气体放电基础

1、气体放电中的基本粒子：气体放电中的基本粒子： 基态原子（或分子）基态原子（或分子） 电子电子 e1/2mve2，典型密度为典型密度为10161020/m3. 激发态原子激发态原子(或分子或分子) 正离子和负离子正离子和负离子 光子光子 h 气体放电物理基础气体放电物理基础基本粒子间的相互作用基本粒子间的相互作用 弹性碰撞弹性碰撞 参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变化，而位能不发生变化。化，而位能不发生变化。22121)(2mmmm平均能量损失率气体放电物理基础气体放电物理基础举例：举例：me=9.1 10-31kg, mHe=6.68 10-27kg.e-

2、He原子碰撞：原子碰撞： 2.72 10-4, He+-He原子碰撞：原子碰撞： 0.5 非弹性碰撞非弹性碰撞 使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。 如如 He+e(快速）快速） He*+e（慢速）慢速） 第二类非弹性碰撞：导致粒子体系位能减小。第二类非弹性碰撞：导致粒子体系位能减小。 如如 He* +e(慢速）慢速） He+e（快速）快速） 气体放电物理基础气体放电物理基础内能的最大值内能的最大值21212max)(2EmmmW气体放电物理基础气体放电物理基础第一类非弹性碰撞

3、第一类非弹性碰撞:211121mE 如如 m1 m2，Wmax 0.5E1； m1m2，Wmax E1。气体放电物理基础气体放电物理基础气体原子的激发和电离气体原子的激发和电离激发态激发态原子能级原子能级谐振能级谐振能级 （受激原子自发地直接过渡到（受激原子自发地直接过渡到 基态，基态，并产生光子辐射。）并产生光子辐射。）较高激发态能级较高激发态能级（向较低基发态能级跃迁，并产生光子（向较低基发态能级跃迁，并产生光子辐射。）辐射。）亚稳能级亚稳能级 （不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）气体放电物理基础气体放电物理基础 电子与气体原子碰撞致激发和电离电子与气体

4、原子碰撞致激发和电离原子由基态原子由基态E0激发态激发态EmemeeUEEm0221基态原子被电离基态原子被电离emeeUEEm0221电子必须具有的动能电子必须具有的动能EeAAe*EeAAe2电子使基态原子电子使基态原子(或分子或分子)电离和激发电离和激发气体放电物理基础气体放电物理基础电子使激发态原子电离和激发电子使激发态原子电离和激发eAAe*eeAAe*举例：举例： 汞的电离电位为汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态而汞弧放电的稳态电压只有电压只有910V。这是因为这是因为eeHgpHge)6(03*eeHgpHge)6(23*能级为4.66ev能级为5.43ev气体放电物理基

5、础气体放电物理基础碰撞截面碰撞截面原子作用半径原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。电子与原子间能发生相互作用的最大距离。原子与电子碰撞的有效截面原子与电子碰撞的有效截面 2Rqe电子能量的函数 有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。气体放电物理基础气体放电物理基础电子和气体原子的碰撞几率电子和气体原子的碰撞几率总有效截面总有效截面eenqQ 电子的平均自由程电子的平均自由程eeenqQ11气体放电物理基础气体放电物理基础氦

6、原子的激发截面与电子能量的关系 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离气体放电物理基础气体放电物理基础 光致激发和光致电离光致激发和光致电离)*(AAh光致激发和光致电离光致激发和光致电离的光子波长的光子波长)(1024. 1)(3evWnm气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础 热激发和热电离热激发和热电离(1)气体原子相互碰撞产生电离气体原子相互碰撞产生电离(2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离高温气体产生热辐射而引起的光致电离(3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离气体

7、放电物理基础气体放电物理基础 X射线及核辐射引起的电离和剩余电离射线及核辐射引起的电离和剩余电离(1)气体原子吸收气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离射线量子后，使一个价电子脱离。这这个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。(2)高能高能X射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程也伴随着能量的释放。新的也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离量子又可以产生新的电离。(3)原子不是完全吸收原子不是完全吸收x射

