气体放电的物理过程(1)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,*,高电压技术,李 卫 国,+80798486,，,60105052,第二章 气体放电的物理过程,(1),一、气体放电的一般描述,（一）气体放电的主要形式,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。利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电,电弧放电,火花放电,电晕放电,刷状放电,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）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忽然出现发光现象,特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，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,电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,3,火花放电,在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的,断续,的明亮细火花,火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大,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,4,刷状放电,电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电,电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿,如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿,5,（二）非自持放电和自持放电,外施电压小于,U,A,时，,电流微小，电流值由空间的游离电荷的数量和外加电压决定。游离电荷与光照射（含宇宙射线）的强度有关，产生在阴极表面和间隙空间，阴极表面产生的是自由电子，空间产生的是正负离子，通常阴极表面的电子数量大于空间电荷数；电压加高则电荷移动速度加快，表现出电流加大。,6,外施电压小于,U,B,时，,空间产生的电荷完全移动到极板，故电流的大小决定于空间电荷的产生速度，当光照不变时，电流为常数。,外施电压小于,U,0,时，,气体中发生了电离，,此时空间电荷增多，,电流增,大,。,外施电压,等,于,U,0,时，,电离,产生的电荷,靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此,U,0,以后的放电形式也称为自持放电,。此时,的电压称为,放电,起始电压,。,7,二、均匀电场中气体击穿的发展过程,（一）汤逊气体放电理论,1,、电子崩的形成（,过程）,一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，因此也称为电子崩理论。,电离系数：一个电子沿着电场方向行经,1cm,长度，平均发生的碰撞电离次数,8,设：在外电离因素光辐射的作用下，,单位时间,内阴极,单位面积,产生,n,0,个电子（忽略空间产生的正负电荷）；,在距离阴极为,x,的横截面上，单位时间内,单位面积,有,n,个电子飞过,这,n,个电子行过,dx,之后，又会产生,dn,个新的电子,将此式积分，可得电子的增长规律为,间隙碰撞电离的数学推导,9,对于均匀电场，,不随空间位置而变,相应的电子电流增长规律为,令,x,d,，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流,2,、过程,电离系数：正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，引起阴极表面电离，使阴极释放出自由电子。,表示折算到,每个,碰撞阴极表面的正离子，阴极金属,平均,释放出的自由电子数,10,由前推导可知，从阴极飞出的,n,0,个电子，到达阳极后，电子数将增加为（注意此时的电子数包含初始电子,n,0,）,正离子数,正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数,如果此时电离出的电子数为,n,0,放电则由非自持转入自持,条件为,一次,过程产生的正电荷数,11,物理意义：阴极表面的一个电子在整个碰撞过程中产生的正离子，在阴极表面又作用出一个电子。,当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去,12,3,、击穿电压、巴申定律,由自持放电条件,及碰撞电离系数,可得,放电电压,13,巴申（,Paschen,）定律,击穿电压与,pd,的,规律称为巴申定律，这是在碰撞电离学说提出之前，从实验中总结出来的规律,注意到这里有个最小值，这是考虑平均只有行程所导致的动能与碰撞次数的关系。动能大则电离系数大；密度大则碰撞次数多，电离系数也大。,14,4,、汤逊放电理论的适用范围,汤逊放电理论的适用于小于,0.26cm,。,但电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大,此时有四个不相符合：,1.,放电外形：均匀连续，如辉光放电,分枝的明细通道,2.,放电时间：火花放电时间的计算值比实测值要大得,3.,击穿电压：汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入,4.,阴极材料的影响：实测得到的击穿电压和阴极材料无关,15,（二）流注气体放电理论,由于汤森放电理论在间隙距离和气压较大时的不足，发展了流注气体放电理论。,要点：,强调了空间电荷畸变电场的作用；,认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素；,二次电子崩汇入弱电场区产生等离子体，等离子体具有缩小体积保持温度的特性；,等离子体具有很好的导电性，进一步畸变电场。,16,1.,电场畸变,因电子迁移速度快，电子崩前充满电子，崩尾充满正离子。,例如，正常大气条件下，若,E,30kV,cm,，则,11cm,-1,，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数,17,空间电荷畸变外电场,加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部：,电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，放射出光子,正、负电荷之间区域：,电场大大削弱，有助于发生复合过程，也发射出光子,空间光电离与二次电子崩：,空间光电离产生的电子在两个强电场区引发二次电子崩。