氣體放電基礎分析

1、氣體放電中的基本粒子：氣體放電中的基本粒子： 基態(tài)原子（或分子）基態(tài)原子（或分子） 電子電子 e1/2mve2，典型密度為典型密度為10161020/m3. 激發(fā)態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子(或分子或分子) 正離子和負離子正離子和負離子 光子光子 h 氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎基本粒子間的相互作用基本粒子間的相互作用 彈性碰撞彈性碰撞 參與碰撞的粒子的運動速度和方向發(fā)生變參與碰撞的粒子的運動速度和方向發(fā)生變化，而位能不發(fā)生變化。化，而位能不發(fā)生變化。22121)(2mmmm平均能量損失率氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎舉例：舉例：me=9.1 10-31kg, mHe=6.68 10-27kg.e-

2、He原子碰撞：原子碰撞： 2.72 10-4, He+-He原子碰撞：原子碰撞： 0.5 非彈性碰撞非彈性碰撞 使參與碰撞的粒子間發(fā)生了位能的變化。使參與碰撞的粒子間發(fā)生了位能的變化。 第一類非彈性碰撞：導致粒子體系位能增加。第一類非彈性碰撞：導致粒子體系位能增加。 如如 He+e(快速）快速） He*+e（慢速）慢速） 第二類非彈性碰撞：導致粒子體系位能減小。第二類非彈性碰撞：導致粒子體系位能減小。 如如 He* +e(慢速）慢速） He+e（快速）快速） 氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎內能的最大值內能的最大值21212max)(2EmmmW氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎第一類非彈性碰撞

3、第一類非彈性碰撞:211121mE 如如 m1 m2，Wmax 0.5E1； m1m2，Wmax E1。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體原子的激發(fā)和電離氣體原子的激發(fā)和電離激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)原子能級原子能級諧振能級諧振能級 （受激原子自發(fā)地直接過渡到（受激原子自發(fā)地直接過渡到 基態(tài)，基態(tài)，并產生光子輻射。）并產生光子輻射。）較高激發(fā)態(tài)能級較高激發(fā)態(tài)能級（向較低基發(fā)態(tài)能級躍遷，并產生光子（向較低基發(fā)態(tài)能級躍遷，并產生光子輻射。）輻射。）亞穩(wěn)能級亞穩(wěn)能級 （不能自發(fā)地通過光輻射向基態(tài)躍遷。）（不能自發(fā)地通過光輻射向基態(tài)躍遷。）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 電子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離電子與氣體

4、原子碰撞致激發(fā)和電離原子由基態(tài)原子由基態(tài)E0激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)EmemeeUEEm0221基態(tài)原子被電離基態(tài)原子被電離emeeUEEm0221電子必須具有的動能電子必須具有的動能EeAAe*EeAAe2電子使基態(tài)原子電子使基態(tài)原子(或分子或分子)電離和激發(fā)電離和激發(fā)氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎電子使激發(fā)態(tài)原子電離和激發(fā)電子使激發(fā)態(tài)原子電離和激發(fā)eAAe*eeAAe*舉例：舉例： 汞的電離電位為汞的電離電位為10.4V，而汞弧放電的穩(wěn)態(tài)而汞弧放電的穩(wěn)態(tài)電壓只有電壓只有910V。這是因為這是因為eeHgpHge)6(03*eeHgpHge)6(23*能級為4.66ev能級為5.43ev氣體放電物理基

5、礎氣體放電物理基礎碰撞截面碰撞截面原子作用半徑原子作用半徑R： 電子與原子間能發(fā)生相互作用的最大距離。電子與原子間能發(fā)生相互作用的最大距離。原子與電子碰撞的有效截面原子與電子碰撞的有效截面 2Rqe電子能量的函數(shù) 有效截面不僅包含原子半徑的概念，還包含了帶電粒有效截面不僅包含原子半徑的概念，還包含了帶電粒子和原子在相互作用中，具有幾率和不確定因素的含意。子和原子在相互作用中，具有幾率和不確定因素的含意。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎電子和氣體原子的碰撞幾率電子和氣體原子的碰撞幾率總有效截面總有效截面eenqQ 電子的平均自由程電子的平均自由程eeenqQ11氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氦

6、原子的激發(fā)截面與電子能量的關系 原子和離子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離原子和離子與氣體原子碰撞致激發(fā)和電離氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 光致激發(fā)和光致電離光致激發(fā)和光致電離)*(AAh光致激發(fā)和光致電離光致激發(fā)和光致電離的光子波長的光子波長)(1024. 1)(3evWnm氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 熱激發(fā)和熱電離熱激發(fā)和熱電離(1)氣體原子相互碰撞產生電離氣體原子相互碰撞產生電離(2)高溫氣體產生熱輻射而引起的光致電離高溫氣體產生熱輻射而引起的光致電離(3)以上兩種電離過程所產生的高能電子引起的碰撞電離以上兩種電離過程所產生的高能電子引起的碰撞電離氣體