8、线量子，而是产生康普顿效应。射线量子，而是产生康普顿效应。X射线：射线：气体放电物理基础气体放电物理基础核辐射引起的电离：核辐射引起的电离：（1） 射线、质子和氘核射线、质子和氘核 它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生的第一类非弹性碰撞。的第一类非弹性碰撞。（2） 射线射线 它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一类非弹性碰撞。类非弹性碰撞。（3） 射线射线 射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电离，主要产生康普顿效应。离，主要产生康

9、普顿效应。气体放电物理基础气体放电物理基础（1）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中放射性物质的辐射。放射性物质的辐射。（2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。宇宙线是来自星际空间的高能粒子。宇宙线是来自星际空间的高能粒子。剩余电离剩余电离 从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高度增加而下降，度增加而下降， 在到达在到达1.5km以后，剩余电离重以后，剩余电离重新增加。新增加。气体原子的激发转移和消电离气体原子的激发转移和消电离 气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和气

10、体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非弹性碰撞。弹性碰撞。1气体原子的激发转移气体原子的激发转移 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 与电子的非弹性碰撞与电子的非弹性碰撞 与基态原子的非弹性碰撞与基态原子的非弹性碰撞潘宁效应潘宁效应辐射的淬灭辐射的淬灭敏化荧光敏化荧光气体放电物理基础气体放电物理基础2带电粒子的复合带电粒子的复合 电子和正离子间的复合电子和正离子间的复合气体放电物理基础气体放电物理基础 假定电子质量为假定电子质量为m，正离子质量为正离子质量为M。复合之前，。复合之前，电子相对于离子的速度为

11、电子相对于离子的速度为 ，复合后形成中性原子速，复合后形成中性原子速度为度为u。中性原子的质量则为。中性原子的质量则为mM。eUi为其电离能。为其电离能。 根据动量守恒有根据动量守恒有uMmmv)(根据动量守恒有根据动量守恒有22)(2121uMmeUmvi气体放电物理基础气体放电物理基础从以上两式得出从以上两式得出)()(22无解MMmmeUui说明说明 电子与正离子的二体复合不可能发生。电子与正离子的二体复合不可能发生。三体碰撞复合三体碰撞复合辐射复合辐射复合气体放电物理基础气体放电物理基础 正负离子间的复合正负离子间的复合（a）辐射复合辐射复合 X - +Y+ XY +h （b）电荷交换

12、电荷交换 X - +Y+ XY（c）三体复合三体复合 X - +Y+Z XY +Z 由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以离子复合几率比电子复合几率大得多。离子复合几率比电子复合几率大得多。 在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负离子再与正离子发生复合。离子再与正离子发生复合。3. 带电粒子的电荷转移带电粒子的电荷转移EBABAEBABA*EBABA*4负离子的形成负离子的形成中性原子捕获电子形成负离子中性原子捕

13、获电子形成负离子hAAe三体碰撞三体碰撞BABAe分解吸附分解吸附YXXYXYe*)(分子气体与电子碰撞产生离子对分子气体与电子碰撞产生离子对eYXXYe重粒子间的电荷转移产生离子对重粒子间的电荷转移产生离子对BABA气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 带电粒子的热运动带电粒子的热运动 带电粒子的扩散运动带电粒子的扩散运动 带电粒子的漂移运动带电粒子的漂移运动气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子的热运动带电粒子的热运动（1）带电粒子的速度分布与平均动能）带电粒子的速度分布与平均动能麦克斯韦分布：麦克斯韦分布：气体放电

