1 气体击穿理论

1、高压电气设备绝缘预防试验高压电气设备绝缘预防试验 及及 电气设备状态检修电气设备状态检修 参考教材：参考教材： 电力系统状态检修技术 气体击穿理论气体击穿理论 气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。 如：如：空气、空气、 CO2、 N2、SF6、混合气体等、混合气体等。 当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力， 从而造成事故。为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气从而造成事故。为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气 体中的放电过程。体中的放电过程。 本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：本章

2、着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质带电质 点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。 气体绝缘要解决的主要问题：如何选择合适的绝缘距气体绝缘要解决的主要问题：如何选择合适的绝缘距 离；如何提高气体间隙的击穿电压。离；如何提高气体间隙的击穿电压。 影响气体击穿的主要因素：影响气体击穿的主要因素： 电场分布电场分布 电压种类电压种类 气体状态气体状态 第一节第一节 气体放电主要气体放电主要形式形式 什么是气体放电什么是气体放电：气体：气体中出现电流中出现电流的各种形式统称为的各种形式统称为 气体放电气体放电。 处于正常状态并隔绝各种外

3、电离因素作用的气体是完处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完 全不导电的。气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射全不导电的。气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射 线作用，线作用，500-1000对对/立方厘米正、负离子），在电场作立方厘米正、负离子），在电场作 用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通 常并不是理想绝缘介质。由于带电质点极少，气体的电导常并不是理想绝缘介质。由于带电质点极少，气体的电导 也极小，仍为优良的绝缘体。也极小，仍为优良的绝缘体。 沿面闪络沿面闪络：当击穿过程发生在：当击穿过程发生在气体与液体气体与液

4、体或或气体与固气体与固 体体的交界面上时，称为沿面闪络。的交界面上时，称为沿面闪络。 击穿电压击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。 击穿场强击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。 击穿击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后， 电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。气体这种由绝缘电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。气体这种由绝缘 状态突变为良导电态的过程，称为击穿。状态突变为良导电态的过程，称为击穿。 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，根

5、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：击穿后气体放电可具有多种不同形式： 1、辉光放电、辉光放电 2、电弧放电、电弧放电 3、火花放电、火花放电 4、电晕放电、电晕放电 气体放电形式气体放电形式 当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入当气体压力不大、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出现发光现象。至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。 这种放电形式称为这种放电形式称为辉光放电辉光放电。 辉光放电的特点辉

6、光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占：电流密度较小，放电区域通常占 据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。 1、辉光放电、辉光放电 注意：辉光放电仅仅发生在气压较低的情况下注意：辉光放电仅仅发生在气压较低的情况下 随着外回路中的阻抗减小，电流增大。当电流增大随着外回路中的阻抗减小，电流增大。当电流增大 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，这时的放电形式称更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称 为为电弧放电电弧放电。 电弧放电的特

7、点电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，：电流密度很大，管端电压很低， 具有短路的特性。具有短路的特性。 2、电弧放电、电弧放电 在较高气压（例如大气压力）下，气体击穿后总是在较高气压（例如大气压力）下，气体击穿后总是 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，称为间，称为火花放电。火花放电。 3、火花放电、火花放电 两种情况：两种情况： （1）当外回路中阻抗很大：）当外回路中阻抗很大： （2）当外回路阻抗很小、电源功率足够大：）当外回路阻抗很小、电源功率足够大： （1）当外回路中阻抗很大：）当外回路中阻抗很大：电极间出现贯

8、通两极的断电极间出现贯通两极的断 续的明亮细火花。火花间断的原因，回路阻抗很大，限制续的明亮细火花。火花间断的原因，回路阻抗很大，限制 了放电电流，间隙击穿后形成火花，电流突增，结果外回了放电电流，间隙击穿后形成火花，电流突增，结果外回 路中阻抗上压降增加，导致放电间隙上电压降低，以致火路中阻抗上压降增加，导致放电间隙上电压降低，以致火 花不能维持而熄灭；火花熄灭后，回路中电流减小，阻抗花不能维持而熄灭；火花熄灭后，回路中电流减小，阻抗 上压降又降低，放电间隙上电压重又增加，使间隙重又击上压降又降低，放电间隙上电压重又增加，使间隙重又击 穿而再形成火花。如此周而复始，形成断续的火花放电。穿而再

9、形成火花。如此周而复始，形成断续的火花放电。 （2）当外回路阻抗很小、电源功率足够大：）当外回路阻抗很小、电源功率足够大：间隙击穿间隙击穿 后可立即转入电弧放电，形成明亮而电导极大的放电通道。后可立即转入电弧放电，形成明亮而电导极大的放电通道。 随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层；随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层； 随着电压继续升高，发光层逐渐扩大，放电电流也逐渐增随着电压继续升高，发光层逐渐扩大，放电电流也逐渐增 大。这种放电称为大。这种放电称为电晕放电电晕放电。 4、电晕放电、电晕放电 发生电晕放电时，发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘气体间隙的大部分尚未丧