,18,2.,正,流注,当电子崩走完整个间隙后，光子的能量才足以引发二次电子崩时，称为正流注。,二次电子崩头部的电子注入入电场区，与残留的空间正电荷混合，形成等离子区。,等离子细导电通道，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，于是产生很强的局部电场，使电离加剧，又产生大量光子，诱发新的二次电子崩。,1,主电子崩,2,二次电子崩,3,流注,19,流注的延长,新的二次电子崩头电子又注入充满正电荷的弱电场区，使等离子区伸长,1,主电子崩,2,二次电子崩,3,流注,20,正流注向阴极推进,流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快,流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压,21,自持放电条件,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件,22,在电离室中得到的初始电子崩照片,图,a,和图,b,的时间间隔为,1,10-7,秒,p=270,毫米汞柱，,E=10.5,千伏,/,厘米,初始电子崩转变为,流注瞬间照片,p,273,毫米汞柱,E=12,千伏,/,厘米,电子崩在空气中的发展速度约为,1.25,10,7,cm/s,23,在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片,正流注的发展速度约为,1,10,8,210,8,cm/s,24,3.,流注理论对,pd,很大时放电现象的解释,1,）放电外形：,流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度很小。因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前发展而更为增强。当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈。等离子的保温特性使得通道变细，进一步加强头部电场。二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。,电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会影响其它电子崩的发展，汤逊放电呈连续一片,25,2,）放电时间：,光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明,pd,很大时放,电时间特别短的现象。,3,）阴极材料的影响,：根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大,Pd,下击穿电压和阴极材料基本无关了。,4,）放电电压：,放电机理发生变化。由空间产生二次电子，代替了阴极表面产生二次电子。因而支持放电条件发生了变化，放电电压公式的推导也发生变化。,26,附录,1:,电离,原子激励和电离,原子能级：以电子伏为单位,1eV,1V,1.6,10,-19,C,1.6,10,-19,J,原子激励：原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能,W,e,。,激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率,和激励能之间的关系为,27,原子电离,：,原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离。电离过程所需要的能量称为电离能,W,i,（,ev,），也可用电离电位,U,i,（,v,）,质点的平均自由行程,：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。电子在其自由行程内从外电场获得动能。动能的大小除决定于电场强度外，还和其自由行程有关,28,电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多,气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。,自由行程的分布：具有统计性的规律。质点的自由行程大于,x,的概率为,29,附录,2,：气体中带电质点的产生和消失,气体中带电质点的产生,（一）气体分子的电离可由下列因素引起：,（,1,）电子或正离子与气体分子的碰撞电离,（,2,）各种光辐射（光电离）,（,3,）高温下气体中的热能（热电离）,（,4,）负离子的形成,（二）金属（阴极）的表面电离,30,碰撞电离,在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰撞电离,m,e,电子的质量；,v,e,电子的速度；,W,i,气体分子的电离能。,碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,31,光电离,光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。,当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子,光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为,对所有气体来说，在可见光（,400,750nm,）的作用下，一般是不能直接发生光电离的,32,热电离,因气体热状态引起的电离过程称为热电离,气体分子的平均动能和气体温度的关系为,在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离,在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离,高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离,33,负离子的形成,有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子,有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）,负离子的形成起着阻碍放电的作用,34,金属（阴极）的表面电离,阴极发射电子：逸出功,。,金属表面电离有多种方式。,（,1,）正离子碰撞