二次电子发射

低气压气体直流击穿特性------帕邢曲线姓名：张会钦院系：物理与光电工程学院班级：1004学号：201021017指导老师：大连理工大学一、引言气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。

不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。

气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。

二、摘要本实验使用的是氩气从理论上说是为了掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性，从操作上说是为了认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气击穿的帕邢曲线。

三、正文【实验目的】（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。

（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。

（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。

【实验仪器】1. 低气压直流辉光放电发生装置2. 氩气的控制与调节送气系统3. 直流数字电压表，多量程电流计【实验原理】1.低气压气体击穿现象气体放电分为自持放电和非自持放电。

非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象。

自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。

气体从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。

气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。

2．汤森放电理论气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是1903 年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。

汤森认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离产生电子和离子的结果，在外加电场作用下，电离产生的电子可以被加速，获得能量的电子又可以增强气体的电离，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射。

低气压气体直流击穿特性------帕邢曲线0000姓名：张会钦0000院系：物理与光电工程学院0000班级：10040000学号：2010210170000指导老师：0000大连理工大学0000一、引言000气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。

不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。

气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。

0000二、摘要00本实验使用的是氩气从理论上说是为了掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性，从操作上说是为了认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气击穿的帕邢曲线。

0000三、正文00【实验目的】00（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。

0000（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。

0000（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。

0000【实验仪器】001. 低气压直流辉光放电发生装置00002. 氩气的控制与调节送气系统00003. 直流数字电压表，多量程电流计0000【实验原理】001.低气压气体击穿现象000气体放电分为自持放电和非自持放电。

非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象。

自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。

气体从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。

气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。

00002．汤森放电理论00气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是1903 年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。

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。

空气电离空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物，在正常情况下，气体分子不带电（显中性），但在射线、受热及强电场的作用下，空气中的气体分子会失去一些电子，即所谓空气电离，这些失去的电子称为自由电子，它又会与其它中性分子相结合而得到电子的气体分子带负电，称为空气负离子。

负离子具有热电性和压电性，既使在微小的温度和压力变化的情况下，亦能引起负离子晶体之间的电势差，从而使空气发生电离，空气中，多种气体分子"俘获"电子的能力有强有弱，其中氧气和二氧化碳较强，而氧气在空气中占20%多，二氧化碳仅占0.03%。

因此空气电离产生的自由电子大部分被氧气获得，形成负氧离子，又称"负离子"。

一些实验设备要在真空中运行,当加高压时往往会因真空不好出现放电现象,想问问空电离和什么因素有关?有没有计算的公式?电离和电介质材料和加工工艺水平有重要的关系，真空电离说明还有气体存在。

电离当然要再你的环境中存在可以电离的截介质才行，真空中试不行的。

真空特别号或者特别遭的时候都不是很容易电离的，好像是在-2量级的时候比较容易电离1cm空气的击穿电压（尖端击穿）是多少？在均匀电场，气压为0.098MPa、温度为20℃、两极间距离大于0.1cm 的条件下，空气击穿电压与极间距离保持以下关系Uj=300b+1.35式中:Uj——空气击穿电压，kV；B ——电极间距离，cm。

正常情况下，1mm空气击穿电压是多少？空气击穿电压一般为3kV/mm帕邢定律Paschen law表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。

1889年由F.帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。

表达为:击穿电压U（千伏）是电极距离d（厘米）和气压P（托）乘积的函数（见图）。

应用汤森击穿条件r(ead-1)=1（见汤森德理论）以及电离系数χ与(Pd)的关系式可以求出击穿电压公式式中A和B在一定E/P范围内是常数。

材料现代分析方法1在电镜中，电子束的波长主要取决于什么？答：取决于电子运动的速度和质量2什么是电磁透镜？电子在电磁透镜中如何运动？与光在光学系统中的运动有何不同？答：运用磁场对运动电荷有力的作用这一特点使使电子束聚焦的装置称为电磁透镜。

近轴圆锥螺旋运动。

不同点：光学系统中光是沿直线运动的，在电磁透镜中电子束作近轴圆锥螺旋运动。

3电磁透镜具有哪几种像差？是怎样产生的，是否可以消除？如何来消除和减少像差？答：有球差、像散、色差。

球差：是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的。

像散：像散是由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称引起不同方向上的聚焦能力出现差别。

色差：色差是由入射电子的波长或能量的非单一性造成的。

球差可以消除，用小孔径成像时，可使其明显减小；像散只能减弱，可以通过引入一强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿；色差也只能减弱，稳定加速电压和透镜电流可减小色差。

