验和可行性分析.在实验研究以及工业应用中,等离子体参数诊断技术是特别重要的.目前比拟成熟的等离子参数诊断方法有Langmiur探针、微波干预、激光Thomson散射和光谱法等.但这些方法都只适用于低气压等离子体.在大气压条件下如何准确地测量等离子体参数是国内外研究者普遍遇到的难点.对大气压气体放电电子密度的研究目前主要是数值模拟或通过放电电流估算.因此,对大气压下气体放电,尤其是可以工用的介质阻挡放电,很多都采用数值模拟的方法进行研究.2数值模拟数值模拟方法是采用一定的数学模型,对大气压气体放电的时空演变过程进行仿真,计算放电间隙的电压、电流、电子离子密度等参量,分

9、析气体放电的物理规律物理过程、等离子体性质、放电机理、稳定机制等 .由于大气压下气体放电过程是一个典型的非线性过程,不同非线性机制的相互作用对于放电具有非常重要的影响,理论研究与数值模拟能有助于我们理解放电的机理,从而可以限制和优化放电过程.通过比拟数值模拟结果与实验观文档实用标准文案测,可以对放电过程有更为清楚的了解,从而可以优化已有的实验,使得实验结果更能符合实际应用的要求,以至可以设计出更为合理的实验装置.特别是近几年来,随着计算机技术和数值算法的开展,许多过去无法进行的计算工作现在可以比拟容易的开展起来.由于采用了更快更精确的数值算法,对气体放电的数值模拟研究正在这个领域起着越来越重要

10、的作用.目前在大气压下放电领域所用到的数学模型包括流体模型、非平衡Boltzmann方程、MonteCarloMC模拟、粒子模型ParticleinCell,PIC及混合方法等.流体模型是基于组成粒子种类的浓度、 平均速度和平均能量来描述等离子体,并通过解每种粒子的连续性、 流量和能量方程组来获取这些宏观量的值.流体模型计算速度较快,二维和三维流体模拟也可以在一个较短的时间内完成,因此流体模型被广泛采用.另外,需要考虑大量反响的多种粒子间的复杂化学过程也可以通过它来模拟.但流体模型不能捕捉到非局部粒子动力学效应,故更适合于高气压放电.求解Boltzmann方程能精确的描述等离子体的动力学演化,

11、但是其数学处理,特别是多维情况下的数学处理较为复杂,计算较为费时.MonteCarlo模拟在数学处理上相对简单,也能较为精确的描述等离子体的运动,但是计算工作量较大,尤其是对于等离子体中运动较慢的带电粒子,且存在电场计算不自恰的问题.PIC模拟是通过仿真数量相又少的计算粒子也称超粒子,来考察等离子体中带电粒子的集体行为,从而模拟各种粒子的动力学特性.在这一方法中,等离子体的物理性质可以得到保存,每种粒子的动力学特性均可在极小的近似下得以模拟.在PIC方法中,通常采用MonteCarlo方法来统计地处理粒子间的碰撞过程,因此它比流体模型能更详细的模拟等离子体中的统计过程.在PIC/MCC模拟中,

12、可以非常容易的应用各种碰撞的微分截面来分析碰撞过程,同时可以考察边界上二次电子发射过程的能量和角度依赖关系.但PIC/MCC模拟通常需要很长的模拟运行时间.PIC/MCC方法非常适合于研究低气压放电,这时非局部效应非常重要,粒子浓度低,而且MCC算法可以较快地得以实现.3仿真研究除了实验研究和数值模拟外,也有人采用其他一些仿真方法进行研究,如华中科技大学的胡辉等运用ANSY裁件对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟；南京科技大学的章程现在中科院电工研究所等采用SIMULINK对介质阻挡放电进行仿真,以及采用可变电阻、齐纳二极管或可控硅开关限制的电阻器来模拟介质阻挡放电的微放电过程

13、,并采用PSPICE等电路仿真软件来实现对介质阻挡放电的仿真等,获得了良好效果.三、研究前景近20年来介质阻挡放电及其应用技术研究取得了飞速开展.由于介质阻挡放电可以在大气压或高于大气压条件下实现大体积宏观均匀而强烈的微放电,使得介质阻挡放电技术可以广泛的被应用于等离子体化学、紫外光源、环境工程、高功率气体激光器等许多领域,具有深远的开展前景.在介质阻挡放电中,获得哪种形式的放电主要决定于放电敏感参量之间的匹配,这些放电敏感参量主要有三个方面：1电介质材料与结构因素,主要有电介质材料的性质、介电常数、厚度、几何形状及放电间隙的距离等；2供电电源因素,主要有电源电压、频率、波形及限制方式等；3外