7、放電物理基礎氣體放電物理基礎 X射線及核輻射引起的電離和剩余電離射線及核輻射引起的電離和剩余電離(1)氣體原子吸收氣體原子吸收X射線量子后，使一個價電子脫離射線量子后，使一個價電子脫離。這這個高能電子使氣體原子產生大量的碰撞電離。個高能電子使氣體原子產生大量的碰撞電離。(2)高能高能X射線量子被原子吸收，使原子一個內層電子電射線量子被原子吸收，使原子一個內層電子電離，隨即有較外層的電子躍遷到內層空位上，這個過程離，隨即有較外層的電子躍遷到內層空位上，這個過程也伴隨著能量的釋放。新的也伴隨著能量的釋放。新的X量子又可以產生新的電離量子又可以產生新的電離。(3)原子不是完全吸收原子不是完全吸收x射

8、線量子，而是產生康普頓效應。射線量子，而是產生康普頓效應。X射線：射線：氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎核輻射引起的電離：核輻射引起的電離：（1） 射線、質子和氘核射線、質子和氘核 它們引起的電離，相當于高速正離子與氣體原子產生它們引起的電離，相當于高速正離子與氣體原子產生的第一類非彈性碰撞。的第一類非彈性碰撞。（2） 射線射線 它引起的電離，相當于極高速電子與氣體原子的第一它引起的電離，相當于極高速電子與氣體原子的第一類非彈性碰撞。類非彈性碰撞。（3） 射線射線 射線引起的電離相當于能量很大的光子引起的光致電射線引起的電離相當于能量很大的光子引起的光致電離，主要產生康普頓效應。離，主要產生康

9、普頓效應。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎（1）在地面附近產生剩余電離的原因是地殼中）在地面附近產生剩余電離的原因是地殼中放射性物質的輻射。放射性物質的輻射。（2）高空中的剩余電離主要是宇宙射線引起的。）高空中的剩余電離主要是宇宙射線引起的。宇宙線是來自星際空間的高能粒子。宇宙線是來自星際空間的高能粒子。剩余電離剩余電離 從地面向上升高時，剩余電離作用開始隨高從地面向上升高時，剩余電離作用開始隨高度增加而下降，度增加而下降， 在到達在到達1.5km以后，剩余電離重以后，剩余電離重新增加。新增加。氣體原子的激發(fā)轉移和消電離氣體原子的激發(fā)轉移和消電離 氣體粒子的激發(fā)轉移和消電離是氣體粒子的激發(fā)和氣

10、體粒子的激發(fā)轉移和消電離是氣體粒子的激發(fā)和電離的逆過程，這些基本過程屬于重粒子間的第二類非電離的逆過程，這些基本過程屬于重粒子間的第二類非彈性碰撞。彈性碰撞。1氣體原子的激發(fā)轉移氣體原子的激發(fā)轉移 自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷 與電子的非彈性碰撞與電子的非彈性碰撞 與基態(tài)原子的非彈性碰撞與基態(tài)原子的非彈性碰撞潘寧效應潘寧效應輻射的淬滅輻射的淬滅敏化熒光敏化熒光氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎2帶電粒子的復合帶電粒子的復合 電子和正離子間的復合電子和正離子間的復合氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 假定電子質量為假定電子質量為m，正離子質量為正離子質量為M。復合之前，。復合之前，電子相對于離子的速度為

11、電子相對于離子的速度為 ，復合后形成中性原子速，復合后形成中性原子速度為度為u。中性原子的質量則為。中性原子的質量則為mM。eUi為其電離能。為其電離能。 根據(jù)動量守恒有根據(jù)動量守恒有uMmmv)(根據(jù)動量守恒有根據(jù)動量守恒有22)(2121uMmeUmvi氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎從以上兩式得出從以上兩式得出)()(22無解MMmmeUui說明說明 電子與正離子的二體復合不可能發(fā)生。電子與正離子的二體復合不可能發(fā)生。三體碰撞復合三體碰撞復合輻射復合輻射復合氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 正負離子間的復合正負離子間的復合（a）輻射復合輻射復合 X - +Y+ XY +h （b）電荷交換