4什么是电磁透镜的分辨本领？主要取决于什么？为什么电磁透镜要采用小孔径角成像？答：分辨本领是指成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离；电磁透镜的分辨率主要由衍射效应和像差来决定；用小孔径成像原因是可以使球差明显减小。

5说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨率？答：关键因素是用来分析的光源的波长，对于光学显微镜光源是光束，对于电磁透镜是电子束；减小电磁透镜的电子光束的波长可提高分辨率。

6试比较光学显微镜成像和透射电子微镜成像的异同点，答：相同点：都要用到光源，都需要装置使光源聚焦成像。

异同点：光学显微镜的光源是可见光，聚焦用的是玻璃透镜，而透射电子显微镜的分别是电子束和电磁透镜。

光学显微镜分辨本领低，放大倍数小，景深小，焦长短，投射显微镜分辨本领高，放大倍数大，景深大，焦长长。

7为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？答：因为用透射电镜分析时，电子光束要透过样品在底片上形成衍射图案，样品过厚则无法得到衍射图案，对于扫描电镜，对样品无此要求是因为用扫描电镜时是通过分析电子束与固体样品作用时产生的信号来研究物质，所以对样品不要求非常薄。

扫描电镜成像原理扫描成像原理如下图所示，电子枪1（钨丝枪或LaB6枪或场发射枪等）发射一束电子，这就是电子源，其最少截面的直径为d0，对钨丝枪而言大约为20～50μm （场发射枪大约为10～20nm ) ，这个小束斑经3 和5 两级聚光镜进一步缩小几百倍，最后再经物镜缩小并聚焦在样品面上，这时束斑10 直径最小可到3～6nm （约小于扫描电镜的分辨本领），电子束打在样品上，就产生上节所述的各种信号。

二次电子和背散射电子信号是最常用的两种信号，尤其是二次电子。

信号由接收器取出，经光电倍增器和电子放大器放大后，作为视频信号去调制高分辨显示器的亮度，因此显示器上这一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应。

由于样品上各点形貌等各异，其二次电子发射强度不同，因此显示器屏上对应的点的亮度也不同。

用同一个扫描发生器产生帧扫和行扫信号，同时去控制显示的偏转器和镜筒中的电子束扫描偏转器，使电子束在样品表面上与显示器中电子束在荧光屏上同步进行帧扫和行扫，产生相似于电视机上的扫描光栅。

这两个光栅的尺寸比就是扫描电镜的放倍数。

在显示器屏幕光栅上的图像就是电子束在样品上所扫描区域的放大形貌像。

图像中亮点对应于样品表面上突起部分，暗点表示凹的部分或背向接收器的阴影部分。

由于显示器屏幕上扫描尺寸是固定的，如14in(1in= 25.4mm）显示器的扫描面积是267×200mm2，在放大倍数为十万倍时样品面上的扫描面积为2.67×2 μm2如放大倍数为20 倍时，则为13.35×10mm2。

因此改变电子束扫描偏转器的电流大小，就可改变电子束在样品上的扫描尺寸，从而改变扫描电镜的放大倍数。

扫描电镜的分辨本领一般指的是二次电子像的空间分辨本领，它是在高放大倍数下，人们能从照片中分清两相邻物像的最小距离。

通常是用两物像边缘的最小距离来计算。

但照片放大近十万倍后，边缘轮廓往往不十分清晰敏锐，难以测量准确。

可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400~760nm频率：385T~790THz 400T~750THz能量：~辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。

辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。

根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。

因为光度参数只适用于~的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。

而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量 dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。

Φ=L*4πR^2=30*4**^2=一支氦-氖激光器（波长为）发出激光的功率为2mW。

该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。

求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。

若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为，求该屏上的光亮度。

从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T的升高而减小。

试用普朗克热辐射公式导出λT常数=m式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为10-3m K。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

教材P8什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。

材料表征梳理1.电子显微镜的类型透射电子显微镜（TEM）：透射电镜是投射成像，图像是二维的，靠欠焦形成一定的图像反差。

分辨率可以达到两个埃（0.2nm）的水平扫描电子显微镜（SEM）：扫描电镜是反射成像，图像是三维的，有很好的立体感，但分辨率低于透射电镜，目前指标分辨率可以达到3nm。