10、失绝缘 性能性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。 如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的 细放电通道，称为细放电通道，称为刷状放电刷状放电； 电压再升高，最后整个间隙才被击穿，根据电源功电压再升高，最后整个间隙才被击穿，根据电源功 率的大小而转为率的大小而转为电弧放电电弧放电或或火花放电火花放电。 第二节第二节 带电质点的产生带电质点的产生 气体分子的电离和金属的表面电离气体分子的电离和金属的表面电离 在电场作用下气体间隙中能发生放电现象，说明其中在电场作用下气体间隙中能发生放电现象，说明其中 存

11、在大量带电质点。这些带电质点的产生及消失决定了气存在大量带电质点。这些带电质点的产生及消失决定了气 体中的放电现象。因此在分析气体击穿的规律前，首先讨体中的放电现象。因此在分析气体击穿的规律前，首先讨 论在气体空间和从金属电极产生带电质点的一般规律。论在气体空间和从金属电极产生带电质点的一般规律。 一、原子的激励和电离一、原子的激励和电离 二、气体中质点的自由行程二、气体中质点的自由行程 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 四、金属的表面电离四、金属的表面电离 一、原子的激励和电离一、原子的激励和电离 （一）原子的能级（一）原子的能级 原子结构原子结构： 电子具有确定的能量（位能

12、和动能），通常轨道半电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位

13、能也相应增加，反之亦然。较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。 （一）原子的能级（一）原子的能级 能级能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。可取的确定的能量状态，称为原子的能级。 电子伏（电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏；：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差电位差 所获得的能量。电子的电荷为所获得的能量。电子的电荷为1.6 10-19C。所以：。所以： 激励激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能

14、：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。级跃迁到较高能级的过程。 激励能激励能We：发生激励过程所需要的能量称为激励能。：发生激励过程所需要的能量称为激励能。 激励电位激励电位Ue：以电子伏表示的激励能：以电子伏表示的激励能 （二）原子的激励（二）原子的激励 原子处在激励状态的平均原子处在激励状态的平均“寿命寿命”通常大致只有通常大致只有10-710-8s数量数量 级，然后就自发地迅速恢复到正常状态。级，然后就自发地迅速恢复到正常状态。 原子由较高激励能级跃迁至较低激励能级时将以光子的形式释原子由较高激励能级跃迁至较低激励能级时将以光子的形式释 放出能量。光子（光辐射

15、）的频率由下式决定，即：放出能量。光子（光辐射）的频率由下式决定，即： 亚稳激励状态：原子处于亚稳激励状态时极不容易直接恢复到亚稳激励状态：原子处于亚稳激励状态时极不容易直接恢复到 正常状态（直接跃迁的概率极小），一般必须先从外界获得能量跃正常状态（直接跃迁的概率极小），一般必须先从外界获得能量跃 迁到更高能级后，才能恢复到正常状态。原子处于亚稳状态的平均迁到更高能级后，才能恢复到正常状态。原子处于亚稳状态的平均 寿命较长，可达寿命较长，可达10-410-2s数量级。数量级。 h：普朗克常数：普朗克常数 ：辐射电磁波的频率辐射电磁波的频率 （三）原子的电离（三）原子的电离 原子的电离原子的电离

16、：原子在外界因素作用下，使其一个或几：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。称为原子的电离。 电离能电离能Wi：电离过程所需要的能量称为电离能。：电离过程所需要的能量称为电离能。 同样，电离能也可以用电离电位同样，电离能也可以用电离电位Ui来表示来表示 分级电离分级电离：原子先经过激励阶段（通常是亚稳激励状：原子先经过激励阶段（通常是亚稳激励状 态），然后接着发生电离的情况称为分级电离。显然这时态），然后接着发生电离的情况称为分级电离。显然这时 所需外来能量小于使原子直接电离所需

17、的能量。所需外来能量小于使原子直接电离所需的能量。 （一）平均自由行程（一）平均自由行程 质点的自由行程质点的自由行程：一个质点在相继两次碰撞之间自由地通过：一个质点在相继两次碰撞之间自由地通过 的距离称为自由行程。的距离称为自由行程。 平均自由行程平均自由行程 ：质点自由行程的平均值。：质点自由行程的平均值。 在气体放电中碰撞过程是产生带电质点极重要的来源。电子在气体放电中碰撞过程是产生带电质点极重要的来源。电子 在其自由行程内从外电场获得动能，如外电场足够强，则电子的动在其自由行程内从外电场获得动能，如外电场足够强，则电子的动 能可达甚大数值，以致在和分子碰撞时能使后者分裂出自由电子。能可