14、部因素,主要有工作气体的成分、压强、气体的流速及介质阻挡放电等离子体发生器的工作温度等.尽管对介质阻挡放电的宏观放电特性及应用研究取得了一定的进展,但对于其微观放电形成机理、气体间的相互作用机理及其动力学过程还缺乏了解,还缺乏有效的介质阻挡放文档实用标准文案电等离子体诊断方法,对上面三个方面放电敏感参量的作用机理及其相互作用的研究还有待深入.综上,我认为可能的研究切入点是,针对介质阻挡放电中电介质的材料和结构特性、电源的供电特性和外部因素的影响中的一方面或几方面,考察其对放电过程的影响.比方研究射频、纳秒脉冲等不同电源下的介质阻挡放电；研究工作气体的流速对放电过程的影响机制等.四、作业题目：气

15、体放电现象及应用根据课程所学及实际应用,简述气体放电的原理,并介绍气体放电的现象和形式、影响因素及伴随的效应.五、解答在现实生活中我们会遇到很多气体放电的现象,有的时候我们会觉得不可思议,其实这些现象都是能用科学来解释的.科学家们通过对他们的研究,把这些现象的原理应用在我们的生活中,给我们带来了很多益处,在经过科学家的进一步研究后将会给我们带来更大的益处.那么什么是气体放电呢？它发生的形式及现象又是什么呢？我们将如何应用呢？1 1. .简述气体放电的原理枯燥气体在正常状态下是不导电的,是良好的绝缘介质,但当气体中存在自由带电粒子时,它就变为电的导体.这时假设在气体中安置两个电极并加上电压,气体

16、在强电场作用下,少量初始带电粒子与气体原子或分子相互碰撞,当碰撞能量超过某一临界值时,会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子.逸出电子后的原子成为正离子,使气体中的带电粒子增殖,这时有电流通过气体,这个现象称为气体放电.气体放电的根本原因在于气体中发生了电离的过程,在气体中产生了带电粒子.气体电离的根本形式有：1 1碰撞电离在电场作用下,那些散在气体中的带电粒子电子或离子被加速而获得动能,当它们的动能积累到一定数值后,在和中性的气体分子发生碰撞时,有可能使中性的气体分子发生电离,这种电离过程称为碰撞电离.在碰撞电离中,由于电子的尺寸小、 重量轻,其平均自由行程也较大,所以在电场中容易被加速并积

17、累起电离所需的能量.因此,电子是碰撞电离中最活泼的因素,它在强电场中产生的这种碰撞电离是气体放电中带电粒子极为重要的来源.文档实用标准文案(2)(2)光电离由光辐射引起的气体分子的电离称为光电离.光子的能量与光的波长有关,波长愈短,能量愈大.各种短波长的高能辐射线如宇宙射线、r r 射线、x x 射线以及短波紫外线等都具有较强的电离水平.(3)(3)热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离.所有的气体都能发出热辐射,这也是电磁辐射.在高温下,热辐射光子的能量到达一定数值即可造成气体的热电离.从根本方面来说,碰撞电离、热电离及光电离是一致的,都是能量超过某一临界值的粒子或光子碰撞分子使之发生电

18、离,只是能量来源不同.在实际的气体放电过程中,这三种电离形式往往同时存在,并相互作用.比方,在电场作用下,总会有碰撞电离发生.在放电过程中,当处于较高能位的激发态原子回到正常状态,以及异号带电粒子复合成中性粒子时,又都会以光子的形式放出多余的能量,由此可能导致光电离,同时产生热能而引发热电离,高温下的热运动那么又加剧碰撞电离过程.(4)(4)外表电离气体中的电子也可以由电场作用下的金属外表发射出来,称为金属电极外表电离.从金属电极外表发射电子同样需要一定的能量,称为逸出功,它比气体的电离小得多,所以金属电极外表发射电子要比直接使气体分子电离容易.可以用各种不同的方式向金属电极供应能量,如对阴极

19、加热、正离子对阴极碰撞、短波光照射以及强电场都可以使阴极发射电子.气体电介质在发生放电时会引起绝缘的暂时丧失,一旦放电结束,气体介质又可以自行恢复其绝缘性能.因此气体绝缘又称为自恢复绝缘.人们利用气体介质的自恢复绝缘特性,在绝缘子的结构设计中,总是使其沿面闪络电压低于固定介质的击穿电压,以便在出现过电压时使其发生闪络,预防造成绝缘子的永久破坏.而气体具有自恢复绝缘特性的根本原因在于气体中存在去电离的过程,它使带电粒子从电离区域消失,或者消弱产生电离的作用.气体去电离的根本形式有：(1)(1)带电粒子向电极定向运动并进入电极形成回路电流,从而减少了气体中的带电粒子.文档实用标准文案(2)(2)带