12、電荷交換 X - +Y+ XY（c）三體復合三體復合 X - +Y+Z XY +Z 由于正、負離子間的相對運動速度比較小，所以由于正、負離子間的相對運動速度比較小，所以離子復合幾率比電子復合幾率大得多。離子復合幾率比電子復合幾率大得多。 在能夠形成負離子的氣體中，體積復合大多分兩在能夠形成負離子的氣體中，體積復合大多分兩步進行，首先是電子和原子結合形成負離子，然后負步進行，首先是電子和原子結合形成負離子，然后負離子再與正離子發(fā)生復合。離子再與正離子發(fā)生復合。3. 帶電粒子的電荷轉移帶電粒子的電荷轉移EBABAEBABA*EBABA*4負離子的形成負離子的形成中性原子捕獲電子形成負離子中性原子捕

13、獲電子形成負離子hAAe三體碰撞三體碰撞BABAe分解吸附分解吸附YXXYXYe*)(分子氣體與電子碰撞產生離子對分子氣體與電子碰撞產生離子對eYXXYe重粒子間的電荷轉移產生離子對重粒子間的電荷轉移產生離子對BABA氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帶電粒子在氣體中的運動帶電粒子在氣體中的運動 帶電粒子的熱運動帶電粒子的熱運動 帶電粒子的擴散運動帶電粒子的擴散運動 帶電粒子的漂移運動帶電粒子的漂移運動氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帶電粒子的熱運動帶電粒子的熱運動（1）帶電粒子的速度分布與平均動能）帶電粒子的速度分布與平均動能麥克斯韋分布：麥克斯韋分布：氣體放電

14、物理基礎氣體放電物理基礎三種統(tǒng)計速度：三種統(tǒng)計速度：最可幾速度最可幾速度mkTp2平均速度平均速度pmkT13. 18方均根速度方均根速度psmkT22. 132帶電粒子的平均動能：帶電粒子的平均動能：TTTTkTMMmniesnnsiisee,23212121222氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帶電粒子的平均自由程及其分布律帶電粒子的平均自由程及其分布律分子平均自由程分子平均自由程nr2241離子平均自由程離子平均自由程i電子平均自由程電子平均自由程nre2124電子自由程分布律電子自由程分布律)exp(eexxnn氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎雜亂電流密度雜亂電流密度 在無外場作用時，

15、帶電離子在氣體中的無規(guī)則在無外場作用時，帶電離子在氣體中的無規(guī)則熱運動，在宏觀上對外并不表現(xiàn)出電流。但在電熱運動，在宏觀上對外并不表現(xiàn)出電流。但在電離氣體中，某一指定方向的單位面積上，在單位離氣體中，某一指定方向的單位面積上，在單位時間內有一定量的帶電粒子通過。時間內有一定量的帶電粒子通過。 電離氣體中的雜亂電子、離子流密度為電離氣體中的雜亂電子、離子流密度為eeeenj41iiienj41氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帶電粒子在氣體中的遷移運動帶電粒子在氣體中的遷移運動離子遷移速度離子遷移速度iiKu 電子遷移速度電子遷移速度eeKu 通過氣體的電流通過氣體的電流iieeieuenuenj

16、jj氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎離子遷移率（Longevin公式）iiMeaK 溫度為0C，氣體壓強為133Pa氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎電子遷移率4eeimeCK 電子在每次碰撞中傳給氣體粒子的平均能量百分數(shù)氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帶電粒子在氣體中的擴散運動電子擴散系數(shù)離子擴散系數(shù)eeeD31iiiD31由于ei， ei ，所以DeDi。愛因斯坦關系式ekTKDeeeekTKDiii帶電粒子的雙極性擴散運動帶電粒子的濃度分布隨時間的變化氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎湯生放電自 持暗放電輝光放電弧光放電自持放電非自持放電Vf10-1610-1

17、410-1210-110-210-310-410-510-610110010-1002004006008001000ABCDEVREaIFGHVa(V)I(A)氣體發(fā)生穩(wěn)定放電的區(qū)域：正常輝光放電區(qū)(EF) 反常輝光放電區(qū)(FG) 弧光放電區(qū)(GH)氣體放電的伏安特性氣體放電的伏安特性 為了描述氣體放電中的電離現(xiàn)象，湯生提出了三種為了描述氣體放電中的電離現(xiàn)象，湯生提出了三種電離過程，并引出三個對應的電離系數(shù)：電離過程，并引出三個對應的電離系數(shù)：（1 1） 湯生第一電離系數(shù)湯生第一電離系數(shù)系數(shù)。它是指每個電子系數(shù)。它是指每個電子在沿電場反方向運行單位距離的過程中，與氣體原子發(fā)在沿電場反方向運行單