18、达甚大数值，以致在和分子碰撞时能使后者分裂出自由电子。 这样能不断引起电子增殖，从而导致气体间隙击穿。这样能不断引起电子增殖，从而导致气体间隙击穿。 显然，电子从电场中获得的能量除决定于电场强度外，还和显然，电子从电场中获得的能量除决定于电场强度外，还和 其自由行程有关其自由行程有关。 二、气体中质点的自由行程二、气体中质点的自由行程 气体中电子和离子的自由行程是指它们和气体分子发生碰撞时气体中电子和离子的自由行程是指它们和气体分子发生碰撞时 的行程，带电质点自身相互间的碰撞可以忽略不计。的行程，带电质点自身相互间的碰撞可以忽略不计。 电子的尺寸及质量比分子和离子小得多，运动中不易发生碰撞，电

19、子的尺寸及质量比分子和离子小得多，运动中不易发生碰撞， 所以电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多。所以电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多。 质点的平均自由行程同气体分子的数密度成反比，而气体的分质点的平均自由行程同气体分子的数密度成反比，而气体的分 子数密度和该气体的密度成正比，于是可得：子数密度和该气体的密度成正比，于是可得： 即质点的平均自由行程即质点的平均自由行程 和气体的压力和气体的压力p成反比，和气体的绝对成反比，和气体的绝对 温度温度T成正比。成正比。 关于自由行程需要注意的两个问题关于自由行程需要注意的两个问题 （二）自由行程的分布规律（二）自由行程的分布规律 质点的自

20、由行程大于质点的自由行程大于 x 的概率，也就是质点行过的概率，也就是质点行过 x 距离后尚未发生碰撞的概率为：距离后尚未发生碰撞的概率为： 可见自由行程越长的质点出现的机会越小，并按指可见自由行程越长的质点出现的机会越小，并按指 数规律衰减。数规律衰减。 （一）碰撞电离（一）碰撞电离 碰撞电离：碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从 电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞 而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。

21、 气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起 的。（的。（不考虑离子不考虑离子） 引起碰撞电离的必要条件：引起碰撞电离的必要条件： 三、气体中带电质点的产生三、气体中带电质点的产生 气体分子的电离：气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离碰撞电离；光电离；热电离 （二）光电离（二）光电离 光电离光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。 光子的能量决定于光的频率：光子的能量决定于光的频率： 引起光电离的必要条件：引起光电离的必要条件： 光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为

22、：光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为： 0 ; ii c WeU （ ） 在各种气体或金属蒸气中，铯的电离电位最低，等于在各种气体或金属蒸气中，铯的电离电位最低，等于3.88V，它，它 的光电离临界波长为的光电离临界波长为318 nm，相当于紫外线的范围。因此对所有气，相当于紫外线的范围。因此对所有气 体来说，在可见光（体来说，在可见光（400-750 nm）作用下，一般是不能直接发生光）作用下，一般是不能直接发生光 电离的。电离的。 光电离产生方式：光电离产生方式： 紫外线、宇宙射线照射；紫外线、宇宙射线照射； 带电质点的复合；带电质点的复合； （三）热电离（三）热电离 热电离热

23、电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。：由分子热运动引起的气体分子的电离。 气体分子的平均动能和气体温度的关系为：气体分子的平均动能和气体温度的关系为： 从本质上说，热电离和前述碰撞电离及光电离是一致的，都是能从本质上说，热电离和前述碰撞电离及光电离是一致的，都是能 量超过临界数值的质点或光子碰撞分子，使之发生电离，只是直接量超过临界数值的质点或光子碰撞分子，使之发生电离，只是直接 的能量来源不同罢了。的能量来源不同罢了。 负离子的形成：电子和气体分子碰撞非但没有电离出负离子的形成：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于分子，形成了负离子。新电子，反而是碰撞电子附着于

24、分子，形成了负离子。 能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性 气体。气体。 已发现的负离子有：已发现的负离子有： 负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子的形成起着阻碍放电的作用 （四）负离子的形成（四）负离子的形成 四、金属的表面电离四、金属的表面电离 表面电离表面电离：电子从金属表面逸出的过程称为表面电：电子从金属表面逸出的过程称为表面电 离。离。 逸出功逸出功：使金属释放出电子同样也需消耗一定能量，：使金属释放出电子同样也需消耗一定能量， 称为逸出功（称为逸出功（逸出功和金属的微观结构、表面状态有关，不同金逸出功和金属的微观结构、表面状态

25、有关，不同金 属的逸出功也各异属的逸出功也各异）。）。 （一）正离子碰撞阴极（一）正离子碰撞阴极 逸出的电子中有一个和正离子结合成为原子，其余的逸出的电子中有一个和正离子结合成为原子，其余的 就成为自由电子。所以正离子必须碰撞出一个以上电子时就成为自由电子。所以正离子必须碰撞出一个以上电子时 才能出现自由电子。才能出现自由电子。 （二）光电效应（二）光电效应 光电效应：金属表面受到光的照射放射出电子，这种光电效应：金属表面受到光的照射放射出电子，这种 现象称为光电效应。现象称为光电效应。 金属表面电离的主要形式：金属表面电离的主要形式：正离子碰撞阴极；光电效正离子碰撞阴极；光电效 应；场致发射

