气体放电理论(二)分解

气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。

气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。

气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。

在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。

电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。

在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。

在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。

当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。

这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。

电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。

除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。

当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。

另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。

这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。

综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。

深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。

同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。

希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。

气体放电理论1)简要论述汤逊放电理论。

当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为eas个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；s为间隙距离)。

因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(eas-1)个。

这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r 为正离子的表面游离系数)有效电子，则(eas-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。

即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(eas-1)=1。

2)为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。

随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。

当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。

于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。

这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。

（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。

当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。

一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。

电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。

结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。

负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。

棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。

第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。

流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。

必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。

闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。

击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。

击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。

Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。

放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。

辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。

火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。

主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。

火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。

电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。

如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。

电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。

电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。

电弧放电电流大，电弧温度高。

电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。

2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。

气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。

其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。

气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。

当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。

电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。

电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。

当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。

在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。

这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。

不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。

例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。

辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。

总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。

这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。

气体放电过程的分析摘要:气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘介质。

对气体放电过程进行分析，研究气体电介质的绝缘特性具有十分重要的意义。

而气体放电又受气体间隙、环境电场影响，其过程的分析需要各种理论的支持。

关键字：气体放电、带电质点、气体间隙、电子崩、汤逊理论、流注理论K一、气体中带电质点的产生与消失1．气体中带电质点的产生气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于1。

纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体放电现象。

气体导电的原因：气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。

气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。

2．气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；带电质点的复合。

1）带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射，但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。

其平均速度开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。

这一平均速度称为带电质点的驱引速度。

2）带电质点的扩散带电质点的扩散就是指这些质点会从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。

带电质点的扩散是由杂乱的热运动造成的，而不是由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓度下，离子之间的距离仍大到静电力起不到什么作用的程度。