18、位距離的過程中，與氣體原子發(fā)生碰撞電離的次數(shù)。生碰撞電離的次數(shù)。氣體的擊穿和巴邢定律氣體的擊穿和巴邢定律電電子子繁繁流流示示意意圖圖氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎（2 2）湯生第二電離系數(shù)）湯生第二電離系數(shù)系數(shù)。它是指系數(shù)。它是指一個正離子沿電場方向運行單位路程所產一個正離子沿電場方向運行單位路程所產生的碰撞電離次數(shù)。生的碰撞電離次數(shù)。 （3 3） 湯生第三電離系數(shù)湯生第三電離系數(shù) 系數(shù)。它是系數(shù)。它是指每個正離子打上陰極表面時，產生的二指每個正離子打上陰極表面時，產生的二次電子發(fā)射數(shù)。次電子發(fā)射數(shù)。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 當一個電子由陰極方向進入當一個電子由陰極方向進入dx層，則

19、在層，則在dx層中將產生層中將產生dx個電子。如果在個電子。如果在x處，單位時間處，單位時間通過單位面積的電子數(shù)為通過單位面積的電子數(shù)為n，則則經過經過dx層后，新產生的電子數(shù)層后，新產生的電子數(shù)為為ndx，dxndn 如已知邊界條件為如已知邊界條件為x0，nn。，。，則在均勻電場中則在均勻電場中(常數(shù)常數(shù))，對式上積分，得，對式上積分，得xdxenennx000（1）（2）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 如極間距離為如極間距離為d，則到達陽極的電子數(shù)則到達陽極的電子數(shù)0dnn e相應的電子流密度為相應的電子流密度為0djj e從陽極發(fā)射的從陽極發(fā)射的n0個電子，在到達陽極過程中，因個電子，

20、在到達陽極過程中，因作用在作用在空間新產生的電子數(shù)為空間新產生的電子數(shù)為na- n0 。這些也是新產這些也是新產生的正離子數(shù)。如果忽略正離子在空間的碰撞電離作用生的正離子數(shù)。如果忽略正離子在空間的碰撞電離作用( 0)，就有就有 個正離子轟擊陰極，它們將在陰極上新個正離子轟擊陰極，它們將在陰極上新產生產生 個電子。個電子。) 1(0den) 1(0den) 1(0den（3）（4）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 假定假定n0是外界電離源，它的大小不隨時間變化。把它是外界電離源，它的大小不隨時間變化。把它看成第一周期從陰極發(fā)射的電子。到了第二周期陰極單位看成第一周期從陰極發(fā)射的電子。到了第二周期

21、陰極單位時間、單位面積發(fā)射的它于數(shù)等于時間、單位面積發(fā)射的它于數(shù)等于 。令令依次類推，可以寫出第三、第四、依次類推，可以寫出第三、第四、周期、陰極單位時周期、陰極單位時間、單位面積發(fā)射的電子數(shù)以及到達陽極的電子數(shù)。經過間、單位面積發(fā)射的電子數(shù)以及到達陽極的電子數(shù)。經過無限周期以后，到達陽極的電子數(shù)為無限周期以后，到達陽極的電子數(shù)為其極限值為其極限值為) 1(00denn) 1(0den)1 (320 daenn) 1(1100dddaeenenn（5）（6）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎電子繁流過程中，陰極發(fā)出的電子數(shù)和到達陽極的電子數(shù)電子繁流過程中，陰極發(fā)出的電子數(shù)和到達陽極的電子數(shù)氣體放

22、電物理基礎氣體放電物理基礎相應的電子流密度為相應的電子流密度為) 1(10ddaeejj相應的極間電壓為自持放電的擊穿電壓或著火電壓。相應的極間電壓為自持放電的擊穿電壓或著火電壓。 當分母為零，分子也趨于零時，當分母為零，分子也趨于零時，ja仍可以為有限值。仍可以為有限值。這表明，當外界電離源去除，即使初始電流這表明，當外界電離源去除，即使初始電流j00，放放電仍然繼續(xù)進行，這就形成了自持放電。因此放電著電仍然繼續(xù)進行，這就形成了自持放電。因此放電著火火(或稱擊穿或稱擊穿)的條件為的條件為1) 1(de（7）（8）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 定量分析定量分析 與場強與場強 和氣壓和氣壓P

23、關系時的近似假設：關系時的近似假設：(1)電場較強，電子在氣體中以定向運動為主，忽略亂向熱電場較強，電子在氣體中以定向運動為主，忽略亂向熱運動；運動；(2)電子和氣體原子每次磁撞后，沿電場方向的初速度為零；電子和氣體原子每次磁撞后，沿電場方向的初速度為零； (3)電子在一個自由程中從電場獲得能量電子在一個自由程中從電場獲得能量Eee，只要，只要ee eUi，則電離幾率為則電離幾率為1；如果；如果eeeUi，電離幾率為電離幾率為零。零。 根據(jù)假設根據(jù)假設(1)和和 的定義，的定義， 系數(shù)應等于電子在系數(shù)應等于電子在1cm路路程中與氣體原子的平均碰撞次數(shù)和電離幾率的乘積，即程中與氣體原子的平均碰撞

