带电粒子的产生和消失均匀场中气体的击穿过程

带电粒子：正离子、负离子、电子一、带电质点的产生原因：各种游离（电离）作用：促进放电发展

气体原子的激发和游离第一章气体放电的基本物理过程第一节带电粒子的产生和消失带电粒子的运动当气体中存在电场时，粒子同时进行热运动和沿电场定向运动。游离（电离）：外界以某种方式给处于某一能级轨道上的电子施加一定的能量，该电子就可能摆脱原子核的束缚成为自由电子。激发：电子向高一能级轨道的跃迁。游离能：产生游离需要的能量。自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。1、碰撞游离电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起游离的过程。碰撞游离条件：当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的游离能时，就可能使气体分子分裂为电子或正离子。气体中，电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞的行程。由于电子尺寸和质量比分子小得多，不易发生碰撞，故电子的平均自由行程比离子的大得多，在电场作用下加速运动易积聚足够的动能。Wi为气体分子的游离能2、光游离由光辐射引起气体分子游离的过程。光游离产生的电子称为光电子。来源：x射线、γ射线等；异号带电粒子复合成中性粒子释放出光子；条件：激励态分子回复到正常态释放出光子。3、热游离本质：气体分子热状态引起的碰撞游离和光游离的综合。

常温下，气体分子发生热游离的概率极小。当t>10000K时，才需考虑热游离；当t>20000K时，几乎全部的分子都处于热游离状态。

以上三种游离发生在气体空间中，故也称为空间游离。4、气体中金属表面游离含义：形式：金属阴极表面发射电子的过程。正离子碰撞阴极表面；光电子发射；(X射线、γ射线、紫外线等）

强场发射；热电子发射；

气体中主要的游离方式是碰撞游离。碰撞游离主要由电子和气体分子碰撞所引起。二、带电质点的消失作用：既促进又阻碍放电的进行

都以光子的形式放出多余的能量。一定条件下会导致其他气体分子产生光游离，使气体放电阶跃式发展。电子复合和离子复合：作用：阻碍放电发生1、复合2、扩散正离子和负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和而还原为分子的过程。带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域的现象。3、进入电极作用：阻碍放电发展在外电场作用下，气隙中的正、负电荷分别向两电极定向移动的现象。第二节均匀电场中气体击穿的过程一、电子崩、非自持放电和自持放电气体放电伏安特性左图表示实验所得平板电极(均匀电场)气体中的电流I与所加电压U的关系，即伏安特性。在曲线OA段，I随U的提高而增大，这是由于电极空间的带电质点向电极运动加速而导致复合数的减少所致。当电压接近Ua时，电流I0趋向于饱和值，因为这时外界游离因子所产生的带电质点几乎能全部抵达电极，所以电流值仅取决于游离因子的强弱而与所加电压无关。

ab段：电流仅取决于外游离因素与电压无关bs段：电压升高碰撞游离增强但仍靠外游离维持(非自持)s点后：只靠外加电压就能维持(自持)（一）电子崩(a)

电子崩的形成(b)

带电离子在电子崩中的分布外界游离因子在阴极附近产生一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞游离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞游离，产生更多电子。依此电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。（二）自持放电与非自持放电电子崩发展到阳极，其崩头的电子进入阳极中和，崩体内的正离子在电场作用下向阴极运动。若气隙上的电压较低，场强较小，则正离子撞击阴极板时从阴极逸出的电子将全部和正离子复合，阴极表面游离不出自由电子。此时若取消外界游离因素，气隙中将没有产生新电子崩的电子，放电会停止，称为非自持放电。若气隙上的电压达到其临界击穿电压，则由于正离子的动能大，撞击阴极表面时就能使其逸出自由电子，此时即使取消外界游离因素，仅靠外施电压就能维持阴极表面不断游离出新电子，弥补初始电子崩的电子，产生新的电子崩，使放电继续进行下去。这种放电称为自持放电，U0称为起始放电电压。自持放电条件：物理意义：一个从阴极出发的起始电子发展电子崩到阳极后，崩中的个正离子向阴极碰撞时，只要至少能从阴极撞击出一个自由电子来，放电就可转入自持。如自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：（一）电子崩发展到阳极后的新游离二、低气压下均匀场自持放电的汤逊理论——碰撞电离（游离）系数。场强E越大，其值越大；气压（气密）很大或很小时，其值比较小。——正离子表面电离（游离）系数。与阴极材料、气体种类、阴极表面光洁度等有关。正离子撞击阴极板表面所产生的游离。是维持自持放电的必要条件。（三）巴申定律当气体和电极材料一定时，气隙的击穿电压(Ub)是气压(p)(或气密）和气隙距离(d)乘积的函数，即Ub=f(pd)。结论：1.将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。2.汤逊理论的实质是：电子碰撞游离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。3.阴极逸出电子能否接替起始电子是自持放电的判据。（二）汤逊放电理论低气压、短间隙情况下的气体放电，是由气体分子本身的碰撞游离和正离子撞击阴极板的表面游离两个过程造成的。1、巴申曲线巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。2、定性分析(1)d一定时：a、P较小时：↓P→碰撞次数进一步↓→有效碰撞次数↓→Ub↑

由此分析可知：当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压。这一概念具有十分重要的实用意义。工程应用：压缩空气开关、真空开关等(2)P一定时a、d较小时：进一步↓d（与差不多）→碰撞次数少→无足够的碰撞次数→Ub↑b、d较大时：↑d→E↓→不易游离→Ub↑意义：减小或增大d，都能使击穿电压提高。↑P→平均自由行程↓→碰撞次数↑，不易积累足够游离能(只碰撞不游离)→有效碰撞次数↓→Ub↑b、P较大时：（四）汤逊理论的适用范围汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的，pd过大，汤逊理论就不再适用；pd过大时（气压高、距离大）汤逊理论无法解释：放电时间：很短放电外形：具有分支的细通道击穿电压：与理论计算不一致阴极材料：无关汤逊理论适用于pd<26.66kPa·cm的情况。三、高气压下均匀场自持放电的流注理论以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。气体放电流注理论以实验为基础，考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下方面：

空间电荷对原有电场的影响空间光游离的作用1、空间电荷对原有电场的影响电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；崩头前方和后方处电场增强，崩头内部正、负电荷交界处出现一弱电场区，此处电子和离子浓度最大，有利于完成复合；强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光游离辐射源。电场加强区域（崩头前方附近）利于分子的激发，易放出光子。2、空间光游离的作用考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光游离。如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的游离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。这些游离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。

流注形成过程示意图3、流注的形成和发展示意图a、起始电子发生碰撞游离形成初始电子崩；b、初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，加强正离子与阴极间电场，放射出大量光子；c、光游离产生二次电子，在加强的局部电场作用下形成二次崩；d、二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道，其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展；e、流注头部游离迅速发展，放射出大量光子，引起空间光游离，流注前方出现新的二次崩，延长流注通道；f、流注通道贯通，气隙击穿。4、形成流注的条件电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