电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。

气体放电学原理1.碰撞,激发与电离1). 碰撞碰撞分为弹性碰撞与非弹性碰撞, 弹性碰撞只改变电子及分子的运动方向, 非弹性碰撞则引起原子的激发与电离.2). 潘宁效应: Penning Effect若A, B分别为不同种类的原子, 而且, 原子A的激发电位大于原子B的电离电位, 当受激原子A与基态原子B碰撞后,使基态原子B电离,受激原子A的能级降低或变为基态原子A,这种过程称为潘宁碰撞或潘宁效应. 例如: Ne的亚稳态激发电位是16.53V, 大于Ar的电离电位15.69V.3). 电离前的管内电流电压变化原理 (瞬间变化)当电压逐渐增加时,电流逐渐增加; 电压增加到一定程度时, 开始有原子被激发, 电子能量被转移, 此时电流反而减小; 当电压继续增加时, 电子能量继续增加, 电流再次增大.4). 激发与电离规则有效碰撞面积越大, 激发与电离的几率越大电子的运动速度越大, 激发与电离的几率越大; 但电子速度到一定程度时, 来不及与原子发生能量转移, 激发与电离的几率反而减小. 当电子速度非常大时, 激发与电离的几率再次增加.5). 特殊形式的激发与电离∙光致激发与光致电离∙热激发与热电离: 在辉光放电中, 原子热运动很小, 热电离和热激发作用极其微弱,可以忽略; 但在高压气体和超高压气体中的弧光放电, 热电离和热激发过程就必须考虑. 温度越高, 激发和电离越多.∙放射性射线引起的激发和电离α射线引起的电离: 相当于高速正离子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力很大.β射线引起的电离: 相当于高速电子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力较弱.γ射线引起的电离: 相当于能量很大的光引起的光致电离, 穿透力极强,对气体电离作用十分显著.6) 带电粒子的消失带电粒子的消失有两种: a. 带电粒子的复合 b. 带电粒子在外电场作用下跑上电极而消失.带电粒子的复合有空间复合与管壁复合.空间复合: 正负粒子在放电空间相互作用而形成中性粒子,包括电子复合及离子复合.管壁复合: 放电熄灭后,管内电极电位与管壁相同,电子与正离子会从放电空间跑上管壁及电极表面, 并且复合, 这一过程称为管壁复合.7) 汤生电子繁流(电子雪崩)理论电子从阴极跑向阳极的路程中,不断与气体原子发生碰撞电离,新产生的电子也向阳极运动产生更多的电子,电子越来越多, 电子流迅速增长的过程叫做电子繁流或电子雪崩.α: 汤生第一电离系数, 代表电子对气体的空间电离.β: 正离子的空间电离系数, 代表离子对空间气体的电离.γ: 正离子的表面电离系数, 汤生第二电离系数. 代表正离子轰击阴极表面,使阴极逸出二次电子.8) 巴邢(Paschen)定律在其它条件不变时, 击穿电压(着火电压)Ub不是单独地与压强P或极间距d有关,而是与Pd的乘积有关. 随着Pd由小到大, Ub先下降而后上升, 存在一个最小值Umin.A, B是取决于气体种类的常数, C可以看作常数.除了Pd以外, 影响击穿电压(着火电压)的其它因数有:a.气体的种类和成分当基本气体加入少量的杂质气体,即使含量很少,也将明显的改变击穿电压(着火电压).当杂质气体电离电位小于基本气体的亚稳态激发电位,由于潘宁效应,将使击穿电压降低.例如氢氮混合气体, 当基本气体氮掺入不同含量的杂质气体氢时, 可使混合气体的击穿电压有不同程度的降低.气体比例不同击穿电压也不同.在惰性气体中混入双原子分子杂质气体, 往往会使击穿电压升高. 因为双原子分子吸收碰撞能量转换为能级能量或分解,而没有发生电离.b.电极材料和表面状况电极材料主要通过γ系数影响击穿电压.若阴极逸出功低, 则γ较大, 相应的击穿电压也较低. 阴极表面状况对击穿电压也有影响.气体放电管的老化过程就是为了清洁电极表面和纯化工作气体,使击穿电压由极不稳定变为比较稳定.c.电极分布的影响电极的形状应该有利于强电场的形成,以便快速形成击穿电流运动轨迹,制造雪崩放电.d.外界电离源9) 罗果夫斯基理论在电子繁流(电子雪崩)过程中, 电子向阳极运动, 越靠近阳极新产生的电子和正离子越多. 电子速度快,很快跑上阳极消失,而正离子移向阴极的速度很慢, 这样在阳极前面就形成正空间电荷,改变电极间的电位分布,相当于阳极往阴极方向移动.从而电场增强,电离系数α, β和γ也增加了.10) 气体放电种类稳态放电: 辉光放电, 弧光放电, 电晕放电非稳态放电: 低频交流放电, 火花放电, 高频放电和脉冲放电2.气体放电过程1). 气体放电的过程OAB: 无声非自持放电, 没有电子碰撞电离发生BC: 非自持暗放电, 部分电子获得足够的能量引起电子碰撞电离, 放电电流明显增大, 发光很微弱.CD: 由非自持放电过渡到自持放电, C点称为击穿电压(着火电压).EF: 辉光放电, 是一种稳定的小电流自持放电(10-4 ~ 10-1A).FG: 反常辉光放电, 管压很高, 阴极发生强烈的溅射.HI~ In: 弧光放电, 放电电流猛增, 是一种稳定的大电流自持放电, 电流在10-1A以上, 发出比辉光放电强烈得多的光辉.2). 气体放电的维持条件管内条件: 气体成分, 气体压力(密度), 电极形状和位置, 电极材料与表面状况,电流密度等.管外条件: 电源极限功率, 限流电阻R, 外致电离源等.如图中所示, R1>R2, 根据负载线可以看出, R1只有一个交点产生不稳定的暗放电, R2则能有机会产生稳定的弧光放电.3.辉光放电1)正常辉光放电辉光放电是一种高电压低电流的自持放电,阳极发射电子主要靠正离子轰击阴极表面的 过程.放电时管内出现明暗相间的辉光.