24、次數(shù)和電離幾率的乘積，即電離幾率e1（9）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 確確 根據(jù)假設根據(jù)假設(2)和和(3)，當電子在一個自由程中獲得，當電子在一個自由程中獲得的能量的能量ee等于或大于原子電離能等于或大于原子電離能eUi時，就一定產生時，就一定產生電離碰撞。即當電子在兩次碰撞間的自由程滿足電離碰撞。即當電子在兩次碰撞間的自由程滿足iiU可產生電離碰撞。因此自由程大于可產生電離碰撞。因此自由程大于Ui/ 的幾率，就的幾率，就是電離幾率。根據(jù)自由程分布規(guī)律，立即可得是電離幾率。根據(jù)自由程分布規(guī)律，立即可得)exp(eiU電離幾率（10）（11）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎將式將式(11

25、)代入式代入式(9)，得，得)exp(1eieU令令 ，P為氣體壓強。又令為氣體壓強。又令B=AUi。代入式（代入式（12）得）得APe1（12）)exp(BPAP或或)()exp(PfPBAP（13）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎幾種氣體的巴邢曲線幾種氣體的巴邢曲線 Vf(V)11010-1102102103104Pd(1.33Pa.m)Ne-Ar(0.1%)NeArH2Hg空氣(Pd)minVfmin帕邢帕邢(Paschen)定律定律 在氣體種類、電極材在氣體種類、電極材料等條件不變時，著火電料等條件不變時，著火電壓壓Ub不僅單獨和壓強不僅單獨和壓強P或極或極間距離間距離d有關，而且和有

26、關，而且和Pd的的乘積有關乘積有關 Ub=f（Pd）（14）Ub與與Pd的函數(shù)關系的推導：的函數(shù)關系的推導：根據(jù)著火條件根據(jù)著火條件 ， 系數(shù)必須滿足系數(shù)必須滿足1) 1(de1ln1d（15）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎據(jù)式據(jù)式(13)exp(BPAP（16）從式從式(15)和和(16)相等，可得相等，可得)exp(1ln1bUBPdAPd上式兩邊取對數(shù)上式兩邊取對數(shù)bUBPdPdAln)1ln1ln(整理后得整理后得)1ln(ln)ln(ApdBpdUb（17）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎)11ln(72. 2minABUbApd)11ln(72. 2)(min因而因而 令令常數(shù))

27、11ln(lnAC)(lnPdfCPdBPdUb（18）從從 ，可得最低著火點：，可得最低著火點：0)(PdddUb（19）（20）氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎帕邢定律的物理意義：帕邢定律的物理意義： 電子從陰極到陽極全部路程電子從陰極到陽極全部路程d內，所產生的總內，所產生的總碰撞次數(shù)為碰撞次數(shù)為PddNed而電子在一個平均自由程中從電場獲得的能量為而電子在一個平均自由程中從電場獲得的能量為PddUeeEee1因電子碰撞電離幾率因電子碰撞電離幾率 E 1/Pd，因此無論改變壓強因此無論改變壓強P或極間距離或極間距離d，只要只要Pd乘積不變，則乘積不變，則Nd和電離幾率和電離幾率都不變，也

28、就是電子從陰極到陽極所產生的總電離都不變，也就是電子從陰極到陽極所產生的總電離碰撞次數(shù)不變，著火電壓也不變。碰撞次數(shù)不變，著火電壓也不變。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎存在存在Ub的物理解釋：的物理解釋： 當當p不變，而不變，而d由小增大時，由小增大時，E變小，變小， 變小，但變小，但 d的乘的乘積可能增大也可能減小，因此存在最佳放電狀態(tài)。積可能增大也可能減小，因此存在最佳放電狀態(tài)。 當當d不變，而不變，而p增大時，電子在一個自由程中獲得的能量增大時，電子在一個自由程中獲得的能量減小，電離幾率下降，這對放電不利；但另一方面電子在極減小，電離幾率下降，這對放電不利；但另一方面電子在極間碰撞總數(shù)

29、增大，這對放電發(fā)展有利，因此也存在最佳放電間碰撞總數(shù)增大，這對放電發(fā)展有利，因此也存在最佳放電狀態(tài)。狀態(tài)。 當當pd乘積從小到大發(fā)生變化時，一方面因碰撞次數(shù)增乘積從小到大發(fā)生變化時，一方面因碰撞次數(shù)增多，有利于放電發(fā)展；另一方面，因電子在一個自由程中獲多，有利于放電發(fā)展；另一方面，因電子在一個自由程中獲得能量減小，不利于放電的發(fā)展。綜合兩方面的影響因素，得能量減小，不利于放電的發(fā)展。綜合兩方面的影響因素，存在最小著火電壓。存在最小著火電壓。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎湯生放電理論的缺陷：湯生放電理論的缺陷：1) 1(de) 1(10ddaeejj自持放電的條件：自持放電的條件：則由則由氣體