14、物理基础气体放电物理基础三种统计速度：三种统计速度：最可几速度最可几速度mkTp2平均速度平均速度pmkT13. 18方均根速度方均根速度psmkT22. 132带电粒子的平均动能：带电粒子的平均动能：TTTTkTMMmniesnnsiisee,23212121222气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子的平均自由程及其分布律带电粒子的平均自由程及其分布律分子平均自由程分子平均自由程nr2241离子平均自由程离子平均自由程i电子平均自由程电子平均自由程nre2124电子自由程分布律电子自由程分布律)exp(eexxnn气体放电物理基础气体放电物理基础杂乱电流密度杂乱电流密度 在无外场作用时，

15、带电离子在气体中的无规则在无外场作用时，带电离子在气体中的无规则热运动，在宏观上对外并不表现出电流。但在电热运动，在宏观上对外并不表现出电流。但在电离气体中，某一指定方向的单位面积上，在单位离气体中，某一指定方向的单位面积上，在单位时间内有一定量的带电粒子通过。时间内有一定量的带电粒子通过。 电离气体中的杂乱电子、离子流密度为电离气体中的杂乱电子、离子流密度为eeeenj41iiienj41气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的迁移运动带电粒子在气体中的迁移运动离子迁移速度离子迁移速度iiKu 电子迁移速度电子迁移速度eeKu 通过气体的电流通过气体的电流iieeieuenuenj

16、jj气体放电物理基础气体放电物理基础离子迁移率（Longevin公式）iiMeaK 温度为0C，气体压强为133Pa气体放电物理基础气体放电物理基础电子迁移率4eeimeCK 电子在每次碰撞中传给气体粒子的平均能量百分数气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的扩散运动电子扩散系数离子扩散系数eeeD31iiiD31由于ei， ei ，所以DeDi。爱因斯坦关系式ekTKDeeeekTKDiii带电粒子的双极性扩散运动带电粒子的浓度分布随时间的变化气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础汤生放电自 持暗放电辉光放电弧光放电自持放电非自持放电Vf10-1610-1

17、410-1210-110-210-310-410-510-610110010-1002004006008001000ABCDEVREaIFGHVa(V)I(A)气体发生稳定放电的区域：正常辉光放电区(EF) 反常辉光放电区(FG) 弧光放电区(GH)气体放电的伏安特性气体放电的伏安特性 为了描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种为了描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种电离过程，并引出三个对应的电离系数：电离过程，并引出三个对应的电离系数：（1 1） 汤生第一电离系数汤生第一电离系数系数。它是指每个电子系数。它是指每个电子在沿电场反方向运行单位距离的过程中，与气体原子发在沿电场反方向运行单

18、位距离的过程中，与气体原子发生碰撞电离的次数。生碰撞电离的次数。气体的击穿和巴邢定律气体的击穿和巴邢定律电电子子繁繁流流示示意意图图气体放电物理基础气体放电物理基础（2 2）汤生第二电离系数）汤生第二电离系数系数。它是指系数。它是指一个正离子沿电场方向运行单位路程所产一个正离子沿电场方向运行单位路程所产生的碰撞电离次数。生的碰撞电离次数。 （3 3） 汤生第三电离系数汤生第三电离系数 系数。它是系数。它是指每个正离子打上阴极表面时，产生的二指每个正离子打上阴极表面时，产生的二次电子发射数。次电子发射数。气体放电物理基础气体放电物理基础 当一个电子由阴极方向进入当一个电子由阴极方向进入dx层，则

19、在层，则在dx层中将产生层中将产生dx个电子。如果在个电子。如果在x处，单位时间处，单位时间通过单位面积的电子数为通过单位面积的电子数为n，则则经过经过dx层后，新产生的电子数层后，新产生的电子数为为ndx，dxndn 如已知边界条件为如已知边界条件为x0，nn。，。，则在均匀电场中则在均匀电场中(常数常数)，对式上积分，得，对式上积分，得xdxenennx000（1）（2）气体放电物理基础气体放电物理基础 如极间距离为如极间距离为d，则到达阳极的电子数则到达阳极的电子数0dnn e相应的电子流密度为相应的电子流密度为0djj e从阳极发射的从阳极发射的n0个电子，在到达阳极过程中，因个电子，