20、电粒子的扩散.由于热运动,气体中带电粒子总是从气体放电通道中的高浓度区向周围的空间扩散,从而使气体放电通道中的带电粒子数目减少.(3)(3)带电粒子的复合.气体中带异好电荷的粒子相遇时,有可能发生电荷的传递而互相中和,从而使气体中的带电粒子减少.但是,带电粒子的复合会发生光辐射,这种光辐射在一定条件下又会导致其他分体分子电离,从而使气体放电呈现出跳跃式的开展.(4)(4)吸附效应.某些气体的中性分子或者原子对电子具有较强的亲合力,当电子与其碰撞时,便被吸附其上形成负离子,同时放出能量,这就叫吸附效应.吸附效应能有效地减少气体中的自由电子数目,从而对碰撞电离中最活泼的电子起到强烈的束缚作用,大大

21、抑制了电离因素的开展.气体中电离与去电离这对矛盾的开展过程将决定气体的状态.当电离因素大于去电离因素时,气体中带电粒子会愈来愈多,最终导致气体击穿；当去电离因素大于电离因素时,那么气体中的带电粒子将愈来愈少,最终使气体放电过程消失而恢复成绝缘状态.在生产实际中,人们根据需要,可以人为地限制电离或者去电离因素.比方,在高压断路器中,为了迅速开断电路,就需要更增强电弧通道中的去电离因素,采取各种举措增大带电粒子的扩散水平和带电离子的复合速度,以及采用吸附效应强烈的 SFSF 的电气强度气体等.在所有的气体放电理论中,比拟系统和完善的主要是汤逊气体放电理论和流注放电理论.汤逊理论通过引入“电子崩的概

22、念,较好地解释了均匀电场中低气压短问隙的气体放电过程,通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论.但是这个理论也有局限性,由于汤逊理论是建立在均匀电场、短间隙、低气压的实验条件下的,因此对于高气压、长间隙和不均匀电场中的气体放电现象就无法作出圆满的解释了.比方,根据汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地开展,这在低气压下确实如此,如放电管中的辉光放电.然而,在大气压力下长间隙的击穿却往往带有许多分枝的明亮细通道,如天空中发生的雷电放电即是如此.对此,就需要用流注放电理论才能较好地解释这种高气压长间隙已经不均匀电场的气体放电现象了.流注理论与汤逊理论的不同

23、之处在于：流注理论认为电子的碰撞电离和空间文档实用标准文案光电离是形成自持放电的主要因素；而汤逊理论那么没有考虑放电本身所引发的空问光电离对放电过程的重要作用.同时,流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用.汤逊实验中的均匀电场是一个少有的特例,实际电力设施中常见的却不是均匀电场.与均匀电场相比,不均匀电场中气隙的放电具有一系列的特点：间隙击穿前有局部放电的存在,这也称为电晕放电,并且电场愈不均匀,其电晕起始电压愈低,击穿电压也愈低,这是极不均匀电场中气隙放电的一个重要特征；“棒板间隙的放电存在极性效应；长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低等.2 2 . .气体放电的现象和形式气体放电

24、的形式和现象是多种多样的,依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同,气体放电的形式总体上可以分为以下几类：1 1当气压较低,电源容量较小时,气隙件的放电那么表现为充满整个间隙的辉光放电.2 2在大气压下或者更高气压下,放电那么表现为跳跃性的火化,称为火花放电.3 3当电源容量较大且内阻较小时,放电电流较大,并出现高温的电弧,称为电弧放电.4 4在极不均匀电场中,还会在间隙击穿之前,只在局部电场很强的地方出现放电,但这时整个间隙并未发生击穿,这种放电称为局部放电.高压输电线路导线周围出现的电晕放电就属于局部放电.5 5当发生气体放电时,电极间交换的频率很高的放电形式叫高频放电.6 6止匕外

25、,在气体放电中还有一种特殊的放电形式,即在气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的外表而发生在气体介质中的放电,称为沿面放电.当沿面放电开展到使整个极间发生沿面击穿时称为沿面闪络.例如,在输电线路上出现雷电过电压时,常常会引起沿绝缘子的外表的闪络.3 3 .气体放电现象的影响因素气体放电现象及其开展规律主要受以下因素的影响：所加电压的幅值及波形,如直流电压、交流电压、脉冲电压模拟雷闪等.通过电流的大小,如计数管中的电流微安级,冲击大电流兆安级.所加电压的频率,如直流电压、工频电压等.气体的压力,从10-10-4 4帕的真空直至几兆帕的高气压.不同气压下,气体击穿的物理过程各异.电极形状,它决定电场的分布,众而影响文档实用标准文案带电粒子的运动.容器与电极材料,高气压与高真空的气体击穿会