201781气体放电解析

气体放电研究报告气体放电是一种重要的物理现象，其涉及强电场和气体分子之间的相互作用。

该现象在各种应用中都有广泛的应用，例如照明技术、等离子体技术和放电加工技术等。

因此，研究气体放电对于促进技术发展和实现可持续发展至关重要。

一、气体放电的特征气体放电的主要特征是在气体中形成等离子体。

等离子体是由电离的气体分子和自由电子组成的电中性体系，其特点是具有一定的导电性、化学性和热力学性质。

气体放电的形成过程主要涉及两个方面的过程：电离过程和电子复合过程。

电离过程是指在气体中形成自由电子和离子的过程，它是由电子与分子碰撞而发生的，根据电子吸收的能量不同，电离过程可分为光电离、冷电离和热电离。

电子复合过程是指由自由电子与离子结合的过程，该过程主要是放出光子的过程，这些光子在多数情况下被称为谱线光子。

二、气体放电在光源技术中的应用气体放电在光源技术中有着广泛的应用，例如氙气闪光灯、气体放电管和化学激光器等。

其中，氙气闪光灯是由气体放电产生的一种宽谱辐射源，其光谱范围广，峰值波长集中在253.7nm和184.9nm，具有高辐射强度和发光稳定性的特点。

气体放电管也是由气体放电产生的一种离子化器，它能够将弱信号放大，常用于放大器和谐振器的制备中。

此外，化学激光器则是利用气体放电激发电离的稀有气体，通过不同能量的激活，使气体分子的能级发生变化，从而产生激光。

三、气体放电在等离子体技术中的应用气体放电在等离子体技术中有着广泛的应用，例如等离子体喷雾、等离子体退火和等离子体刻蚀等。

其中，等离子体喷雾是一种将样品溶液产生微细颗粒的技术，其原理是将极化剂和离子源放在气体放电的电子束中，由于强电场和离子与离子之间的碰撞，样品分子被分解成离子和原子，从而形成微细颗粒。

等离子体退火则是将所需材料放在气体放电中，用等离子体的高温等性质退火材料，从而形成装置所需形状的材料。

等离子体刻蚀是将所需材料放在气体放电中，用等离子体的碰撞和物理性质进行刻蚀，从而形成所需的形状和尺寸。

气体放电基础知识气体击穿理论气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。

如：空气、 CO2、 N2、SF6、混合气体等。

当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。

为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气体中的放电过程。

本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。

第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。

处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完全不导电的。

气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射线作用，500-1000对/立方厘米正、负离子），在电场作用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质。