20、在到达阳极过程中，因作用在作用在空间新产生的电子数为空间新产生的电子数为na- n0 。这些也是新产这些也是新产生的正离子数。如果忽略正离子在空间的碰撞电离作用生的正离子数。如果忽略正离子在空间的碰撞电离作用( 0)，就有就有 个正离子轰击阴极，它们将在阴极上新个正离子轰击阴极，它们将在阴极上新产生产生 个电子。个电子。) 1(0den) 1(0den) 1(0den（3）（4）气体放电物理基础气体放电物理基础 假定假定n0是外界电离源，它的大小不随时间变化。把它是外界电离源，它的大小不随时间变化。把它看成第一周期从阴极发射的电子。到了第二周期阴极单位看成第一周期从阴极发射的电子。到了第二周期

21、阴极单位时间、单位面积发射的它于数等于时间、单位面积发射的它于数等于 。令令依次类推，可以写出第三、第四、依次类推，可以写出第三、第四、周期、阴极单位时周期、阴极单位时间、单位面积发射的电子数以及到达阳极的电子数。经过间、单位面积发射的电子数以及到达阳极的电子数。经过无限周期以后，到达阳极的电子数为无限周期以后，到达阳极的电子数为其极限值为其极限值为) 1(00denn) 1(0den)1 (320 daenn) 1(1100dddaeenenn（5）（6）气体放电物理基础气体放电物理基础电子繁流过程中，阴极发出的电子数和到达阳极的电子数电子繁流过程中，阴极发出的电子数和到达阳极的电子数气体放

22、电物理基础气体放电物理基础相应的电子流密度为相应的电子流密度为) 1(10ddaeejj相应的极间电压为自持放电的击穿电压或着火电压。相应的极间电压为自持放电的击穿电压或着火电压。 当分母为零，分子也趋于零时，当分母为零，分子也趋于零时，ja仍可以为有限值。仍可以为有限值。这表明，当外界电离源去除，即使初始电流这表明，当外界电离源去除，即使初始电流j00，放放电仍然继续进行，这就形成了自持放电。因此放电着电仍然继续进行，这就形成了自持放电。因此放电着火火(或称击穿或称击穿)的条件为的条件为1) 1(de（7）（8）气体放电物理基础气体放电物理基础 定量分析定量分析 与场强与场强 和气压和气压P

23、关系时的近似假设：关系时的近似假设：(1)电场较强，电子在气体中以定向运动为主，忽略乱向热电场较强，电子在气体中以定向运动为主，忽略乱向热运动；运动；(2)电子和气体原子每次磁撞后，沿电场方向的初速度为零；电子和气体原子每次磁撞后，沿电场方向的初速度为零； (3)电子在一个自由程中从电场获得能量电子在一个自由程中从电场获得能量Eee，只要，只要ee eUi，则电离几率为则电离几率为1；如果；如果eeeUi，电离几率为电离几率为零。零。 根据假设根据假设(1)和和 的定义，的定义， 系数应等于电子在系数应等于电子在1cm路路程中与气体原子的平均碰撞次数和电离几率的乘积，即程中与气体原子的平均碰撞

24、次数和电离几率的乘积，即电离几率e1（9）气体放电物理基础气体放电物理基础 确确 根据假设根据假设(2)和和(3)，当电子在一个自由程中获得，当电子在一个自由程中获得的能量的能量ee等于或大于原子电离能等于或大于原子电离能eUi时，就一定产生时，就一定产生电离碰撞。即当电子在两次碰撞间的自由程满足电离碰撞。即当电子在两次碰撞间的自由程满足iiU可产生电离碰撞。因此自由程大于可产生电离碰撞。因此自由程大于Ui/ 的几率，就的几率，就是电离几率。根据自由程分布规律，立即可得是电离几率。根据自由程分布规律，立即可得)exp(eiU电离几率（10）（11）气体放电物理基础气体放电物理基础将式将式(11