26、应；场致发射 ；热电子放射；热电子放射 （三）场致发射（三）场致发射 热电子放射场致发射（冷发射）：在阴极附近加以很热电子放射场致发射（冷发射）：在阴极附近加以很 强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，数量级， 所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、高气压、 高真空高真空） （四）热电子放射（四）热电子放射 热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可

27、获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。 第三节第三节 带电质点的消失带电质点的消失 三种方式三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于 电极（造成电流）；电极（造成电流）； 2、带电质点的扩散；、带电质点的扩散； 气体的扩散气体的扩散：造成扩散的原因是气体分子的热运动。：造成扩散的原因是气体分子的热运动。 带电质点的扩散带电质点的扩散：带电质点从浓度高的地方向浓度低：带电质点从浓度高的地方向浓度低 的地方移动，趋向是使带电质点的浓度变得均匀。的地方移动，趋向是使带电质点的浓度变得均匀。 气体中带

28、电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越 高或者温度越低，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱 3、带电质点的复合、带电质点的复合 带电质点的复合带电质点的复合：正离子和负离子或电子相遇，发：正离子和负离子或电子相遇，发 生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。程称为复合。 带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 第四节第四节 均匀电场中气体击穿的发展

29、过程均匀电场中气体击穿的发展过程 均匀电场中气体的击穿：均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论；流注理流注理 论论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。 一、非自持放电和自持放电一、非自持放电和自持放电 非自持放电非自持放电：去掉外电离因素的作用后放电随即停：去掉外电离因素的作用后放电随即停 止，则这种放电称为非自持放电。止，则这种放电称为非自持放电。 自持放电自持放电：能仅由电场的作用而维持的放电称为自：能仅由电场的作用而维持的放电称为自 持放电

30、。持放电。 图2-5 气体放电试验电路示意图 图2-6 气体放电过程中电流与电压的关系 图2-5 气体放电试验电路示意图 图2-6 气体放电过程中电流与电压的关系 OA段段：随着电压升高，带电：随着电压升高，带电 质点运动速度加大，电流增大；质点运动速度加大，电流增大； AB段段：当电压升高到：当电压升高到UA附近，附近， 电流趋于饱和。电离产生的带电电流趋于饱和。电离产生的带电 质点已全部落入电极，故电流便质点已全部落入电极，故电流便 取决于外电离因素而和电压无关。取决于外电离因素而和电压无关。 饱和电流密度数值极小（在饱和电流密度数值极小（在10-19 A/cm2数量级），气体间隙仍处数量

31、级），气体间隙仍处 于良好绝缘状态。于良好绝缘状态。 放电过程放电过程：紫外线照射下，两平行平板电极间产生带：紫外线照射下，两平行平板电极间产生带 电质点；电压作用下，带电质点沿电场方向运动，回路中电质点；电压作用下，带电质点沿电场方向运动，回路中 出现电流。出现电流。 BC段段：当电压增加到：当电压增加到UB附近，又出现电流的增长。附近，又出现电流的增长。 间隙中出现电子的碰撞电离，产生电子崩。间隙中出现电子的碰撞电离，产生电子崩。 电压升高到某临界值电压升高到某临界值U0，电流急剧增加，气体间隙转，电流急剧增加，气体间隙转 入良好的导电状态，并伴随着明显的外部特征：发光、发入良好的导电状态

32、，并伴随着明显的外部特征：发光、发 声等。声等。间隙击穿间隙击穿。 电压小于电压小于U0：非自持放电。间隙内虽有电流，但其数：非自持放电。间隙内虽有电流，但其数 值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚 未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电 离因素来维持，如果取消外电离因素，电流也将消失。离因素来维持，如果取消外电离因素，电流也将消失。 电压大于电压大于U0：自持放电。气体中电离过程只靠电场的：自持放电。气体中电离过程只靠电场的 作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素

33、了。作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。U0称称 为放电起始电压。为放电起始电压。 二、汤逊气体放电理论二、汤逊气体放电理论 20世纪初汤逊根据大量实验事实，提出了比较系统的世纪初汤逊根据大量实验事实，提出了比较系统的 气体放电理论，阐述了放电中的过程。实验表明，汤逊理气体放电理论，阐述了放电中的过程。实验表明，汤逊理 论虽然只是对论虽然只是对pd较小时的放电比较适用，但其中描述的较小时的放电比较适用，但其中描述的 基本过程具有普遍意义。基本过程具有普遍意义。 （一）（一） 过程引起的电流过程引起的电流 1、电子崩的形成、电子崩的形成 电子蹦电子蹦 2、 过程引起的电流过程引起的电流

