(完整word版)简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程

第一章1-1简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程，电离因素以及自持放电条件的观点有何不同？并说明这两种理论各自的适用范围.汤逊理论:电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。

电离的主要因素是空间碰撞电离。

正离子碰撞阴极导致的表面电离是自持放电的必要条件。

适用范围，均匀场、低气压、短气隙( Pd<27kPa.cm )流注理论：空间的光电离是气体放电的主要原因。

电离的主要因素是空间的光电离。

流注理论自持放电条件:间隙中一旦出现流注，放电就可以由空间光电离自行维持。

适用范围，高气压、长气隙( Pd>27kPa. cm )1-4试分析极间距离相同的正极性棒-板与负极性棒-板自持放电前·后的气体放电的差异。

自持放电前的阶段（电晕放电阶段）正极性“棒—板”：因棒极带正电位，电子崩中的电子迅速进入棒极，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷削弱了棒极附近的电场而加强了外部空间的电场，阻止了棒极附近流注的形成，使得电晕起始电压有所提高负极性“棒—板”：因棒极带负电位，电子崩中电子迅速向板极扩散，正离子暂留在棒极附近，这些空间电荷加强了棒极附近的电场而消弱了外部空间的电场，使得棒极附近流注容易形成，降低了电晕起始电压电晕放电电压：正极性“棒—板”〉负极性“棒—板”自持放电后的阶段（击穿放电阶段）正极性棒—板：当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区逐步向板极推进，流注发展是顺利持续的，直至气隙被击穿，其击穿电压较低负极性棒—板：当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不向外扩展，流注发展是逐步顿挫的，整个气隙的击穿是不顺利的，其击穿电压比正极性时高得多，击穿完成时间也要长得多击穿放电电压：正极性“棒—板”〈负极性“棒—板”1-5试对极间距离相同的正极性棒-板·负极性棒-板·板-板·棒-棒四种电极分布的气隙直流放电电压进行排序？并简述这种排序的原因。

气体放电的汤森德机理与流注机理主要区别1. 引言气体放电是指在气体中添加一定的能量使其开始导电现象。

作为一项重要的物理现象，气体放电在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。

气体放电的机理主要有汤森德机理和流注机理，两种机理均有其独特的特点。

本文将详细介绍气体放电的汤森德机理和流注机理的区别。

2. 汤森德机理汤森德机理是指把气体加压并在高电压电源下加以激发，使气体分子激发成为第一次电离态（即电子的激发态）。

在经过复杂的过程后，电子从激发态退回到基态时会释放出能量，这就导致了气体分子的第二次电离。

气体分子的电离会加速电子的激发，并不断释放出更多的电子。

这种过程被称为放电击穿。

汤森德机理中，气压越高、放电时间越长，释放出的电荷就会越多，而放电的电流会越来越弱。

此外，当电压小于气体空气击穿电压（大约为3×106 V/m）时，没有放电现象；反之，当电压大于这个值时，气体就会“击穿”，电流快速增加。

在汤森德放电中，电子数密度的增加是很缓慢的，并且气体中的电离实际上取决于长的时间平均数。

因此，汤森德放电主要适用于气体放电现象研究。

3. 流注机理流注机理是指把电源应用于两个电极之间的气体中，产生一个窄而高的流束，其电压足以在两个电极之间形成放电。

由于气压很低，电子和离子几乎不会与其他气体分子碰撞，因此它们可以自由地移动。

由于气体量非常小，粒子在短时间内就可以穿过流束，从而导致电导率增加。

这个过程被称为“流注放电”。

流注机理中，液体和气体都可以用作流体，但大多数情况下都选择气体。

这种放电的电压通常为几百伏到几千伏，电流可达数十安。

流注放电速度特别快，能量高，可以使绝缘体表面上的污染物一次性烧掉，因此它近年来得到了很广泛的应用。

4. 两种机理的区别两种放电机理之间最本质的区别在于：流注机理中，粒子速度足以消融物质表面，从而导电，而汤森德放电则是通过分子之间的电离传导电荷。

此外，汤森德放电需要较长的时间才能使电子数密度逐渐升高，而在流注放电中，由于粒子速度很高，短时间内就能形成高密度电子气云。

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。

气体放电过程的分析气体放电是人们在自然界和日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，他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。

