氣體放電的物理過(guò)程1

1、會(huì)計(jì)學(xué)1氣體放電的物理過(guò)程氣體放電的物理過(guò)程12 2、湯遜理論、湯遜理論l只有電子崩過(guò)程是不會(huì)發(fā)生自持放電的。只有電子崩過(guò)程是不會(huì)發(fā)生自持放電的。l自持放電，必須初始電子崩消失自持放電，必須初始電子崩消失前前產(chǎn)生產(chǎn)生新的電子（新的電子（二次電子）二次電子）來(lái)取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。來(lái)取代外電離因素產(chǎn)生的初始電子。l二次電子的產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積二次電子的產(chǎn)生機(jī)制與氣壓和氣隙長(zhǎng)度的乘積 有關(guān)有關(guān)。 l 值值較小較小時(shí)自持放電的條件可用時(shí)自持放電的條件可用湯遜理論湯遜理論來(lái)說(shuō)明；來(lái)說(shuō)明；l 值值較大較大時(shí)則要用時(shí)則要用流注理論流注理論來(lái)解釋。來(lái)解釋。l這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說(shuō)明廣

2、闊的這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說(shuō)明廣闊的pd（范圍內(nèi)氣（范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象體放電的現(xiàn)象 pdpdpd（1） 過(guò)程與自持放電條件過(guò)程與自持放電條件 過(guò)程：產(chǎn)生二次電子的過(guò)程過(guò)程：產(chǎn)生二次電子的過(guò)程電子崩中的正離子在返回陰極時(shí)，由于其具有的位能和電子崩中的正離子在返回陰極時(shí)，由于其具有的位能和動(dòng)能，撞擊陰極時(shí)引起陰極表面電離，產(chǎn)生動(dòng)能，撞擊陰極時(shí)引起陰極表面電離，產(chǎn)生 二次電子二次電子正負(fù)離子復(fù)合時(shí)，以及分子由激勵(lì)態(tài)躍遷回正常態(tài)時(shí)，正負(fù)離子復(fù)合時(shí)，以及分子由激勵(lì)態(tài)躍遷回正常態(tài)時(shí)，所產(chǎn)生的光子到達(dá)陰極表面都將引起陰極表面電離，所產(chǎn)生的光子到達(dá)陰極表面都將引起陰極表面電離，統(tǒng)稱統(tǒng)稱為為過(guò)程過(guò)程。系數(shù)：

3、表面電離系數(shù)系數(shù)：表面電離系數(shù)一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)產(chǎn)生的二次電子數(shù)一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)產(chǎn)生的二次電子數(shù)de推導(dǎo)推導(dǎo)自持放電條件自持放電條件：) 1(de) 1(de) 1(den設(shè)設(shè)外界外界電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電子，此電電離因素在陰極表面產(chǎn)生了一個(gè)自由電子，此電子到達(dá)陽(yáng)極表面時(shí)由于子到達(dá)陽(yáng)極表面時(shí)由于過(guò)程，電子總數(shù)增至過(guò)程，電子總數(shù)增至：n在在d行程中，產(chǎn)生總電子數(shù)為：行程中，產(chǎn)生總電子數(shù)為：n極空間正離子極空間正離子數(shù)為數(shù)為 ： n由由系數(shù)的定義，正離子在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出新電系數(shù)的定義，正離子在到達(dá)陰極表面時(shí)可撞出新電子子數(shù)為：數(shù)為：n這些電子在電極空間的碰撞電離同樣

4、又能產(chǎn)生更多的正這些電子在電極空間的碰撞電離同樣又能產(chǎn)生更多的正離子，如此循環(huán)下去離子，如此循環(huán)下去。自持放電條件為 ：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來(lái)的：一個(gè)正離子撞擊到陰極表面時(shí)產(chǎn)生出來(lái)的二次電子數(shù)二次電子數(shù) ：電子碰撞電離系數(shù)：電子碰撞電離系數(shù)：兩極板距離：兩極板距離d一個(gè)電子在自己進(jìn)入陽(yáng)極后可以由一個(gè)電子在自己進(jìn)入陽(yáng)極后可以由 及及 過(guò)程在陰極上過(guò)程在陰極上又產(chǎn)生一個(gè)新的替身，從而無(wú)需外電離因素放電即可又產(chǎn)生一個(gè)新的替身，從而無(wú)需外電離因素放電即可繼續(xù)進(jìn)行下去。繼續(xù)進(jìn)行下去。1) 1(de11deade1自持放電條件可寫(xiě)為：自持放電條件可寫(xiě)為：1ade外加電場(chǎng)增外加電場(chǎng)增大到一定程大