25、)代入式代入式(9)，得，得)exp(1eieU令令 ，P为气体压强。又令为气体压强。又令B=AUi。代入式（代入式（12）得）得APe1（12）)exp(BPAP或或)()exp(PfPBAP（13）气体放电物理基础气体放电物理基础几种气体的巴邢曲线几种气体的巴邢曲线 Vf(V)11010-1102102103104Pd(1.33Pa.m)Ne-Ar(0.1%)NeArH2Hg空气(Pd)minVfmin帕邢帕邢(Paschen)定律定律 在气体种类、电极材在气体种类、电极材料等条件不变时，着火电料等条件不变时，着火电压压Ub不仅单独和压强不仅单独和压强P或极或极间距离间距离d有关，而且和有

26、关，而且和Pd的的乘积有关乘积有关 Ub=f（Pd）（14）Ub与与Pd的函数关系的推导：的函数关系的推导：根据着火条件根据着火条件 ， 系数必须满足系数必须满足1) 1(de1ln1d（15）气体放电物理基础气体放电物理基础据式据式(13)exp(BPAP（16）从式从式(15)和和(16)相等，可得相等，可得)exp(1ln1bUBPdAPd上式两边取对数上式两边取对数bUBPdPdAln)1ln1ln(整理后得整理后得)1ln(ln)ln(ApdBpdUb（17）气体放电物理基础气体放电物理基础)11ln(72. 2minABUbApd)11ln(72. 2)(min因而因而 令令常数)

27、11ln(lnAC)(lnPdfCPdBPdUb（18）从从 ，可得最低着火点：，可得最低着火点：0)(PdddUb（19）（20）气体放电物理基础气体放电物理基础帕邢定律的物理意义：帕邢定律的物理意义： 电子从阴极到阳极全部路程电子从阴极到阳极全部路程d内，所产生的总内，所产生的总碰撞次数为碰撞次数为PddNed而电子在一个平均自由程中从电场获得的能量为而电子在一个平均自由程中从电场获得的能量为PddUeeEee1因电子碰撞电离几率因电子碰撞电离几率 E 1/Pd，因此无论改变压强因此无论改变压强P或极间距离或极间距离d，只要只要Pd乘积不变，则乘积不变，则Nd和电离几率和电离几率都不变，也

28、就是电子从阴极到阳极所产生的总电离都不变，也就是电子从阴极到阳极所产生的总电离碰撞次数不变，着火电压也不变。碰撞次数不变，着火电压也不变。气体放电物理基础气体放电物理基础存在存在Ub的物理解释：的物理解释： 当当p不变，而不变，而d由小增大时，由小增大时，E变小，变小， 变小，但变小，但 d的乘的乘积可能增大也可能减小，因此存在最佳放电状态。积可能增大也可能减小，因此存在最佳放电状态。 当当d不变，而不变，而p增大时，电子在一个自由程中获得的能量增大时，电子在一个自由程中获得的能量减小，电离几率下降，这对放电不利；但另一方面电子在极减小，电离几率下降，这对放电不利；但另一方面电子在极间碰撞总数

29、增大，这对放电发展有利，因此也存在最佳放电间碰撞总数增大，这对放电发展有利，因此也存在最佳放电状态。状态。 当当pd乘积从小到大发生变化时，一方面因碰撞次数增乘积从小到大发生变化时，一方面因碰撞次数增多，有利于放电发展；另一方面，因电子在一个自由程中获多，有利于放电发展；另一方面，因电子在一个自由程中获得能量减小，不利于放电的发展。综合两方面的影响因素，得能量减小，不利于放电的发展。综合两方面的影响因素，存在最小着火电压。存在最小着火电压。气体放电物理基础气体放电物理基础汤生放电理论的缺陷：汤生放电理论的缺陷：1) 1(de) 1(10ddaeejj自持放电的条件：自持放电的条件：则由则由气体