30、放電物理基礎氣體放電物理基礎若若j0 0， ja .無法說明著火以后，自持放電的發(fā)展情況。無法說明著火以后，自持放電的發(fā)展情況。原因：原因： 沒有考慮繁流過程中，逐漸增長的空間電荷對電沒有考慮繁流過程中，逐漸增長的空間電荷對電場畸變造成的影響。場畸變造成的影響。羅果夫斯基的空間電荷理論羅果夫斯基的空間電荷理論氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎已知空間電荷分布，由泊松方程可得電場和電位分布為已知空間電荷分布，由泊松方程可得電場和電位分布為202d Udx 空間電荷影響下的電位分布空間電荷影響下的電位分布空間電荷影響下的電場分布空間電荷影響下的電場分布氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎放電發(fā)展過程中，

31、極間電位分布的變化放電發(fā)展過程中，極間電位分布的變化影響氣體放電著火電壓的因素影響氣體放電著火電壓的因素 pd值的作用值的作用 巴邢定律表明，當其它因素不變時，巴邢定律表明，當其它因素不變時，pdpd值的值的變化對著火電壓的變化起了決定性的作用。因此變化對著火電壓的變化起了決定性的作用。因此，PDPPDP中充入氣體的壓強和電極間隙對中充入氣體的壓強和電極間隙對PDPPDP的著火的著火電壓有很大影響。電壓有很大影響。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 氣體種類和成分的影響氣體種類和成分的影響 值和擊穿電壓值和擊穿電壓Ub值，都與氣體的性質值，都與氣體的性質(種類和氣壓種類和氣壓)有關，并主要由電子

32、與一定氣體粒子發(fā)生碰撞的過程有關，并主要由電子與一定氣體粒子發(fā)生碰撞的過程來決定。來決定。 氣體的電離電位對擊穿電位的影響是另一個重要氣體的電離電位對擊穿電位的影響是另一個重要的因素，在其他條件不變的情況下，通常電離電位越大的因素，在其他條件不變的情況下，通常電離電位越大的氣體，它的擊穿電位就越大。的氣體，它的擊穿電位就越大。 如果碰撞時電子還未達到足以使氣體電離的速度如果碰撞時電子還未達到足以使氣體電離的速度，電子與這種氣體粒子碰撞損失的平均能量較大，那么，電子與這種氣體粒子碰撞損失的平均能量較大，那么這種氣體被擊穿所需要的電場強度就大，相應地要求擊這種氣體被擊穿所需要的電場強度就大，相應地

33、要求擊穿電位也高。穿電位也高。 氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 在放電管內有兩種氣體的混合物時，在放電管內有兩種氣體的混合物時，Ub不能簡單不能簡單地用混合方法以混合氣體的濃度去計算?；旌蠚怏w的地用混合方法以混合氣體的濃度去計算?；旌蠚怏w的擊穿現(xiàn)象往往與純粹氣體完全不同。擊穿現(xiàn)象往往與純粹氣體完全不同。氮氮氫氫混合氣混合氣體的最體的最小著火小著火電壓與電壓與Pd的的關系關系氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎空氣中水蒸空氣中水蒸氣含量對放氣含量對放電擊穿電位電擊穿電位的影響的影響（平面電極（平面電極極距為極距為d49310-3 m ，空氣空氣壓強為壓強為400Pa） 當空氣中所含水蒸氣量減少時，

34、擊穿電壓會隨當空氣中所含水蒸氣量減少時，擊穿電壓會隨著減少。當空氣繼續(xù)干燥時，在水蒸氣分壓強約著減少。當空氣繼續(xù)干燥時，在水蒸氣分壓強約為為3Pa附近時擊穿電位開始重新上升。附近時擊穿電位開始重新上升。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 在氖氣中混入少量氬氣能使氣體的擊穿電壓降低，在氖氣中混入少量氬氣能使氣體的擊穿電壓降低，其降低量由氬氣的混合量決定。這種現(xiàn)象就是放電中潘其降低量由氬氣的混合量決定。這種現(xiàn)象就是放電中潘寧效應的結果。這種效應在氖寧效應的結果。這種效應在氖汞混合氣體中也存在。汞混合氣體中也存在。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎潘寧電離：潘寧電離： 設設A、B為不同種類的原子，原子為