34、 ：电子电离系数电子电离系数，代表一个电子沿着电场方向行经，代表一个电子沿着电场方向行经1 cm长度，平均发生的长度，平均发生的碰撞碰撞电离电离次数。次数。 设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，因此设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，因此 也就是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或也就是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或 正离子数。正离子数。 在强电场中出现电子崩的过程称为在强电场中出现电子崩的过程称为 过程。过程。 设在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单设在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单 位面积产生位面积产生n0个电子。个电子。 在电场作用下，这

35、在电场作用下，这n0个电子在向阳极运动的过程中不个电子在向阳极运动的过程中不 断引起碰撞电离。设放电过程稳定后，在距离阴极为断引起碰撞电离。设放电过程稳定后，在距离阴极为x 的横截面上，单位时间内单位面积有的横截面上，单位时间内单位面积有n个电子飞过。个电子飞过。 这这n个电子行过个电子行过dx之后，产生了之后，产生了dn个新的电子，其数个新的电子，其数 值应为：值应为： 将将上上式式积分，并考虑到积分，并考虑到x=0时，时，n=n0， 于是可得电子的增长规律为：于是可得电子的增长规律为： 电子电流增长规律为：电子电流增长规律为： 式中，式中，I0：外电离因素引起的起始电流：外电离因素引起的起

36、始电流 对于对于均匀电场，均匀电场， 不随不随x而变，而变，所以所以有有： 将将等号两边都乘以电子电荷及电极面积等号两边都乘以电子电荷及电极面积，得得 如令如令x=d，可得进入阳极的电子电流，此即外回路，可得进入阳极的电子电流，此即外回路 中的电流：中的电流： 从上式可知，从上式可知，当当 I0=0 时时，I = 0 即：只有即：只有 过程时，放电不能自持。过程时，放电不能自持。 3、电子电离系数、电子电离系数 的分析的分析 电场越强或电子的自由行程越长，它在相继两次碰撞电场越强或电子的自由行程越长，它在相继两次碰撞 间从电场得到的能量也越大，因此电子电离系数间从电场得到的能量也越大，因此电子

37、电离系数 应和应和 电场强度电场强度及自由行程也即及自由行程也即气体状态气体状态等因素有关。等因素有关。 电离系数电离系数 的一般表示形式：的一般表示形式： （二）（二） 及及 过程同时引起的电流过程同时引起的电流 1、 过程过程 正离子碰撞阴极表面正离子碰撞阴极表面，气体空间由于激励状态跃迁回气体空间由于激励状态跃迁回 正常状态及复合过程而释出的光子也能在阴极表面引起光正常状态及复合过程而释出的光子也能在阴极表面引起光 电离电离，这些过程统称为，这些过程统称为 过程。过程。 2、 及及 过程同时引起的电流过程同时引起的电流 过程的主要因素是正离子碰撞阴极后引起阴极发过程的主要因素是正离子碰撞

38、阴极后引起阴极发 射二次电子射二次电子 电离系数电离系数 ：每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金 属平均释放出的自由电子数。属平均释放出的自由电子数。 （三）均匀电场中的击穿电压（三）均匀电场中的击穿电压 1、自持放电条件、自持放电条件 由式（由式（2-24），当电压增加、电场增加时，），当电压增加、电场增加时， 随之增随之增 加，分母逐渐减小，电流迅速增大。加，分母逐渐减小，电流迅速增大。 当电压增到一定程度，致使分母趋近于零时，电流就当电压增到一定程度，致使分母趋近于零时，电流就 将趋于无穷，这意味着间隙击穿。这时如取消外电离因素将趋于无穷，这意味着间隙击穿

39、。这时如取消外电离因素 （I0=0），间隙仍能靠自身的电离，维持很大的电流。而），间隙仍能靠自身的电离，维持很大的电流。而 在这之前，取消外电离因素将使放电熄灭在这之前，取消外电离因素将使放电熄灭。 因此，放电由非自持转入自持的条件可写为：因此，放电由非自持转入自持的条件可写为： 式（式（2-27）的物理意义）的物理意义 是从阴极产生的一个电子消失在阳极之前，由是从阴极产生的一个电子消失在阳极之前，由 过过 程所形成的正离子数；程所形成的正离子数； 表示了这些正离子消失在阴极之前，由表示了这些正离子消失在阴极之前，由 过程又在阴过程又在阴 极上释放出的电子数。极上释放出的电子数。 所以式（所以

40、式（2-27）表示：由于外电场不断增强，阴极发射出的一个）表示：由于外电场不断增强，阴极发射出的一个 电子，在间隙中引起了如此强烈的碰撞电离，以致电离产生的全部电子，在间隙中引起了如此强烈的碰撞电离，以致电离产生的全部 正离子到达阴极而中和后，又能由正离子到达阴极而中和后，又能由 过程而在阴极上重新释放出一过程而在阴极上重新释放出一 个电子；后者又可继续在空间造成碰撞电离，重复以上的过程。即个电子；后者又可继续在空间造成碰撞电离，重复以上的过程。即 每个电子消失时，都能由于自身引起的过程重新造成一个每个电子消失时，都能由于自身引起的过程重新造成一个“替身替身”。 这样显然就能不再凭借外电离因素