30、放电物理基础气体放电物理基础若若j0 0， ja .无法说明着火以后，自持放电的发展情况。无法说明着火以后，自持放电的发展情况。原因：原因： 没有考虑繁流过程中，逐渐增长的空间电荷对电没有考虑繁流过程中，逐渐增长的空间电荷对电场畸变造成的影响。场畸变造成的影响。罗果夫斯基的空间电荷理论罗果夫斯基的空间电荷理论气体放电物理基础气体放电物理基础已知空间电荷分布，由泊松方程可得电场和电位分布为已知空间电荷分布，由泊松方程可得电场和电位分布为202d Udx 空间电荷影响下的电位分布空间电荷影响下的电位分布空间电荷影响下的电场分布空间电荷影响下的电场分布气体放电物理基础气体放电物理基础放电发展过程中，

31、极间电位分布的变化放电发展过程中，极间电位分布的变化影响气体放电着火电压的因素影响气体放电着火电压的因素 pd值的作用值的作用 巴邢定律表明，当其它因素不变时，巴邢定律表明，当其它因素不变时，pdpd值的值的变化对着火电压的变化起了决定性的作用。因此变化对着火电压的变化起了决定性的作用。因此，PDPPDP中充入气体的压强和电极间隙对中充入气体的压强和电极间隙对PDPPDP的着火的着火电压有很大影响。电压有很大影响。气体放电物理基础气体放电物理基础 气体种类和成分的影响气体种类和成分的影响 值和击穿电压值和击穿电压Ub值，都与气体的性质值，都与气体的性质(种类和气压种类和气压)有关，并主要由电子

32、与一定气体粒子发生碰撞的过程有关，并主要由电子与一定气体粒子发生碰撞的过程来决定。来决定。 气体的电离电位对击穿电位的影响是另一个重要气体的电离电位对击穿电位的影响是另一个重要的因素，在其他条件不变的情况下，通常电离电位越大的因素，在其他条件不变的情况下，通常电离电位越大的气体，它的击穿电位就越大。的气体，它的击穿电位就越大。 如果碰撞时电子还未达到足以使气体电离的速度如果碰撞时电子还未达到足以使气体电离的速度，电子与这种气体粒子碰撞损失的平均能量较大，那么，电子与这种气体粒子碰撞损失的平均能量较大，那么这种气体被击穿所需要的电场强度就大，相应地要求击这种气体被击穿所需要的电场强度就大，相应地

33、要求击穿电位也高。穿电位也高。 气体放电物理基础气体放电物理基础 在放电管内有两种气体的混合物时，在放电管内有两种气体的混合物时，Ub不能简单不能简单地用混合方法以混合气体的浓度去计算。混合气体的地用混合方法以混合气体的浓度去计算。混合气体的击穿现象往往与纯粹气体完全不同。击穿现象往往与纯粹气体完全不同。氮氮氢氢混合气混合气体的最体的最小着火小着火电压与电压与Pd的的关系关系气体放电物理基础气体放电物理基础空气中水蒸空气中水蒸气含量对放气含量对放电击穿电位电击穿电位的影响的影响（平面电极（平面电极极距为极距为d49310-3 m ，空气空气压强为压强为400Pa） 当空气中所含水蒸气量减少时，

34、击穿电压会随当空气中所含水蒸气量减少时，击穿电压会随着减少。当空气继续干燥时，在水蒸气分压强约着减少。当空气继续干燥时，在水蒸气分压强约为为3Pa附近时击穿电位开始重新上升。附近时击穿电位开始重新上升。气体放电物理基础气体放电物理基础 在氖气中混入少量氩气能使气体的击穿电压降低，在氖气中混入少量氩气能使气体的击穿电压降低，其降低量由氩气的混合量决定。这种现象就是放电中潘其降低量由氩气的混合量决定。这种现象就是放电中潘宁效应的结果。这种效应在氖宁效应的结果。这种效应在氖汞混合气体中也存在。汞混合气体中也存在。气体放电物理基础气体放电物理基础潘宁电离：潘宁电离： 设设A、B为不同种类的原子，原子为