35、不同種類的原子，原子A的亞穩(wěn)激發(fā)電的亞穩(wěn)激發(fā)電位大于原子位大于原子B的電離電位，亞穩(wěn)原子的電離電位，亞穩(wěn)原子A* 與基態(tài)原子與基態(tài)原子B碰撞時，使碰撞時，使B電離，變?yōu)榛鶓B(tài)正離子電離，變?yōu)榛鶓B(tài)正離子B+（或激發(fā)態(tài)正或激發(fā)態(tài)正離子離子B+*），），而亞穩(wěn)原子而亞穩(wěn)原子A*降低到較低能態(tài)，或變?yōu)榻档偷捷^低能態(tài)，或變?yōu)榛鶓B(tài)原子基態(tài)原子A. . A*+BA+B+（或或B+*）+e由于亞穩(wěn)原子平均壽命是由于亞穩(wěn)原子平均壽命是10-4 10-2s ，因此潘寧電離因此潘寧電離的幾率較高，使得基本氣體的有效電離電位明顯降低的幾率較高，使得基本氣體的有效電離電位明顯降低。另外，著火電壓下降的大小還與兩種氣體的性

36、質和。另外，著火電壓下降的大小還與兩種氣體的性質和它們量的混合比有非常密切的關系。它們量的混合比有非常密切的關系。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎陰極材料和表面狀況的影響陰極材料和表面狀況的影響 在各種在各種陰極材陰極材料的平料的平板電圾板電圾之間氬之間氬氣的擊氣的擊穿電壓穿電壓隨隨Pd的的變化變化氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎 輔助電離源的影響輔助電離源的影響 使用輔助電離源來加快帶電粒子的形成，也可以使使用輔助電離源來加快帶電粒子的形成，也可以使著火電壓降低。著火電壓降低。 例如：例如： 人工加熱陰極產生熱電子發(fā)射，取代人工加熱陰極產生熱電子發(fā)射，取代 發(fā)射過程發(fā)射過程的作用；的作用；

37、用紫外光照射陰極，使陰極產生光電發(fā)射；用紫外光照射陰極，使陰極產生光電發(fā)射； 放射性物質靠近放電管，放射性射線引起氣體放射性物質靠近放電管，放射性射線引起氣體電離；電離； 通過預放電提供初始的帶電粒子等可以大大降通過預放電提供初始的帶電粒子等可以大大降低著火電壓。低著火電壓。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎電場分布的影響電場分布的影響 電場分布對電場分布對湯生湯生 系數(shù)和系數(shù)和 系系數(shù)的數(shù)值與分布數(shù)的數(shù)值與分布起決定性作用，起決定性作用，影響氣體中電子影響氣體中電子與離子的運動軌與離子的運動軌跡以及電子雪崩跡以及電子雪崩過程。過程。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎同軸圓筒電極系統(tǒng)，中心電極不同

38、極性，著火電壓與氣壓的關系輝光放電的發(fā)光輝光放電的發(fā)光 基本特征：基本特征： (1) 放電時，在放電空間呈現(xiàn)明暗相間、有一定分布規(guī)放電時，在放電空間呈現(xiàn)明暗相間、有一定分布規(guī)律的光區(qū)。律的光區(qū)。 (2) 由于著火后，空間電荷引起的電場畸變使放電空間由于著火后，空間電荷引起的電場畸變使放電空間電位基本上分成兩段：陰極位降區(qū)和正柱區(qū)。在陰極位降電位基本上分成兩段：陰極位降區(qū)和正柱區(qū)。在陰極位降區(qū)中產生電子繁流過程，滿足放電自持條件，故它是維持區(qū)中產生電子繁流過程，滿足放電自持條件，故它是維持輝光放電必不可少的部分。輝光放電必不可少的部分。 (3) 管壓降明顯低于著火電壓，并且不隨電流而變。電管壓降

39、明顯低于著火電壓，并且不隨電流而變。電流為毫安級。電流密度為流為毫安級。電流密度為 A/cm2至至mA/cm2數(shù)量級。數(shù)量級。 (4) 陰極電子發(fā)射主要是陰極電子發(fā)射主要是 過程。過程。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強電 位場 強空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V正常輝光放電的光區(qū)分布：正常輝光放電的光區(qū)分布：一個充氖的冷陰極放電管長一個充氖的冷陰極放電管長50cm，氣氣壓壓P133Pa，在正常輝光放電時的光在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布區(qū)和電參量分布(1)阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū) 由于受正離子轟擊從陰極發(fā)由