41、，而依靠间隙本身的过程来使电这样显然就能不再凭借外电离因素，而依靠间隙本身的过程来使电 离维持发展，即转入自持放电了。离维持发展，即转入自持放电了。 2、击穿电压、巴申定律、击穿电压、巴申定律 （1）击穿电压）击穿电压 代人自持放电条件代人自持放电条件 普遍形式：普遍形式： 将将 的表达式的表达式 （2）巴申）巴申定律定律 图中数据显示，随着图中数据显示，随着pd的变化，击穿电压将出现极小值。的变化，击穿电压将出现极小值。 式（式（2-32）表示，均匀电场中的击穿电压是）表示，均匀电场中的击穿电压是 pd 的函数，这个规的函数，这个规 律在碰撞电离学说提出之前，就已从实验中总结出来了，称为巴申

42、律在碰撞电离学说提出之前，就已从实验中总结出来了，称为巴申 定律。巴申定律可由碰撞电离学说加以阐明，因此反过来也就成为定律。巴申定律可由碰撞电离学说加以阐明，因此反过来也就成为 这一学说的有力支持。这一学说的有力支持。 将上式对将上式对pd求导，可从理论求导，可从理论 上求出该极小值的条件为：上求出该极小值的条件为： min 1 ln ()pd A 为使放电达到自持，每个电子在从阴极到阳极的行程上需引起为使放电达到自持，每个电子在从阴极到阳极的行程上需引起 足够多的碰撞电离次数。足够多的碰撞电离次数。 考察考察d不变，改变压力不变，改变压力p时的情况：时的情况： 当压力很小时，气体稀薄，当压力

43、很小时，气体稀薄， 很大，这时虽然电子在两次碰撞很大，这时虽然电子在两次碰撞 间可积累起很大动能，容易引起电离，但碰撞次数太少，因此随着间可积累起很大动能，容易引起电离，但碰撞次数太少，因此随着 p进一步减少，击穿电压势必增大；进一步减少，击穿电压势必增大； 当压力很大时，气体密度很大，当压力很大时，气体密度很大， 很小，这时虽然碰撞次数增很小，这时虽然碰撞次数增 多，但电子不易积累动能，引起电离的可能性大减，故随着多，但电子不易积累动能，引起电离的可能性大减，故随着p继续继续 加大，击穿电压同样也将增加。加大，击穿电压同样也将增加。 因此随着因此随着 pd 变化，击穿电压必将出现极小值变化，

44、击穿电压必将出现极小值 由此可见，为了提高间隙的介电强度，可以抽成高真空或加大由此可见，为了提高间隙的介电强度，可以抽成高真空或加大 气压。这两种措施在工程实践中都有采用。气压。这两种措施在工程实践中都有采用。 击穿电压具有极小值的理论解释击穿电压具有极小值的理论解释 （四）汤逊放电理论的适用范围（四）汤逊放电理论的适用范围 汤逊气体放电理论是在气压较低、汤逊气体放电理论是在气压较低、pd 值较小条件下进值较小条件下进 行的放电实验的基础上建立起来的。行的放电实验的基础上建立起来的。pd 过小或过大，放过小或过大，放 电机理将出现变化，汤逊理论就不适用了。电机理将出现变化，汤逊理论就不适用了。

45、 pd 越来越小时越来越小时(图图2-12极小值左边极小值左边)，Ub将越来越大。气压极低将越来越大。气压极低 时，电子的自由行程可能远大于极间距离，所以使得碰撞电离实际时，电子的自由行程可能远大于极间距离，所以使得碰撞电离实际 上不可能发生，故按碰撞电离学说，上不可能发生，故按碰撞电离学说，pd 极小时，极小时，Ub应趋于无穷。应趋于无穷。 但是，在强电场作用下，阴极会出现强场放射而导致击穿，也即高但是，在强电场作用下，阴极会出现强场放射而导致击穿，也即高 真空下击穿的机理改变了。真空下击穿的机理改变了。 pd 很大时很大时(高气压、大间隙高气压、大间隙)，气体击穿的很多实验现，气体击穿的很

46、多实验现 象也都无法在汤逊理论的范围内加以解释。象也都无法在汤逊理论的范围内加以解释。 两者间的主要差异可概述如下：两者间的主要差异可概述如下： （1）放电外形：）放电外形：根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀 连续地发展，气体放电发光区应占据了整个电极空间，但较大气压连续地发展，气体放电发光区应占据了整个电极空间，但较大气压 力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通道。力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通道。 （2）放电时间：）放电时间：根据汤逊理论，间隙完成击穿需要好几次这样根据汤逊理论，间隙完成击穿需要好几次这样 的循环：形成电子崩，电