5、到一定程度，才能滿度，才能滿足自持放電足自持放電條件條件1)1(0dxade不均勻電場(chǎng)中，各處的不均勻電場(chǎng)中，各處的 值不同，自持放電條件為值不同，自持放電條件為：aTownsend放電理論總結(jié)：放電理論總結(jié)：外界電離因子外界電離因子陰極表面電離陰極表面電離氣體空間電離氣體空間電離氣體中的自由電子氣體中的自由電子在電場(chǎng)中加速在電場(chǎng)中加速碰撞電離碰撞電離電子崩電子崩a（ 過(guò)程）過(guò)程）正離子正離子陰極表面二次發(fā)射陰極表面二次發(fā)射（ 過(guò)程）過(guò)程） 當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所當(dāng)自持放電條件得到滿足時(shí)，就會(huì)形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去示的循環(huán)不息的

6、狀態(tài)，放電就能自己維持下去 （2）湯遜理論的適用范圍湯遜理論的適用范圍： 低氣壓、短間距、均勻電場(chǎng)低氣壓、短間距、均勻電場(chǎng)npdpd較大時(shí)，湯遜理論不再適用的主要原因是：較大時(shí)，湯遜理論不再適用的主要原因是：n忽略了帶電質(zhì)點(diǎn)改變電場(chǎng)分布忽略了帶電質(zhì)點(diǎn)改變電場(chǎng)分布n忽略了光電離忽略了光電離 1.1.4 巴申定律與適用范圍)(pdfUb 1、巴申定律、巴申定律)()11ln()(ln)(pdfpdApdBubA A、B B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，u ub b為氣溫不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙擊穿電壓。為氣溫不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體的自持放電起始電壓等于氣隙

7、擊穿電壓。當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓當(dāng)氣體成份和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓( (u ub b) )是氣壓是氣壓( (p p) )和極間距離和極間距離( (d d) )乘積的函數(shù)。乘積的函數(shù)。EBPEUApeei1) 11ln(bUBpdApde)/11ln(lnApdBpdUbpdfUb1) 11ln(111) 1(deedd將將 的計(jì)算式代入自持放電條件的計(jì)算式代入自持放電條件擊穿電壓：擊穿電壓：dUEb 巴申曲線表明，改變極間距離巴申曲線表明，改變極間距離d的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓的同時(shí)，也相應(yīng)改變氣壓p而使而使pd的乘積不變，則極間距離不等的的乘積不變，則極間距離不

8、等的Ub卻彼此相等；卻彼此相等；其次 Ub不是pd的單調(diào)函數(shù)，而是U型曲線，有極小值型曲線，有極小值325V0.55Umin不是不是出現(xiàn)在常出現(xiàn)在常壓下，而壓下，而是出現(xiàn)在是出現(xiàn)在低氣壓低氣壓，即空氣相即空氣相對(duì)密度很對(duì)密度很小的情況小的情況下。下。bpUd電離概率電子自由行程碰撞次數(shù)一定bdUdUEp電離概率碰撞次數(shù)一定)/(bpUd電離概率電子自由行程碰撞次數(shù)一定bdUdUEp電離概率碰撞次數(shù)一定)/(巴申定律曲線呈巴申定律曲線呈U型，可解釋如下：型，可解釋如下：對(duì)于氣溫非恒定的情況對(duì)于氣溫非恒定的情況)(pdfUb改寫(xiě)改寫(xiě))( dFUb是氣體相對(duì)密度：相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件是氣體相對(duì)密度：相

9、對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件 Ps=101.3KPa，Ts=293KTPTPPTss9 . 2補(bǔ)充：氣體放電的流注理論補(bǔ)充：氣體放電的流注理論 Pd26.66kPacm（200mmHgcm）時(shí)，）時(shí)，一些無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象一些無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象 例如自然界的雷電，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與例如自然界的雷電，它發(fā)生在兩塊雷云之間或雷云與大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與陰極上的大地之間，這時(shí)不存在金屬陰極，因而與陰極上的過(guò)過(guò)程和二次電子發(fā)射根本無(wú)關(guān)。程和二次電子發(fā)射根本無(wú)關(guān)。 電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形電子崩崩頭集中著電子，其后是正離子，形狀似半球形錐體；錐體； 空間電