主要是利用样品表面产生的二次电子成像来对物质的表面结构进行研究，是探索微观世界的有力工具。

2.二次电子机理扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。

试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。

其中二次电子是最主要的成像信号。

由电子枪发射的能量为 5 ～35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。

聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。

二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。

3.试扼要叙述下列分析技术在聚合物研究方面的应用（10分）SEM：材料的表面形貌，形貌特征。

配合EDX可以获得材料的元素组成信息TEM：材料的表面形貌，结晶性。

配合EDX可以获得材料的元素组成FTIR：主要用于测试高分子有机材料，确定不同高分子键的存在，确定材料的结构。

如单键，双键等等a）SEM；特点：图像景深大，富有立体感。

试样制备比TEM简单。

可做综合分析：SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX波谱仪）或能量色散X 射线谱仪（EDX能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。

b）FTIR；傅里叶变换红外光谱研究聚合物物理过程：聚合物结晶熔融（HDPE升温过程中的熔融、ipp升温过程中的熔融、PV A升温过程中的熔融）聚合物玻璃化转变（PS的玻璃化转变）聚合物的结晶（iPS的结晶、聚偏二氟乙烯的拉伸结晶）聚合物的取向（液晶聚氨酯升温过程中的取向）研究聚合物化学过程聚合物的氧化降解机理（SEBS的热氧化）聚合物的化学反应（环氧树脂的）c）AFM；原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需要很少或不需对样品作前期处理，这样就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。

材料现代测试技术-期末复习题射线管主要由阳极，阴极，和窗口构成。

射线透过物质时产生的物理效应有：散射，光电效应，荧光辐射，俄歇效应。

3.德拜照相法中的底片安装方法有：正装，反装，和偏装三种。

射线物相分析方法分：定性分析和定量分析两种。

5.透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。

7.电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。

8.扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。

9.人眼的分辨率本领大约是：)10.扫描电镜用于成像的信号：二次电子和背散射电子，原理：光栅扫描，逐点成像。

的功能是：物相分析和组织分析（物相分析利用电子和晶体物质作用可发生衍射的特点；组织分析；利用电子波遵循阿贝成像原理）：定性分析（或半定量分析），测温范围大。

DSC：定量分析，测温范围常在800℃以下。

13.放大倍数（扫描电镜）：M=b/B（b：显像管电子束在荧光屏上的扫描幅度，通常固定不变；B：入射电子束在样品上的扫描幅度，通常以改变B来改变M）射线衍射分析方法中，应用最广泛、最普通的是衍射仪法。

15.透射电镜室应用透射电子来成像。

无机非金属材料大多数以多相、多组分的非导电材料，直到60年代初产生了离子轰击减薄法后，才使无机非金属材料的薄膜制备成为可能。

17.适合透射电镜观察的试样厚度小于200nm的对电子束“透明”的试样。

~18.扫描电镜是用不同信号成像时分辨率不同，分辨率最高的是二次电子成像。

19.在电子与固体物质相互作用中，从试样表面射出的电子有背散射电子，二次电子，俄歇电子。

20.影响红外光谱图中谱带位置的因素有诱导效应，键应力，氢键，物质状态。

1.电离能：在激发光源作用下，原子获得足够的能量就发生电离，电离所必须的能量称为电离能。

2.原子光谱分析技术：是利用原子在气体状态下发射或吸收特种辐射所产生的光谱进行元素定性和定量分析的一种分析技术。

3.X射线光电效应：当X射线的波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来，而它本身则被吸收，它的能量就传递给电子了，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。

提高电子显微镜分辨率的5个方法
①保持良好的加速电压。

加速电压不能很低，正常应保持在20~30KV。

②尽量缩短工作距离。

工作距离不能太大，一般保持在5~8mm，以缩短探头接收信号的距离。

③保持好样品的倾斜度，样品倾斜10~150，使二次电子发射及接收的多。

④聚光镜放在600~650 左右，（数值越大，束斑尺寸越小，分辨率越高）。

⑤对中良好，保证电子束对中，信号强，亮度好。

⑥及时更换新的灯丝，使灯丝饱和，束流稳定，并使束流值保持在100~150。

⑦物镜光阑合轴好（特征点在2000X 倍以上时，基本同心聚焦散焦）。

⑧延长抽真空的时间以提高真空度（一般在30 分钟以上基本达到平衡）或检查真空系统的密封状态。