辉光放电时的管压降比击穿电压(着火电压)低得多.正柱区: 电子和离子浓度很大,而且相等, 称为等离子区.由于带电粒子浓度很大,导电能力很强,因此就像导体一样在气体放电中起着传导电流的作用.负辉区最亮.对于维持放电来说,最重要的是阴极区.从阴极发射出来的电子,仅在阴极区引起电子繁流(电子雪崩), 电子增长在阴极暗区最强.2)反常辉光放电当阴极发射电子面积占满了整个阴极后,若再要增加电流,就必须增加电流密度, 而要增加电流密度又必须增加阴极位降.我们把阴极位降随电流密度而增加得辉光放电叫反常辉光放电.在反常辉光放电中,电流密度越大, 阴极位降越高,阴极位降区的功率损耗越大,在阴极表面产生严重的溅射现象.阴极溅射的一些规律:∙轰击的正离子质量越大,溅射越厉害∙被溅射的颗粒沿直线向各处飞散∙电流密度越大,溅射越厉害∙阴极位降越大,溅射越厉害∙气压越高,阴极溅射越小∙阴极材料不同,溅射不一样4.弧光放电1)弧光放电弧光放电包括热阴极放电和冷阴极放电.∙热阴极: 单独被加热的阴极或被反常辉光放电加热到高温的由难熔材料做成的自持热阴极,阴极上产生强烈的热电子发射,由辉光放电到弧光放电可能是逐渐的过渡曲线.∙冷阴极: 对于铜,铁等自持冷阴极,易蒸发,导热性能好,阴极温度不可能很高,其电子发射一般是场致发射.弧光放电空间可以分为: 阴极区, 阳极区和作为电流导通的等离子区.2)弧光放电的阴极现象在反常辉光放电中,高速正离子轰击阴极,阴极温度陡然升高产生强烈电子发射.这时的阴极发射逐渐地集中到阴极的小部分区域,该处逸出功最小,温度最高, 叫做阴极斑点. 对于阴极来说,阴极斑点一般是不变的.3)弧光放电的正柱区现象正柱区是等离子区域,在该区域内电子数和正离子数是相等的.对于HID来说,由于电子与高密度气体的频繁碰撞,使气体温度升得很高,并且分布不均匀.管轴气体5000~10000K, 管壁气体一般小于1000K, 径向温度梯度达到几千度/毫米. 管轴带电粒子向管壁扩散,由于管壁冷区气体密度大,迁移率小,向管壁扩散的带电粒子对电流的贡献可以忽略.从而有大量的带电粒子在管壁附近复合,因此, 在正光柱周围高密度气体代替管壁起到限制正柱区的作用.正光柱有一个最佳半径: 如果正光柱很粗,电流密度小,气体温度低,电离度小,导电率小,要维持电流就需要加大电场;如果正光柱很细,气体温度高,电离度大,导电率大,但截面积小而不能维持足够的电流,也必须加大电场.4)弧光放电的阳极现象(略)5.技术名词1)光通量: 流明lm单位时间dt内通过单位面积ds的光能量Φ.Φ = Q / dsdt.2)光强度光源在给定方向的单位立体角Ω中发射的光通量.I = Φ / Ω.3)光出度光源单位面积上向半个空间内发出的光通量.M = Φ / S.4)光照度投射在被照物体单位面积上的光通量.E = Φ / S.5)光亮度光源在某一给定方向上的单位投影面上、在单位立体角中发射的光通量.L( ϕ, θ ) = Φ (ϕ, θ ) / S ⋅ cosθ⋅Ω.6)光效: 流明/瓦lm/w.光源所发出的光通量Φ和该光源所消耗的电功率P之比.η= Φ / P.7)显色指数: 百分比%.光源照射在物体上时,使被照物体的颜色再显现出来的能力8)色温: 度K黑体发光是连续光谱, 光谱分布仅仅由温度决定, 就是说知道黑体的温度就等于知道了它的辐射光谱分布. 这种与光谱分布或颜色相关的黑体温度称为色温.9)相关色温: 度 K气体放电光源的光谱能量分布不是连续光谱, 因此不能称色温.光源所发出的光谱与黑体在某一温度下发射的光谱最接近, 我们称黑体的这一温度为该光源的相关色温. 详细解释见下表.10)金卤灯的最小电压随着灯的点燃启动，灯电压从电源电压（220V）很快下跌到12-20V左右，这是冷态灯的启动特性。

气体放电的机理以及电力行业的应用一、气体放电基本理论1、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。

气体放电是产生低温等离子体的主要途径。

所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。

低温等离子体物理与技术在经历了一个由20 世纪60 年代初的空间等离子体研究向80 年代和90 年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展以及在电力行业中的应用对于高科技经济的发展有着巨大的影响。

2、气体放电的基本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。

1903 年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。

汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。

但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。

电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。

针对汤森放电理论的不足，1940 年左右，H．Raether 及Loeb、Meek 等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。

3、气体放电的主要类型通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa 的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。

比较而言，电晕放电比较微弱且产生的活性粒子效率较低而难以应用于工业生产。