放电物理11.ppt

1、正柱区的电场产生有两个需要： 1，维持放电电流，克服正柱区的电阻 2，维持电子的温度，维持足够的电离过程，抵消带电粒子在管壁上的损失 电场的产生原因： 1，不是正柱区的电荷分布 2，而是正柱区两端的边界条件,根据带电粒子碰撞过程的能量损失计算正柱区的必需电场，电场补充给电子的能量用于电子碰撞损失能量。二者的平衡决定了电子的温度，电子的温度维持了正柱区的电离。可见正柱区的电离不是电场直接加速电子的结果，电子热运动是电离的主要动力。,这是电子温度与放电参数的关系。可见在确定的放电尺寸和放电气压下，电离能越高，电子温度越高。越不容易电离的气体产生的正柱区有越高的电子温度,速度为v的一个电子在单位时间

2、内损失的能量为,在单位体积内的速度为v-v+dv的电子损失的能量dw,如果电子是麦克斯韦分布的,对上式进行所有电子的积分，得到单位时间内单位体积的所有电子损失的能量，假设能量损失系数与电子速度无关,每个电子单位时间内损失的能量,每个电子单位时间内损失的能量，即电子碰撞功率损失必须有电场加速来补充,电子在电场中做迁移运动，获得的电功率为,电子在正柱区弱电场中的迁移运动，是弱迁移运动，是线性迁移，迁移率与电场无关,考虑到,其中电子温度的单位是电子伏特，自由程单位是cm,因此电场单位V/cm,为了清晰表达电场的意义,p是一个常数， 可见约化场强只是电子温度的函数,电子温度又只是pR的函数，因此,约化

3、场强只是pR的函数，这已经在实验中得到了证实。不过这个具体函数是复杂的。因为电子温度的关系是复杂的，也是变化的。,与电子温度随pR 的变化趋势类似,氮气中约化场强比氢气中约化场强要小，这是因为氮气中电子迁移率较小，氮气中电子碰撞电离损失能量也较小。,正柱区中的径向电场是双极扩散过程中形成的。 双极扩散状态下，电子与离子是同步扩散的，密度和密度梯度各处相等，扩散通量也是各处相等,正柱区内电子温度远大于离子温度，因此,假设放电轴上的电位为V0 而放电管壁上的电位为VR,根据正柱区内带电粒子密度的径向分布特点,正柱区内电位的径向分布特点,径向电场分布是一种浓差电场。 这种电场分布比浓度分布缓和一些。

4、,带电粒子的密度分布梯度产生浓差电势，与温差电势类似。pn结上的电势差就是一种浓差电势,1，阳极区也是辉光放电过程可能产生的一个区域，分为阳极辉光区和阳极暗区。阳极区是正柱区自然延伸的产物，随着正柱区的延长，电子密度越来越低，为了电流的维持，电场必然越来越强，直至能够明显产生电离形成阳极辉光区。,3，阳极区内的负电荷产生了阳极区电场和阳极位降,4，阳极区内的电子引发的过程主要是激发和电离过程，其他次级过程不重要。,5，次级过程包括：管壁效应（其实在正柱区末端，管壁效应就不重要了）；阳极表面的电子释放过程。与阴极区内的过程相比，阳极只是接受电子。,2，阳极区内的电子从正柱区注入的，向阳极迁移，在

5、阳极电场加速下，产生电离和激发，产生的正离子向正柱区迁移，因此阳极区内多余电子。与阴极区相反,阳极区内的电场分布近似是抛物线型分布的。其实不是严格的抛物线，但是在正柱区和阳极两个边界处，电场强度均为零，确实非常合理的近似，因而选择抛物线分布,得到阳极区内的电势分布只是一个有一定合理性的实验经验分布，不是自洽的理论结果。,阳极区内的电离速率,阳极区内的电离主要发生在紧靠阳极的阳极辉光区内，阳极暗区内，电子只是在积累能量,假设电子进入阳极区内时携带的能量为Ws,那么阳极区内x处电子的能量为 Wx是电子加速获得的能量,a是一个气体种类有关反映气体与电子碰撞截面的常系数,阳极区内的电离只是在辉光区内发

6、生，而辉光区又很薄，所以假设辉光区边界,阳极区内的辉光区边界是电子开始具有电离能力的地方，所以,这是阳极辉光区的厚度,一个电子在阳极辉光区内的总电离次数,阳极位降区，可以视为这样一个导电区域，正柱区不断注入电子，阳极辉光区不断注入离子。阳极位降区内不但有电子流，而且有离子流。,阳极位降区的伏安特性：阳极位降与电流密度的关系,阳极辉光区内电场几乎为零，因此离子扩散进入位降区，在位降区内是迁移运动产生电流，同样电子也是在位降区内迁移产生电流，电流主要是电子流,电子在阳极位降的电流密度与阳极位降的关系为,这称为空间电荷限制电流密度， Child-Langmuir定律,考虑另一个问题，阳极辉光区内不断

7、产生离子，稳态放电时，这些新生离子都及时必须穿过位降区，因此一个电子在辉光区产生的离子数也就是位降区电子与离子流的比值,阳极位降区的伏安特性，可以得到阳极区宽度与放电电流密度的关系,由此可见：阳极区厚度与放电电流密度方根成反比,需要注意：1，阳极区的电场分布是经验的。 2，没有使用到正柱区的电子密度 3，阳极区内的电流形成机制有确定性。 根据讨论，无法说明阳极区为什么可以不存在。,1，电晕现象,在极端不均匀电场中，有些区域发生局部电离和激发，而有些区域不能击穿或者维持导通，就是电晕,在均匀电场中，如果某区域开始发生电离和激发，那么其他区域也能击穿或者维持导通，建立导电通道，这就辉光放电，火花或

8、者电弧,电晕现象存在很多场合和形式： 1，除尘器，计数器，复印机，臭氧发生器中利用电晕 2，电力传输线上的电晕，高压部件的尖端电晕等，需要抑制的电晕,在曲率特别大的电极附近，电场很容易集中，产生局部放电，出现电晕。电晕形成时，通常气压较高，如果较低，那么带电粒子可以扩散维持导电通道。因此，高气压和不均匀电场是产生电晕的前提条件,电晕放电中，电离过程发生在电场强的地方，称为电晕区或者电晕层 其他区域内没有电离，但是有带电粒子的迁移，维持电流，由于电流发散，这个区域内电流密度很小，不能形成辉光，这个区域称为迁移区。 如果电晕只是发生在一个电极附近，那么迁移区内只有一种带电粒子。电流是单极性的，存在

9、电荷，因此迁移区不是中性区 气体的种类也影响电晕的发生需要的电场不均匀程度，较均匀的电场中，电负性气体容易形成电晕（空气，氧气，氮气），没有电负性的气体（氢气等）不容易产生电晕。其原因在于电负性气体中电子密度不容易积累，电流密度较小所致。 电晕放电电流强度取决于电极的形状，电压等因素，是一种自持放电。 电晕放电中的电场分布和电压降主要将在迁移区，而不是电离区，这是与辉光放电不同的， 也正是因为如此，导致电晕的维持电压高于辉光放电电压。,电晕放电通常出现在高气压下，因此如果电压继续升高，会发生火花放电， 此时放电的中断是迁移区的大电阻所致。,电晕放电是有极性的，取决于曲率较大的电极的极性，如果小半径电极是正极，则是正电晕，反之是负电晕。 电晕可以是双极电晕，多级电晕和单极电晕。,电晕放电起始于小曲率电极附近的一个电子的雪崩电离过程。初始电子通