40、于受正離子轟擊從陰極發(fā)射出來的二次電子初速很小，不射出來的二次電子初速很小，不具備激發(fā)條件。由于沒有受激原具備激發(fā)條件。由于沒有受激原子，因而是暗區(qū)。子，因而是暗區(qū)。(2)陰極光層陰極光層 電子在通過阿斯頓暗區(qū)以后，電子在通過阿斯頓暗區(qū)以后，從電場中獲得了一定的能量，足從電場中獲得了一定的能量，足以產生激發(fā)碰撞，使氣體發(fā)光。以產生激發(fā)碰撞，使氣體發(fā)光。但電子數(shù)量不大，激發(fā)很微弱。但電子數(shù)量不大，激發(fā)很微弱。氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強電 位場 強空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V(3)陰極暗區(qū)陰極暗區(qū) 電

41、子離開陰極后，電子離開陰極后，到這里獲得的能量愈來到這里獲得的能量愈來愈大，甚至超過了激發(fā)愈大，甚至超過了激發(fā)幾率的最大值，于是激幾率的最大值，于是激發(fā)減少，發(fā)光減弱。在發(fā)減少，發(fā)光減弱。在這個區(qū)域內，電子能量這個區(qū)域內，電子能量已超過電離電位，引起已超過電離電位，引起了大量的碰撞電離，繁了大量的碰撞電離，繁流放電集中在這里發(fā)生。流放電集中在這里發(fā)生。在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎(4)負輝區(qū)負輝區(qū) 進入負輝區(qū)的電子可以進入負輝區(qū)的電子可以分為兩類分為兩類: 快電子和慢電子快電子和慢電子。慢速電子是多數(shù)，它們在負慢速電子是多

42、數(shù)，它們在負輝區(qū)產生許多激發(fā)碰撞，因輝區(qū)產生許多激發(fā)碰撞，因而產生明亮的輝光。而產生明亮的輝光。 在陰極暗區(qū)，因離子濃在陰極暗區(qū)，因離子濃度很高，它們會向負輝區(qū)擴度很高，它們會向負輝區(qū)擴散，因而負輝區(qū)中，電子和散，因而負輝區(qū)中，電子和正離子的濃度都很大，而電正離子的濃度都很大，而電場很弱，幾乎是無場空間。場很弱，幾乎是無場空間。負輝區(qū)中電子和正離子濃度負輝區(qū)中電子和正離子濃度比正柱區(qū)中約大比正柱區(qū)中約大20倍。倍。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強電 位場 強空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時

43、的光區(qū)和電參量分布氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎（5）法拉第暗區(qū)）法拉第暗區(qū) 這是一個處于負這是一個處于負輝區(qū)和正柱區(qū)之間的輝區(qū)和正柱區(qū)之間的過渡區(qū)。由于電子在過渡區(qū)。由于電子在負輝區(qū)中損失了很多負輝區(qū)中損失了很多能量，進入這個區(qū)域能量，進入這個區(qū)域以后，便沒有足夠的以后，便沒有足夠的能量來產生激發(fā)，所能量來產生激發(fā)，所以是暗區(qū)。以是暗區(qū)。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強電 位場 強空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎（6）正柱區(qū)）正柱區(qū) 在

44、任何位置電子密度和正離在任何位置電子密度和正離子密度相等，凈空間電荷為零。子密度相等，凈空間電荷為零。電場沿管軸均勻分布。因正離子電場沿管軸均勻分布。因正離子的遷移率很小，放電電流主要是的遷移率很小，放電電流主要是電子流。正柱區(qū)中有一定的軸向電子流。正柱區(qū)中有一定的軸向電場強度，電子從電場中獲得一電場強度，電子從電場中獲得一定的能量，產生一定數(shù)量的碰撞定的能量，產生一定數(shù)量的碰撞電離和激發(fā)。電離和激發(fā)。 （7）陽極區(qū)）陽極區(qū) 在該區(qū)有時可以看見陽極暗在該區(qū)有時可以看見陽極暗區(qū)，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽區(qū)，在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽極上的陽極輝光。極上的陽極輝光。Vc輝光放電的光區(qū)分布光 強電 位

45、場 強空間電荷密度阿斯頓暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極暗區(qū)負輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝區(qū)IEZn_n+V在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布在正常輝光放電時的光區(qū)和電參量分布氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎氣體放電物理基礎正常輝光放電規(guī)律：正常輝光放電規(guī)律： (1)在正常輝光放電時，放電僅僅發(fā)生在陰極表面的一在正常輝光放電時，放電僅僅發(fā)生在陰極表面的一部分面積上，隨著放電電流的增大，陰極表面的輝光面積也部分面積上，隨著放電電流的增大，陰極表面的輝光面積也隨之增大，而在這個過程中，陰極電流密度隨之增大，而在這個過程中，陰極電流密度jcn則保持不變，則保持不變，陰極位降陰極位降Ucn也保持常數(shù)。當陰極面積全部被輝光覆蓋后，也保持常數(shù)。