由于带电质点极少，气体的电导也极小，仍为优良的绝缘体。

击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。

气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。

沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。

击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。

击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。

气体放电形式根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。

这种放电形式称为辉光放电。

辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。

注意：辉光放电仅发生在气压较低的情况下2、电弧放电随着外回路中的阻抗减小，电流增大。

当电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称为电弧放电。

电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。

气体放电物理试验原理（一）、气体放电特性及原理气体放电是指电流通过气体煤质时的放电现象。

电闪雷鸣为大气中的放电过程；电焊机也属气体放电。

气体放电种类很多，用得最多的是辉光放电和弧光放电两大类。

各种气体放电灯的基本结构大同小异。

见图一所示：等离子体说明书第7页图一直流放电管电路示意图在支流高压下工作的放电灯，分阴、阳极。

在交流高压下工作的放电灯无阴、阳极之分两极交替的作为阴、阳极之用。

灯内充有气体，它可以是惰性气体、金属或金属化合物的蒸气。

当电极两端加以高压时，灯内的自由电子被外电场加速，则运动的电子将与原子发生碰撞，碰撞后的电子将动能交给原子，原子获得能量后，便受激激发到高能态。

处于高能态（激发态）的原子是不稳定的，在大约810S -数量级的时间，就要自发的返回到基态。

此过程原子会以辐射的形式发射光辐射。

光辐射的频率和能量的关系为：hc E e V h νλ∆=∆== (1)式中V ∆为激发态和激态两能级间的距离，也称发生跃迁的两能级间的电位差，单位是伏特。

λ的单位是nm 。

徐强调的是原字的激发和跃迁在激发态之间也可进行。

（二）、气体放电的全伏安特性由图一可知，改变管压得大小，可得到系列放电电流值。

由管压和放电电流的关系画成的曲线，成为全伏安特性曲线。

见图二所示：图二气体放电伏安特性曲线OA段：在外加电场的作用下，灯观中所存在的带电粒子向电极运动，形成电流。

随电场的增加，带电粒子的运动速度增加，复合减少，是电流增大。

AB段：当电场继续增大时，所有电离产生的带电粒子全部到达电极，电流达饱和状态，形成BC段。

BC段:如果外加电压继续增高,则外电场将使初始的带电离子速度达到很大值.他们在和中性原子碰撞时,使之电离后产生的电子又被电场加速,又和另外的中性原子碰撞电离,形成更多的电子.这一过程会使电子数呈现雪崩式的增加.在BC段将发生汤生放电.CDEF段为为辉光放电区:当电压加大到C点以后管压降突然下降,通过放电管的电流却增加很快.同时在放电管中产生可见光.相应C点成为放电管的着火点,相对应的外加电压称为放电管的着火电压. 在C点以后所发生的各种放电称为自持放电.而在C点以前发生的各种非自持转为自持所需的电压就成为着火电压.自C点以后,无论如何增大外加电压,还是减少回路电阻R使电流增加,管压降基本不变,此段(EF)称为正常辉光放电.发生正常辉光放电时, 管压降维持不变,是因为在此范围内,阴极并没有全部用于发射电子,由于阴极发射的面积正比于发射电流,故此时阴极上的电流密度是一常数.FG段:当整个阴极表面都用于发射电子以后.(既F点以后),如还继续加大电流的话, 阴极电流密度就必须增加会造成管压升高.此时就进入异常辉光放电阶段(FG).当管压升高到一定数值后如(G)点,继续加大放电电流, 由于此时阴极温度升高而转入热电子发射,管压大幅降低,电流迅速增加.在一般情况下,放电管呈现负组效应.此时放电将转入较强的弧光放电区域,既GH 段.从图(1)可知,反常辉光放电的峰值电压就是弧光放电的启动电压,它是反常辉光放电和弧光放电的的转折点. (三)、帕型定律通常将放电管与电阻、电感串联,直接接于220伏的交流电网或其他电源上,放电管是不能发光的.我们必须施加更高的电压(或采用其他的启动方法)才能使放电管(或各种气体放电灯)发光.着火电压的大小与气体的压强、阴极的逸出功、电极间距、气体的种类与成分有关。

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。

论气体放电理论及其放电形式1、引言几乎所有的电气设备的绝缘材料都是气体。

如主要存在于高压输电线路之间和高压电气设备内的空气，为保证高压用电的安全提供了可能。

理想状态下的空气不存在带电粒子，故而其不导电。

但事实上，在外界宇宙射线和地下放射性物质的高能辐射线的作用下，大气压下每立方厘米体积内的空气约有500-1000对正负带电粒子。

但是即使如此，空气仍不失为一种相当理想的电介质 [1]。

在一定的条件下，气体也会出现放电现象，甚至完全转化为导体，严重威胁高压电气设备的运行安全。

因此了解气体放电的理论和放电形式对提高电力设备的绝缘水平有重要的指导意义。

本文具体介绍了气体放电理论及常见的几种放电形式。

2、气体放电理论气体放电理论主要包括汤生放电理论和流注理论。

2.1汤森放电理论1903年，英国物理学家汤森提出了第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。

