气体放电过程教程.ppt

第1章 气体放电过程的分析 第1章 气体放电过程的分析 1.1 带电质点与气体放电 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程 1.1 带电质点与气体放电 1.1.1气体放电的主要形式 辉光放电 、电晕放电 、刷状放电 、火花放电 、电弧放电 1.1.2 带电质点的产生 ?电极空间带电质点的产生 ?电极表面带电质点的产生 1.1.3 带电质点的消失 ?带电质点受电场力的作用流入电极 ?带电质点的扩散 ?带电质点的复合 2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图 即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离-----引入”自由行程”概念: * 自由行程定义:一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离. * 平均自由行程λ:众多质点自由行程的平均值 其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能. 金属表面电离 正离子碰撞阴极: 正离子能量传递给阴极, ≥2 金属表面逸出功时发生电离 光电效应: 金属表面受到光照时,光子能量金属表面逸出功时,可造成电离 热电子放射: 加热阴极,使电子获取足够动能,克服金属表面逸出功 强场放射: 在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子. 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律 1.2.1 汤逊理论 1.2.2 巴申定律与均匀电场击穿电压 ? 巴申定律 ? 均匀电场的击穿电压 1.2.3 汤逊放电理论的适用范围 电子崩的发展过程称为α过程. α称为碰撞电离系数,定义为一个电子沿电场方向行经1cm长度,平均发生的碰撞电离次数.若每次碰撞电离仅产生一个新电子,则α表示在单位行程内新电离出的电子数. 利用实验测量不同极间距离d与外回路电流I关系,可以计算α (P14 公式1-9). 标准参考大气条件下空气的α系数与电场强度E的关系 (P15 图1-6) α过程:电极空间的电子引起的碰撞电离 二次过程: β过程:正离子从电场获得动能,引起的碰撞电离过程.因为离子平均自由行程小,获取的动能少;离子质量大,速度慢,弹性碰撞时易损失动能.因此,由正离子产生的电极空间碰撞电离作用小,可以忽略不计. γ过程:在阴极表面发生的,克服金属表面逸出功后形成的电离. (1)正离子碰撞阴极表面而释放电子(主要); (2)正负离子复合产生的光子在阴极表面引起的电离. γ系数:折算到每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的自由电子数.该系数同样可以通过I与电极间距离d的实验曲线,计算后获取(书P16 公式1-17) 汤逊理论的实质： 气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放电的主要原因(电子崩) 二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。 对上图的分析: 击穿电压极小值的右侧: pd增大:(1)极间距离增加,电压不变时,间隙中场强下降,电离减弱;(2)气压变大,电子自由行程缩短,电子不易积累能量,电离减弱.由此,所需击穿电压变大 击穿电压极小值的左侧: pd下降:主要是p下降引起,电子自由行程大,积累能量大,但是空气密度低,气体分子数量太少,碰撞次数少,因此电离减弱. 结论:高气压和高真空都可以提高击穿电压. 巴申定律与汤逊理论的关系 前者为后者提供实验结果支持;后者为前者提供理论依据. pd过大和过小时,放电机理发生变化,汤逊理论不再适用. 1.3 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论 1.3.1 空间电荷对电场的畸变 1.3.2 流注的形成 1.3.3 均匀电场中的自持放电条件 1.3.4 流注理论对放电现象的解释 1.3.1 空间电荷对电场的畸变 a图:电子崩发展过程中,电子移动速度快,正离子相对于电子可看成静止的,崩头集中电子,后部为正离子;由于电子的扩散作用,电子崩横向半径逐渐扩大----形成半球头的锥体. b图:电子崩过程中,电子数 N 呈指数增加.电子崩的电离过程集中在头部,空间电荷分布极不均匀. c图:当电子崩发展到一定程度,其形成的空间电荷的电场大大增强. d