气体放电的物理过程—均匀电场中气体击穿课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,气体放电过程：,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。,问题的提出：,1,、气隙中带电粒子是如何形成的？,2,、气隙中的导电通道是如何形成的？,3,、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？,气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。,1,一、名词解释：,1,、电子平均自由行程,2,、激励,3,、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）,4,、复合,5,、电子崩,二、自持与非自持放电,三、自持放电条件,一、名词解释：,2,一、名词解释：,电子平均自由行程,一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。与气体分子的大小和密度有关。,一、名词解释：一个电子在与气体分,3,导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。,使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,气体击穿的两个基本理论：,由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从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，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。,b、光电效应,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。,a、正离子碰撞阴极,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。,这类放电称为非自持放电。,高于正常状态的能级均称为激励能级。,在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。,生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。,粒子性，称为光子）,逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。,这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。,2,、激励,原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。,该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。,激励状态存在的时间很短,(,大致为,10,-8,s),，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能,(,光子,),的形式放出。,如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为,自由电子,。,导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等,4,3,、电离,原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子,，,这一现象称为电离,原子被分解成两种带电粒子,电子和正离子,使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,3、电离,5,电离形式：,1,）、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，将引起碰掩电离：,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,电离形式：,6,2,）光电离,当气体分子受到光辐射时，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：,h,普朗克常数,h,6.62 x 10,-27,尔格,秒。,频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有,粒子性，称为光子）,导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、,x,射线,等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。,2）光电离,7,3,）热电离,一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。,包括：,随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离，,高温下高能热辐射光子引起的光电离。,3）热电离,8,4,）金属,(,阴极,),的表面电离：,a,、正离子碰撞阴极,正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。,b,、光电效应,金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。,c,、强场放射（冷放射）,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。,d,、热电子放射,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。,4）金属(阴极)的表面电离：,9,4,、复合,正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程称为复合过程。,在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。,4、复合,10,a、正离子碰撞阴极,2、当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中,高于正常状态的能级均称为激励能级。,金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。,电子平均自由行程,使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。,因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。,3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）,逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。,这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电,的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。,电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经 1 厘米长度，平均发,逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。,5,、电子崩,由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从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，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。,a、正离子碰撞阴极5、电子崩 由于光电效应从阴极产生的第,11,二、自持与非自持放电：,1,、外施电压小于,U,0,时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，,这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电,流将消失。这类放电称为,非自持放电,。,2,、当电压达到,U,0,后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中,的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。这种,放电形式称为,自持放电。,3,、,U,0,称,起始电压,。在均匀电场中为,击穿电压,，在极不均匀电场中,为,电晕起始电压,二、自持与非自持放电：1、外施电压小于U0 时，间隙内电流数,12,三、自持放电条件：,电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经,1,厘米长度，平均发,生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。,表面电离系数 ：每个正离子碰幢阴极表面平均释放出的自由电子数。,设：一个电子从阴极行走,x,距离产,生的自由电子数为,n,n,个电子前进,dx,产生的新电子数为：,所以：一个电子从阴极到阳极产生,的电子数为：,一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：,自持放电条件：,三、自持放电条件：设：一个电子从阴极行走 x 距离产所以：一,13,均匀电场中气体击穿的发展过程,气体击穿的两个基本理论：,一、汤逊理论（巴申定律）,二、流注理论,均匀电场中气体击穿的发展过程气体击穿的两个基本理论：,14,一、巴申定律（汤逊理论）：,汤逊理论中气隙的击穿过程是：,电子崩,气隙击穿,仅适用于短间隙低气压的,辉光放电,一、巴申定律（汤逊理论）：汤逊理论中气隙的击穿过程是：,15,气体放电的物理过程均匀电场中气体击穿课件,16,气体放电的物理过程均匀电场中气体击穿课件,17,流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体,放电的主要因素：,电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用，流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。,放电过程：,主电子崩,二次电子崩,流注,气隙击穿,二、流注理论：,流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体二、流注理论,18,3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）,这类放电称为非自持放电。,使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。,最低击穿电压高出许多时，,最低击穿电压高出许多时，,在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。,生的自由电子数为 n,1、电子平均自由行程,2、激励,这类放电称为非自持放电。,1、外施电压小于U0 时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，,2、激励,这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电,生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。,这类放电称为非自持放电。,E,ex,:,外加电场,E:,正空间电荷与负极板产生的电场,E,：正空间电荷与负空间电荷产生的电场,E,：负空间电荷与正极板产生的电场,E,：空间电荷产生的电场与外加电场叠加,后的实际电场,正粒子的迁移率远远小于电子的迁移率,3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）Eex:,19,1,、正流注的产生,当外施电压为气隙最低击穿电压时,1、正流注的产生当外施电压为气隙最低击穿电压时,20,气体放电的物理过程均匀电场中气体击穿课件,21,2,、负流注的产生,当外施电压比气隙的,最低击穿电压高出许多时，,间隙中的强电场足可以引,起光电离，从而产生二次,电子崩，形成流注。,2、负流注的产生 当外施电压比气隙的,22,The End,Thank You,The End,23,在电场作用下，电子被加速而获得动能。,粒子性，称为光子）,最低击穿电压高出许多时，,生的自由电子数为 n,的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。,设：一个电子从阴极行走 x 距离产,一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。,3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）,逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。,频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有,一、巴申定律（汤逊理论）：,c、强场放射（冷放射）,电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经 1 厘米长度，平均发,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。,电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用，流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。,2,、激励,原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。,该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。,激励状态存在的时间很短,(,大致为,10,-8,s),，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能,(,光子,),的形式放出。,如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为,自由电子,。,在电场作用下，电子被加速而获得动能。2、激励,24,4,）金属,(,阴极,),的表面电离：,a,、正离子碰撞阴极,正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。,b,、光电效应,金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。,c,、强场放射（冷放射）,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。,d,、热电子放射,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。,4）金属(阴极)的表面电离：,25,5,、电子崩,由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从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，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。,5、电子崩 由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从电,26,三、自持放电条件：,电子电离系数 ：一个电子沿着屯场方向行经,1,厘米长度，平均发,生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。,表面电离系