为了描述气体导电中的电离现象，汤森提出了三种电离过程，并引入三个对应的电离系数[2]：（1）电子在向阳极运动的过程中，与气体粒子频繁碰撞，产生大量电子和正离子。

电子与气体粒子发生碰撞电离的次数就是α电离系数，这个过程称为α过程。

（2）正离子在向阴极运动的过程中，与气体中性粒子?l繁碰撞，也会产生一定数量的正离子和电子。

而β电离系数是指在单位距离上一个正离子在向阴极运动过程中与气体粒子发生碰撞电离的次数，即为β过程。

而在通常情况下，正离子在电场中所获得的能量远小于中性粒子发生电离所需的能量，因而β过程通常被忽略。

（3）携带一定能量的正离子打到阴极，使其发射二次电子。

二次电子发射数为γ系数，这个过程称为γ过程。

假设气体空间为均匀电场，单位时间内从阴极单位面积上发射出的电子数为n0，这些初始电子在电场作用下，向阳极方向运动，与中性粒子发生频繁碰撞，进而发生碰撞电离。

即从阴极发出的一个电子，向阳极运动的过程中，若不断发生碰撞电离，新产生的电子数将迅猛增加，这种现象成为电子雪崩。

气体放电过程的分析干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。

这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。

依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。

主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。

20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。

暗放电暗放电主要是非自持放电（但自持放电的某些区域中有暗放电存在）。

关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。

汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。

新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。

这称为电子繁流（图2）。

气体放电汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n u为式中n0为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；α为汤生第一电离系数。

上式表明,电子数目随距离d指数增长。

在一些光电器件中，特意充入一些惰性气体，使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流，以得到光电流的放大，提高器件的灵敏度。

放电中产生的正离子最后都抵达阴极。

正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射；这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。

r过程使放电出现新的特点,这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。

如果同一时间内，由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。

辉光放电低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。

若电极是安装在玻璃管内，在气体压力约为 100帕且所加电压适中时，放电就呈现出明暗相间的 8个区域（图4）。

图中下方的曲线表示光强的分布，按从阴极到阳极的顺序分为7个区。

气体放电过程分析摘要：在电力系统和电气设备中，气体常作为绝缘介质。

气体作为绝缘介质有着诸多优点，如空气的廉价和广泛性，SF6气体的电气好强度行等，因此在电力系统中内广泛应用。

至于放电过程，在不均匀电场中，气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。

长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。

间隙越长，先导过程就发展得越充分。

间隙越长，先到过程就发展的越充分。

气体放电受诸多因素的影响，主要表现为电场形式、电压波形、气体的性质和状态等。

In power system and electric equipment, gas often as insulating medium。

Gas has many merits as insulating medium, such as air of cheap and universality, SF6 gas electrical good strength line, so in the power system widely in the application。

In uneven electric, air gap is lesser, discharge gap can be roughly divided into electronic fracture, lingers and main discharge stage. Long clearance discharge is can be divided into electronic fracture, lingers, pilot and main discharge stage。

Clearance is longer, the first to process development is more sufficient。

Gas discharge under the influence of various factors, main performance for electric form, voltage waveform, the properties of the gas and state, etc。

气体放电过程分析报告一、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，其发展对于高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。

二、气体放电过程分析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。

近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。

汤逊理论通过引入“电子崩”的概念，较好地解释了均匀电场中低气压短间隙的气体放电过程，通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。

高压电气设备绝缘预防试验及电气设备状态检修参考教材：电力系统状态检修技术气体放电基础知识关于气体击穿常用气体绝缘介质：空气、SF6、CO2、N2、混合气体（SF6+ CO2、SF6+N2）等。

气体击穿：正常情况下气体是良好的绝缘介质，但当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力（气体击穿）。

气体击穿是气体绝缘失败的最后表现形式，深入了解气体击穿的发展过程，对于提高分析问题、解决问题的能力更有意义。

平均电场强度与最大电场强度尖端效应或边缘效应电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。

在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。

这种现象称为尖端效应或边缘效应。

尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。

工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。

分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。

对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。

茹柯夫斯基电极任一等位面上电场强度最大值：12211222C UU C C =+静电感应现象电容分压导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。

气体放电的几个概念：气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。

气体击穿：由于外施电压升高，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。

气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。

沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。

气体放电的基本形式包括：1、电晕放电（局部放电）；2、辉光放电；3、电弧放电；4、火花放电。

气体击穿后的放电形式受气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响。

1、电晕放电：随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层。

发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。

2、辉光放电：当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗），外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。

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。

Abstract: The dielectric gas, particularly air, is the most important power system insulation medium. Analysis of the gas discharge process, the insulation of the dielectric properties of the gas has very important significance. But also by the gas gap discharge, environmental electric field, the process of analysis requires the support of various theories.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Keywords: Gas discharge, charged particles, gas gap, electronic avalanche, Thompson theory, theory of flow injection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。

气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。

当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。

气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。

使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。

通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。

辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。

辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。

2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。

如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。

发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。

电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。

3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。

二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。

1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。

正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。