35、不同种类的原子，原子A的亚稳激发电的亚稳激发电位大于原子位大于原子B的电离电位，亚稳原子的电离电位，亚稳原子A* 与基态原子与基态原子B碰撞时，使碰撞时，使B电离，变为基态正离子电离，变为基态正离子B+（或激发态正或激发态正离子离子B+*），），而亚稳原子而亚稳原子A*降低到较低能态，或变为降低到较低能态，或变为基态原子基态原子A. . A*+BA+B+（或或B+*）+e由于亚稳原子平均寿命是由于亚稳原子平均寿命是10-4 10-2s ，因此潘宁电离因此潘宁电离的几率较高，使得基本气体的有效电离电位明显降低的几率较高，使得基本气体的有效电离电位明显降低。另外，着火电压下降的大小还与两种气体的性

36、质和。另外，着火电压下降的大小还与两种气体的性质和它们量的混合比有非常密切的关系。它们量的混合比有非常密切的关系。气体放电物理基础气体放电物理基础阴极材料和表面状况的影响阴极材料和表面状况的影响 在各种在各种阴极材阴极材料的平料的平板电圾板电圾之间氩之间氩气的击气的击穿电压穿电压随随Pd的的变化变化气体放电物理基础气体放电物理基础 辅助电离源的影响辅助电离源的影响 使用辅助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使使用辅助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使着火电压降低。着火电压降低。 例如：例如： 人工加热阴极产生热电子发射，取代人工加热阴极产生热电子发射，取代 发射过程发射过程的作用；的作用；

37、用紫外光照射阴极，使阴极产生光电发射；用紫外光照射阴极，使阴极产生光电发射； 放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体电离；电离； 通过预放电提供初始的带电粒子等可以大大降通过预放电提供初始的带电粒子等可以大大降低着火电压。低着火电压。气体放电物理基础气体放电物理基础电场分布的影响电场分布的影响 电场分布对电场分布对汤生汤生 系数和系数和 系系数的数值与分布数的数值与分布起决定性作用，起决定性作用，影响气体中电子影响气体中电子与离子的运动轨与离子的运动轨迹以及电子雪崩迹以及电子雪崩过程。过程。气体放电物理基础气体放电物理基础同轴圆筒电极系统，中心电极不同

38、极性，着火电压与气压的关系辉光放电的发光辉光放电的发光 基本特征：基本特征： (1) 放电时，在放电空间呈现明暗相间、有一定分布规放电时，在放电空间呈现明暗相间、有一定分布规律的光区。律的光区。 (2) 由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持辉光放电必不可少的部分。辉光放电必不可少的部分。 (3) 管压降明显低于着火电压，并且不随电流而变。电管压降

39、明显低于着火电压，并且不随电流而变。电流为毫安级。电流密度为流为毫安级。电流密度为 A/cm2至至mA/cm2数量级。数量级。 (4) 阴极电子发射主要是阴极电子发射主要是 过程。过程。气体放电物理基础气体放电物理基础Vc辉光放电的光区分布光 强电 位场 强空间电荷密度阿斯顿暗区阴极辉区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极暗区阳极辉区IEZn_n+V正常辉光放电的光区分布：正常辉光放电的光区分布：一个充氖的冷阴极放电管长一个充氖的冷阴极放电管长50cm，气气压压P133Pa，在正常辉光放电时的光在正常辉光放电时的光区和电参量分布区和电参量分布(1)阿斯顿暗区阿斯顿暗区 由于受正离子轰击从阴极发由

