第2讲 气体放电理论(一)

气体放电技术辅导资料一主题：气体放电理论概述学习时间：2011年4月15日－4月17日内容：我们这周主要学习气体放电理论的相关内容。

希望通过下面的内容能使同学们加深对气体放电技术知识的理解。

一、学习要求1．掌握气体放电理论；2．掌握气体放电的概念；二、主要内容（一）气体放电概念干燥气体是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为带电，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。

气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。

基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状（二）气体放电理论气体中流通电流的各种形式的统称。

包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。

在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。

经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比u＝KE，系数K称为电子（离子）迁移率。

对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数,而与电场强度E有关。

体放电。

荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。

这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。

要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有eVe＝Em－E1，电位Ve称为激发电位。

实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。

引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。

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。

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。

气体放电原理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，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。

逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增值，这时有电流通过气体，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。

气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。

基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。

汤生放电理论一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。

在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流。

在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电，由此推得放电自持的条件是：γ(eαd-1)=1，其中γ是正离子轰击阴极的二次电子射系数，α是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。

等离子体概念等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。