47、子崩中正离子到达阴极造成二次电子，这的循环：形成电子崩，电子崩中正离子到达阴极造成二次电子，这 些电子重又形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成些电子重又形成更多的电子崩。由正离子的迁移率可以计算出完成 击穿所需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低击穿所需的时间，即所谓放电时间。这样计算得到的放电时间和低 气压下的放电时间比较一致，但比火花放电时的放电时间实测值要气压下的放电时间比较一致，但比火花放电时的放电时间实测值要 大得多。大得多。 （3）击穿电压：）击穿电压：在在pd值较小时，选择适当的值较小时，选择适当的 值，根据汤逊自值，根据汤逊自 持放电条件求得的击穿电压

48、和实验值比较一致。但在持放电条件求得的击穿电压和实验值比较一致。但在pd值很大时，值很大时， 如仍采用原来的如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和实验值将有很大出入。值，则击穿电压计算值和实验值将有很大出入。 （4）阴极材料的影响：）阴极材料的影响：根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿 过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有过程中应起一定作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有 一定影响，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料一定影响，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料 无关。无关。 以上几种情况可以说明，汤逊理论

49、只适用于一定的以上几种情况可以说明，汤逊理论只适用于一定的pd 范围。较大范围。较大pd范围时，击穿过程就将发生改变，不能用范围时，击穿过程就将发生改变，不能用 汤逊理论来分析。汤逊理论来分析。 三、气体击穿的流注理论三、气体击穿的流注理论 流注理论的特点：流注理论的特点： u 电子电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要 因素；因素； u 强调强调了空间电荷畸变电场的作用了空间电荷畸变电场的作用； u 流注流注理论目前还很粗糙，实际上只限于放电过程的理论目前还很粗糙，实际上只限于放电过程的 定性定性描述。描述。 （一）在电离室中进行的放电发展的实验

50、研究（一）在电离室中进行的放电发展的实验研究 电离室也称云室，电离室内充以需要研究的气体，气体中含有饱电离室也称云室，电离室内充以需要研究的气体，气体中含有饱 和的水蒸气或酒精蒸气。放电同时立刻将橡皮膜往下拉，使电离室和的水蒸气或酒精蒸气。放电同时立刻将橡皮膜往下拉，使电离室 中气体适当膨胀，于是温度下降，蒸气转入过饱和状态。结果，蒸中气体适当膨胀，于是温度下降，蒸气转入过饱和状态。结果，蒸 气就能在气体放电形成的离子周围凝结，使得放电途径成为可见，气就能在气体放电形成的离子周围凝结，使得放电途径成为可见， 并可透过玻璃侧壁摄制照片。并可透过玻璃侧壁摄制照片。 放电从电子崩开始，然后转为流注，

51、最后由流注发展为击穿放电从电子崩开始，然后转为流注，最后由流注发展为击穿 （1）电子蹦形成）电子蹦形成 如图如图2-18a所示。所示。 （2）电子蹦对电场的影响）电子蹦对电场的影响 电子崩的电离过程集中于头部，空间电荷的分布极不均匀，如电子崩的电离过程集中于头部，空间电荷的分布极不均匀，如 图图2-18b所示。当电子崩发展到足够程度后，空间电荷将使外电场所示。当电子崩发展到足够程度后，空间电荷将使外电场 明显畸变，大大加强了崩头的电场也加强了崩尾的电场，而削弱了明显畸变，大大加强了崩头的电场也加强了崩尾的电场，而削弱了 崩头内正、负电荷区域之间的电场，如图崩头内正、负电荷区域之间的电场，如图2

52、-18c、d所示。所示。 （3）大量光子形成）大量光子形成 崩头前后，电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，崩头前后，电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象， 当它们从激励状态回复到正常状态时，就将放射出光子；当它们从激励状态回复到正常状态时，就将放射出光子； 崩头内部正、负电荷区域之间电场大大削弱，有助于发生复合过程，崩头内部正、负电荷区域之间电场大大削弱，有助于发生复合过程， 同样也将发射出光子。同样也将发射出光子。 （二）电子崩（二）电子崩 当外电场相对较弱时，这些当外电场相对较弱时，这些 过程不很强烈，不致引起什么新过程不很强烈，不致引起什么新 的现象。电子崩经过整个电极

53、间的现象。电子崩经过整个电极间 隙后，电子进入阳极，正离子也隙后，电子进入阳极，正离子也 逐渐在阴极上发生中和而失去其逐渐在阴极上发生中和而失去其 电荷。这样，这个电子崩就消失电荷。这样，这个电子崩就消失 了，因而放电没有转入自持。了，因而放电没有转入自持。 但当外电场甚强，达到击穿但当外电场甚强，达到击穿 场强时，情况就起了质的变化，场强时，情况就起了质的变化， 电子崩头部就开始形成流注。电子崩头部就开始形成流注。 图2-18 平板电极间电子崩空间 电荷对外电场的畸变 （三）流注的形成（三）流注的形成 1、正流注的形成、正流注的形成 （1）由外电离因素从阴极释放出的电子向阳极运动，形成电子崩