气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘物质，对气体绝缘特性的研究对气体放电十分重要。

而气体放电又受气体间隙、环境电场的影响，其过程的分析需要多种理论的支持，如汤逊理论和流注理论等。

1.1气体中带电质点的产生先介绍气体的特点：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、中性状态下的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点像电子、正离子、负离子以后，才能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。

气体中带电质点的产生有两个途径：一是气体本身发生游离；二是气体中的金属电极表面发生游离。

而带电质点有以下形式的游离形成：（1）碰撞游离在电场作用下，电子被加速获得动能。

如果其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就能使气体质点产生游离分裂成正离子和电子，这就是碰撞游离。

（2）光游离电磁射线的能量hV等于或大于气体质点游离能时所引起的游离过程叫做光游离。

（3）热游离因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离，其实质仍是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同。

（4）表面游离放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。

金属表面游离是所需能量可以从以下途径获得。

（1）正离子碰撞阴极正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中一个与正离子结合而合成中性质点，另一个才可能成为自由电子。

（2）光电效应金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。

（3）强场发射在阴极附近加上很强的外电场，其电场强度达1000000V/cm,将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。

（4）热电子发射将金属电极加热到很高的温度，可以使其中电子获得很大能量，逸出金属在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强场领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。

第五章、汤生放电理论与气体的击穿前面介绍了气体放电中带电粒子的产生与消失的机理，这是气体放电中的两个重要过程。

本章将以上述理论为基础，讨论气体放电。

气体放电的分类：从维持放电是否必须有外界电离剂分类：①自持放电---外界电离剂存在与否都能正常放电；②非自持放电---只有外界电离剂存在情况下才能正常放电。

按放电是否随时间变化可分为：稳态放电和非稳态放电。

直流激励下的放电为稳态放电，交流或脉冲激励的放电为非稳态放电。

在所有的气体放电中，直流放电是最简单，也是最基本的放电形式，所以本章中主要以直流放电为例来介绍气体放电理论。

§5.1直流气体放电的伏-安特性及被激导电一、气体放电的伏-安特性伏-安特性是气体放电的宏观参数，通过气体放电的伏-安Array特性曲线可以对气体放电过程有一初步认识。

测量气体放电伏—安特性曲线的实验装置如图5.1。

气体放电管中两电极的间距为50cm，电极极板为面积为10cm2的两平行平面圆形铜极板。

充以133Pa(1Torr)Ne气，电源为电压可调的直流电源E a。

通过测量放电管上的电压V1和可变电阻器R上的电压V2及对应R的阻值，就可得到放电电流I=V2/R。

改变E a和R的大小，分别测量出V1和V2，就可得到放电管的V-A特性曲线。

由上述装置所得到的V-A特性曲线见图5.2。

从V-A 特性曲线看可以分为八个区域。

① 非自持放电区AB 段：此段也可以被称为被激导电区，特点是放电管电压U a 从0逐渐增高，而放电电流极小（10-18A ，微小电流来源于源气体中带有密度很小的带电粒子），几乎没有形成放电。

当用紫外线照射放电气体和阴极时，放电电流可以上升到10-16~10-12A 量级(紫外线照射气体会引起放电气体的电离，增大气体中的带电粒子浓度；紫外线照射阴极会引起阴极的光电效应，发射光电子；总体效应是增大放电电流)； ② 自持暗放电区BC 段：当放电管电压达到U b （击穿电压）后，放电就进入了自持暗放电区，此时放电管有微弱的发光。

第一章 气体放电的基本物理过程（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。

电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。

更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。

所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。

（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。

根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。

原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。

（3）为什么SF6气体的电气强度高？答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。

1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。

它只适用于低气压、短气隙的情况。

气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。

在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。