气体放电原理雪崩模型.ppt

* * 第八章 等离子体产生及应用 电离气体是一种常见的等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 ? 电离气体 普通气体 等离子体 放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 10-4 ) 一般来说，用具有足够能量的粒子撞击中性粒子可以使气体电离形成等离子体，是气体电离的方法有很多，主要有如下几种： 1、放电方法 2、热电离法 3、高能光子辐射法 4、化学反应法 5、核反应法 气体电离的方法 直接电离： 多重电离： 逐步电离： 间接电离： 电子碰撞电离的微过程 气体放电原理（雪崩模型） 在气体放电过程中，电离和复合过程一直在不断发生，要实现气体放电和维持气体电离状态，电离速率必须大于等于复合速率。 一般情况下气体不导电，严格讲是气体的导电性能很弱，因为在宇宙射线的辐射及热运动碰撞作用下，气体中有少量的电子和离子，室温下空气中的离子密度大约为20/cm3。当施加外电场时，在电场的加速作用下，气体中的自由电子能量提高，碰撞中性粒子使其电离，并产生新电子，即发生电子增殖过程，直至达到增殖饱和。在此过程中，宏观上表现为电流迅速增加并最终达到饱和值。气体成果放电的关键是电子增殖，雪崩模型就是指气体电离过程中电子不断增殖，使电离过程雪崩放大。 放电类型 暗放电： 电流上限在10－6A 电晕放电： 电流10－6～10－4A， 多发生在曲面电极附近 辉光放电： 电流10－4～10－1A，气压一般是几百帕以下 弧光放电： 电流在10－1A以上，电流密度高，电压低 根据放电过程的电压电流参数的不同，放电可以分为： 根据放电所采用的电源，放电可以分为： 直流放电 交流放电 高频放电（射频和微波） 密度(cm-3) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚变 霓虹灯 北极光 火 焰 闪电 日冕 氢弹 星际空间 荧光 气体液 体固 体 人类居住环境 惯性 聚变 星 云 等离子体参数空间 高温等离子体 Te ~ Tn ~ 104K 低温等离子体 Tn Te ~ 104K 等离子体分类 10,000 ℃ 高温 等离子体 低温 等离子体 聚变等离子体、太阳内核 冷等离子体 Te ≠Ti，Tn 热等离子体 Te ≈ Ti，Tn 极光、日光灯 电弧、碘钨灯 等离子体主要研究及应用领域 空间与天体等离子体 聚变等离子体 低温等离子体应用 空间等离子体形态 空间天体等离子体 爆发磁环及实验室模拟 空间天体等离子体 等离子体主要研究及应用领域 空间与天体等离子体 聚变等离子体 低温等离子体应用 核聚变反应 D + T = n + 4He D + T = p + 3He 聚变等离子体 实现聚变的三种途径 聚变等离子体 主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW 46亿美元 聚变等离子体 ITER：托卡马克聚变实验堆 美国国家点火（NIF）激光聚变装置 2003年建成, 192束 180万焦耳，3纳秒 500TW，近紫外光 聚变等离子体 国内有关装置 神光II、星光II激光聚变装置 等离子体主要研究及应用领域 空间与天体等离子体 聚变等离子体 低温等离子体应用 低温等离子体的用途 等离子体 国防 太阳能 光学 航空 汽 车 生物医学 计算机 垃圾处理 造 纸 纺 织 通 讯 等离子体隐身方兴未艾 低频、宽频吸收雷达波 不增加飞行器表面载荷 可应用于表面高温环境 雷达开启 等离子体开启 快速灵活开启 不改变飞行器的气动外形 微电子器件 刻蚀 等离子体刻蚀过程 与化学刻蚀比较 若电离放电是在接近于大气压的高气压条件下进行，那么电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡状态。 若电子、离子、中性粒子的温度分别为了Te, Ti, Tn, 我们把这三种粒子的温度近似相等（ Te ≈ Ti ≈ Tn ）的热平衡等离子体称为热等离子体（thermal plasma），在实际的热等离子体发生装置中，阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，可用作等离子体射流（plasma jet）、等离子体喷焰（plasma torch）等。 毫米