10、荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)空間電荷分布極不均勻，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了電子崩內(nèi)部的電場(chǎng)；，削弱了電子崩內(nèi)部的電場(chǎng)；（1）電子崩階段）電子崩階段0dxexEexEE合成電場(chǎng)合成電場(chǎng)n 空間電荷畸變外電場(chǎng)空間電荷畸變外電場(chǎng) 大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場(chǎng)，削弱了崩頭內(nèi)正、電場(chǎng)，削弱了崩頭內(nèi)正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場(chǎng)負(fù)電荷區(qū)域之間的電場(chǎng) 電子崩頭部：電子崩頭部：電場(chǎng)明顯增強(qiáng)電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，有利于發(fā)生分子和離子，有利于發(fā)生分子和離子的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)的激勵(lì)現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，放射出到正常狀態(tài)時(shí)，放射出光光子子崩頭內(nèi)部正、負(fù)電荷區(qū)域：崩頭內(nèi)部正、負(fù)

11、電荷區(qū)域：電場(chǎng)大大削弱，有助于發(fā)電場(chǎng)大大削弱，有助于發(fā)生復(fù)合過(guò)程，發(fā)射出生復(fù)合過(guò)程，發(fā)射出光子光子這些光子將導(dǎo)致空間光電離這些光子將導(dǎo)致空間光電離23光電離的作用：二次電子崩光電離的作用：二次電子崩1主電子崩主電子崩 2二次電子崩二次電子崩3流注流注241主電子崩主電子崩2二次電子崩二次電子崩3流注流注（2） 流注階段流注階段25(3)主放電階段：主放電階段：正流注向陰極推進(jìn)正流注向陰極推進(jìn)正流注形成過(guò)程：（當(dāng)外加電壓不是很高時(shí)）正流注形成過(guò)程：（當(dāng)外加電壓不是很高時(shí)） 初崩初崩空間光電離空間光電離二次電子崩二次電子崩匯入初崩匯入初崩流注流注27+-T1t2t3t4t526.66kPacm）

12、只是定性分析。只是定性分析。 認(rèn)為電子碰撞電離及空間認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的光電離是維持自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間主要因素，并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用。電荷畸變電場(chǎng)的作用。 湯遜理論湯遜理論 適用于解釋均勻電場(chǎng)低氣適用于解釋均勻電場(chǎng)低氣壓、短氣隙的情況（壓、短氣隙的情況（pd26.66kPacm） 可定量分析（巴申定律）可定量分析（巴申定律）氣隙的擊穿電壓是氣隙的擊穿電壓是pd的函數(shù)的函數(shù) 認(rèn)為電子碰撞電離是氣體認(rèn)為電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，和陰極放電的主要原因，和陰極上的二次發(fā)射過(guò)程是氣體上的二次發(fā)射過(guò)程是氣體自持放電的決定性因素，自持放電的決定性因素，

13、無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：無(wú)法用湯遜理論解釋的現(xiàn)象：(1).放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道放電外形：在大氣壓下放電不再是輝光放電，而是火花通道 (2). 放電時(shí)間：放電時(shí)間短于正離子在通道中到達(dá)陰極的行程時(shí)間放電時(shí)間：放電時(shí)間短于正離子在通道中到達(dá)陰極的行程時(shí)間 （1）放電外形）放電外形 二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻二次崩的發(fā)展具有不同的方位，所以流注的推進(jìn)不可能均勻，而且具有分支。，而且具有分支。（2）放電時(shí)間）放電時(shí)間 二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非常快。流注發(fā)

14、展非?？?。（3）陰極材料）陰極材料 大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光大氣條件下的氣體放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無(wú)關(guān)。電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無(wú)關(guān)。流注理論的解釋流注理論的解釋1.1.5 不均勻電場(chǎng)中的氣體放電棒棒- -棒間隙棒間隙棒棒- -板間隙板間隙 均勻場(chǎng)：均勻場(chǎng)： 板板板板 稍不均勻場(chǎng)：稍不均勻場(chǎng)： 球球球球 對(duì)稱場(chǎng)對(duì)稱場(chǎng) 同軸圓筒同軸圓筒 極不均勻場(chǎng)：極不均勻場(chǎng)： 棒棒棒棒 棒板棒板 不對(duì)稱場(chǎng)不對(duì)稱場(chǎng) 常見(jiàn)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)：常見(jiàn)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)：不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)稍不均稍不均勻電場(chǎng)勻電場(chǎng)極不均極不均勻電場(chǎng)勻電場(chǎng)全封閉組合電器全

