氣體放電的物理過程和氣體放電理論,氣體放電過程：,在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動(dòng)過程。問題的提出：1、氣隙中帶電粒子是如何形成的？2、氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？3、氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？,一、名詞解釋：1、電子平均自由行程2、激勵(lì)3、電離（碰撞電離、光電離、熱電離、陰極的表面電離）4、復(fù)合5、電子崩二、自持與非自持放電三、自持放電條件,一、名詞解釋：電子平均自由行程,一個(gè)電子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程。與氣體分子的大小和密度有關(guān)。,2、激勵(lì)原子在外界因素作用下，其電子從處在距原子核較近的低能態(tài)軌道躍遷到離核較遠(yuǎn)的較高能態(tài)的軌道，這個(gè)過程稱為激勵(lì)。該原子稱為激勵(lì)狀態(tài)的原子。高于正常狀態(tài)的能級均稱為激勵(lì)能級。激勵(lì)狀態(tài)存在的時(shí)間很短(大致為10-8s)，電子將自動(dòng)返回常態(tài)軌道上，這時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)所吸收的外加能量將以輻射能(光子)的形式放出。如果原子獲得的外加能量足夠大，其電子將擺脫原子核的約束而成為自由電子。,3、電離原子在外界因素作用下，其電子受到激勵(lì)擺脫原子核的約束而成為自由電子，這一現(xiàn)象稱為電離原子被分解成兩種帶電粒子電子和正離子使電子電離出來所需的最小能量稱為電離能。,電離形式：1）、碰撞電離在電場作用下，電子被加速而獲得動(dòng)能。當(dāng)電子的動(dòng)能滿足如下條件時(shí)，將引起碰掩電離：me電子的質(zhì)量，ve電子的速度；Wi氣體分子的電離能。碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān),2）光電離當(dāng)氣體分子受到光輻射時(shí)，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子：h普朗克常數(shù)h6.62x10-27爾格秒。頻率（光是頻率不同的電磁輻射，也具有粒子性，稱為光子）導(dǎo)致氣體光電離的光子可以由自然界（如空中的紫外線、宇宙射線等）或人為照射（如紫外線、x射線等）提供，也可以由氣體放電過程本身產(chǎn)生。,3）熱電離一切因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離。包括：隨著溫度升高氣體分子動(dòng)能增加引起的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子引起的光電離。,4）金屬(陰極)的表面電離：a、正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時(shí)使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個(gè)和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個(gè)以上電子時(shí)才能出現(xiàn)自由電子。b、光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時(shí)，金屬表面放射出電子。c、強(qiáng)場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時(shí)，使陰極放射出電子。d、熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時(shí)，其中的電子獲得巨大動(dòng)能，逸出金屬。,4、復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程稱為復(fù)合過程。在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程會(huì)以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光輻射。這種光輻射在一定條件下有可能成為導(dǎo)致電離的因素（如流柱理論中二次電子崩的起因）。,5、電子崩,由于光電效應(yīng)從陰極產(chǎn)生的第一個(gè)起始電子，從電場獲得一定動(dòng)能后，會(huì)碰撞電離出一個(gè)第二代電子，這兩個(gè)電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時(shí)空間已存在四個(gè)自由電子，這樣一代一代不斷增加的過程，會(huì)使帶電質(zhì)點(diǎn)迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。,二、自持與非自持放電：,1、外施電壓小于U0時(shí)，間隙內(nèi)電流數(shù)值很小，間隙還未被擊穿，這時(shí)電流要依靠外電離因素來維持，如果取消外電離因素，電流將消失。這類放電稱為非自持放電。2、當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電流劇增，其中的電離只靠電場的作用自行維持，不再需要外電離因素。這種放電形式稱為自持放電。3、U0稱起始電壓。在均勻電場中為擊穿電壓，在極不均勻電場中為電暈起始電壓,三、自持放電條件：電子電離系數(shù)：一個(gè)電子沿著屯場方向行經(jīng)1厘米長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)（由電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)）。表面電離系數(shù)：每個(gè)正離子碰幢陰極表面平均釋放出的自由電子數(shù)。,設(shè)：一個(gè)電子從陰極行走x距離產(chǎn)生的自由電子數(shù)為nn個(gè)電子前進(jìn)dx產(chǎn)生的新電子數(shù)為：,所以：一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的電子數(shù)為：,一個(gè)電子從陰極到陽極產(chǎn)生的正離子數(shù)為：,自持放電條件：,均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程,氣體擊穿的兩個(gè)基本理論：一、湯遜理論（巴申定律）二、流注理論,一、巴申定律（湯遜理論）：,湯遜理論中氣隙的擊穿過程是：電子崩氣隙擊穿僅適用于短間隙低氣壓的輝光放電,流注：由正負(fù)離子構(gòu)成的具有良好導(dǎo)電性的冷等離子體放電的主要因素：電子的碰撞電離及空間光電離（光子、短波光射線引起的空間電離），強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場的作用，流注是由二次電子崩匯入主崩形成的。放電過程：主電子崩二次電子崩流注氣隙擊穿,二、流注理論：,Eex:外加電場E:正空間電荷與負(fù)極板產(chǎn)生的電場E：正空間電荷與負(fù)空間電荷產(chǎn)生的電場E：負(fù)空間電荷與正極板產(chǎn)生的電場E：空間電荷產(chǎn)生的電場與外加電場疊加后的實(shí)際電場,