54、，）由外电离因素从阴极释放出的电子向阳极运动，形成电子崩， 如图如图2-19a所示。所示。 （2）随着电子崩向前发展，其头部的电离过程越来越强烈。当电）随着电子崩向前发展，其头部的电离过程越来越强烈。当电 子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度已经很大，大大加强了尾子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度已经很大，大大加强了尾 部的电场，并向周围放射出大量光子，如图部的电场，并向周围放射出大量光子，如图2-19b所示。所示。 1、正流注的形成、正流注的形成 （3）光子引起空间光电离，新形成的电子被主电子崩头部的正空）光子引起空间光电离，新形成的电子被主电子崩头部的正空 间电荷所吸引，在受到畸变而加强

55、了的电场中，又激烈地造成了新间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，又激烈地造成了新 的电子崩，称为二次电子崩，如图的电子崩，称为二次电子崩，如图2-19c。 （4）二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头）二次电子崩向主电子崩汇合，其头部的电子进入主电子崩头 部的正空间电荷区（主电子崩的电子已大部进入阳极了），由于这部的正空间电荷区（主电子崩的电子已大部进入阳极了），由于这 里电场强度较小，因此电子大多形成负离子。大量的正、负带电质里电场强度较小，因此电子大多形成负离子。大量的正、负带电质 点构成了等离子体，这就是所谓正流注，如图点构成了等离子体，这就是所谓正流注，如图2-19

56、d所示。所示。 1、正流注的形成、正流注的形成 （5）流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，）流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷， 因此流注头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩因此流注头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩 汇集的结果，流注头部电离过程将蓬勃发展，向周围放射出大量光汇集的结果，流注头部电离过程将蓬勃发展，向周围放射出大量光 子，继续引起空间光电离。于是在流注前方出现了新的二次电子崩，子，继续引起空间光电离。于是在流注前方出现了新的二次电子崩， 它们被吸引向流注头部，从而延长了流注通道，如图它们被吸引向流注头部，从而延长

57、了流注通道，如图2-19e所示。所示。 1、正流注的形成、正流注的形成 （6）流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越）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。当流注发展到阴极后，整个间隙来越强，因而其发展也越来越快。当流注发展到阴极后，整个间隙 就被电导良好的等离子通道所贯通，于是完成间隙的击穿，如图就被电导良好的等离子通道所贯通，于是完成间隙的击穿，如图2- 19f所示。所示。 2、负流注的形成、负流注的形成 当电压较低（电压等于击穿电压当电压较低（电压等于击穿电压 时），电子崩需经过整个间隙方能形时），电子崩需经过整个间隙方能形 成

58、流注，此时形成的流注为正流注。成流注，此时形成的流注为正流注。 如果外施电压比击穿电压高，则如果外施电压比击穿电压高，则 电子崩不需经过整个间隙，其头部电电子崩不需经过整个间隙，其头部电 离程度已足以形成流注（见图离程度已足以形成流注（见图2-20）。）。 流注形成后，向阳极发展，所以称为流注形成后，向阳极发展，所以称为 负流注。负流注。 负流注发展中，由于电子的运动负流注发展中，由于电子的运动 受到电子崩留下的正电荷的牵制，所受到电子崩留下的正电荷的牵制，所 以其发展速度较正流注的要小。以其发展速度较正流注的要小。 当流注贯通整个间隙后，击穿就当流注贯通整个间隙后，击穿就 完成了。完成了。

59、1、自持放电自持放电条件条件 流注形成的条件就是自持放电条件。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，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙 就将被击穿。 （四）均匀电场中的击穿电压（四）均匀电场中的击穿电压 只有当起始电子崩头部电荷达到一定数量，使得电 场畸变而加强到一定程度及造成足够的空间光电离后，方 能转入流注。也就是说流注的形成直接决定于起始电子崩 头部的电荷，所以均匀电场中的自持放电条件，也即其击 穿条件可以写为： 自持放电条件自持放电条件 为了和低pd值条件下自持放电条件一致，上式可写为： 汤汤逊放电过程和流注放电过程中自持放电条逊放电过程和

60、流注放电过程中自持放电条 件只是形式上的相似，而维持放电自持的具体过件只是形式上的相似，而维持放电自持的具体过 程则是不同的。在两种放电过程中，系数不仅数程则是不同的。在两种放电过程中，系数不仅数 量上有很大差别，而且具有不同的物理意义。量上有很大差别，而且具有不同的物理意义。 注意：注意： 2、击穿电压击穿电压 击穿电压击穿电压的公式应和前述汤逊理论中所得的的公式应和前述汤逊理论中所得的 式式2-30完全相同。但只是形式相同，两种情况下完全相同。但只是形式相同，两种情况下 的放电过程有很大差别。的放电过程有很大差别。 3、系数系数 从从理论分析的基础上求出理论分析的基础上求出 值是非常困难的