15、封閉組合電器(GIS)的母線筒的母線筒高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量電壓用的球間隙高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量電壓用的球間隙高壓輸電線之間的空氣絕緣高壓輸電線之間的空氣絕緣實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對(duì)墻實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對(duì)墻的空氣絕緣的空氣絕緣不均勻電場(chǎng)中的氣體放電I. I. 電場(chǎng)不均勻程度的劃分電場(chǎng)不均勻程度的劃分III. III. 稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程II. II. 極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程極不均勻電場(chǎng)中的擊穿過(guò)程1 1 電暈放電電暈放電2 2 極性效應(yīng)極性效應(yīng)3 3 長(zhǎng)間隙放電長(zhǎng)間隙放電I.稍不均勻場(chǎng)和極不均勻場(chǎng)的特點(diǎn)和劃分稍不均勻場(chǎng)和極不均勻場(chǎng)的特點(diǎn)和劃分(1) 特點(diǎn)特點(diǎn) 各

16、處場(chǎng)強(qiáng)相差不大各處場(chǎng)強(qiáng)相差不大 放電過(guò)程與均勻電場(chǎng)相似：放電過(guò)程與均勻電場(chǎng)相似： 一旦出現(xiàn)自持放電，便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿，屬一旦出現(xiàn)自持放電，便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿，屬于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無(wú)電暈于流注擊穿，擊穿條件就是自持放電條件，無(wú)電暈產(chǎn)生。產(chǎn)生。 但稍不均勻電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)并非處處相等，但稍不均勻電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)并非處處相等， 電離系電離系數(shù)數(shù)是空間坐標(biāo)是空間坐標(biāo)x的函數(shù)，因此自持放電條件為的函數(shù)，因此自持放電條件為:201ln)(0ddxx稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)極間距增大極間距增大電場(chǎng)不均勻系數(shù)電場(chǎng)不均勻系

17、數(shù)f：vEEfmax:最大電場(chǎng)強(qiáng)度vE:平均電場(chǎng)強(qiáng)度dUEvf1自持放電條件可寫(xiě)為：自持放電條件可寫(xiě)為：1ade外加電場(chǎng)增外加電場(chǎng)增大到一定程大到一定程度，才能滿度，才能滿足自持放電足自持放電條件條件1)1(0dxade不均勻電場(chǎng)中，各處的不均勻電場(chǎng)中，各處的 值不同，自持放電條件為值不同，自持放電條件為：aII. 極不均勻電場(chǎng)的擊穿過(guò)程極不均勻電場(chǎng)的擊穿過(guò)程1.電暈放電電暈放電l 在極不均勻場(chǎng)中，當(dāng)電壓升高到一定程度后，在空氣在極不均勻場(chǎng)中，當(dāng)電壓升高到一定程度后，在空氣間隙完全擊穿之前，大曲率電極間隙完全擊穿之前，大曲率電極(高場(chǎng)強(qiáng)電極高場(chǎng)強(qiáng)電極)附近會(huì)有附近會(huì)有薄薄的發(fā)光層薄薄的發(fā)光層，

18、能聽(tīng)到聲，嗅到臭氧味，并能測(cè)到電流，能聽(tīng)到聲，嗅到臭氧味，并能測(cè)到電流,這種放電現(xiàn)象稱為這種放電現(xiàn)象稱為電暈電暈。l 電暈起始電壓電暈起始電壓Uc ：開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓。開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓。l 電暈起始場(chǎng)強(qiáng)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Ec ：此時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)此時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)。（1）.什么是電暈放電什么是電暈放電c120.330(1)/Em mkV cmrr是導(dǎo)線半徑（是導(dǎo)線半徑（cm） 是氣體相對(duì)密度；是氣體相對(duì)密度；m1表面粗糙度系數(shù)表面粗糙度系數(shù)，理想光滑導(dǎo)線取，理想光滑導(dǎo)線取1，絞線，絞線0.80.9；好天氣時(shí)；好天氣時(shí)m2=1，壞天氣，壞天氣時(shí)時(shí)m2可按可按0.8估算。估算。 cc2lnhUE rr高度為h的單根導(dǎo)線：cc2lnddUE rr距離為 的兩根平行線：一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算，應(yīng)用最廣的是皮克公式，（5）電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)）電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng) 3)、迎