40、于受正离子轰击从阴极发射出来的二次电子初速很小，不射出来的二次电子初速很小，不具备激发条件。由于没有受激原具备激发条件。由于没有受激原子，因而是暗区。子，因而是暗区。(2)阴极光层阴极光层 电子在通过阿斯顿暗区以后，电子在通过阿斯顿暗区以后，从电场中获得了一定的能量，足从电场中获得了一定的能量，足以产生激发碰撞，使气体发光。以产生激发碰撞，使气体发光。但电子数量不大，激发很微弱。但电子数量不大，激发很微弱。气体放电物理基础气体放电物理基础Vc辉光放电的光区分布光 强电 位场 强空间电荷密度阿斯顿暗区阴极辉区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极暗区阳极辉区IEZn_n+V(3)阴极暗区阴极暗区 电

41、子离开阴极后，电子离开阴极后，到这里获得的能量愈来到这里获得的能量愈来愈大，甚至超过了激发愈大，甚至超过了激发几率的最大值，于是激几率的最大值，于是激发减少，发光减弱。在发减少，发光减弱。在这个区域内，电子能量这个区域内，电子能量已超过电离电位，引起已超过电离电位，引起了大量的碰撞电离，繁了大量的碰撞电离，繁流放电集中在这里发生。流放电集中在这里发生。在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础(4)负辉区负辉区 进入负辉区的电子可以进入负辉区的电子可以分为两类分为两类: 快电子和慢电子快电子和慢电子。慢速电子是多数，它们在负慢速电子是多

42、数，它们在负辉区产生许多激发碰撞，因辉区产生许多激发碰撞，因而产生明亮的辉光。而产生明亮的辉光。 在阴极暗区，因离子浓在阴极暗区，因离子浓度很高，它们会向负辉区扩度很高，它们会向负辉区扩散，因而负辉区中，电子和散，因而负辉区中，电子和正离子的浓度都很大，而电正离子的浓度都很大，而电场很弱，几乎是无场空间。场很弱，几乎是无场空间。负辉区中电子和正离子浓度负辉区中电子和正离子浓度比正柱区中约大比正柱区中约大20倍。倍。Vc辉光放电的光区分布光 强电 位场 强空间电荷密度阿斯顿暗区阴极辉区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极暗区阳极辉区IEZn_n+V在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时

43、的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础（5）法拉第暗区）法拉第暗区 这是一个处于负这是一个处于负辉区和正柱区之间的辉区和正柱区之间的过渡区。由于电子在过渡区。由于电子在负辉区中损失了很多负辉区中损失了很多能量，进入这个区域能量，进入这个区域以后，便没有足够的以后，便没有足够的能量来产生激发，所能量来产生激发，所以是暗区。以是暗区。Vc辉光放电的光区分布光 强电 位场 强空间电荷密度阿斯顿暗区阴极辉区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极暗区阳极辉区IEZn_n+V在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础（6）正柱区）正柱区 在

44、任何位置电子密度和正离在任何位置电子密度和正离子密度相等，净空间电荷为零。子密度相等，净空间电荷为零。电场沿管轴均匀分布。因正离子电场沿管轴均匀分布。因正离子的迁移率很小，放电电流主要是的迁移率很小，放电电流主要是电子流。正柱区中有一定的轴向电子流。正柱区中有一定的轴向电场强度，电子从电场中获得一电场强度，电子从电场中获得一定的能量，产生一定数量的碰撞定的能量，产生一定数量的碰撞电离和激发。电离和激发。 （7）阳极区）阳极区 在该区有时可以看见阳极暗在该区有时可以看见阳极暗区，在阳极暗区之后是紧贴在阳区，在阳极暗区之后是紧贴在阳极上的阳极辉光。极上的阳极辉光。Vc辉光放电的光区分布光 强电 位

45、场 强空间电荷密度阿斯顿暗区阴极辉区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极暗区阳极辉区IEZn_n+V在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础正常辉光放电规律：正常辉光放电规律： (1)在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一部分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也部分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也随之增大，而在这个过程中，阴极电流密度随之增大，而在这个过程中，阴极电流密度jcn则保持不变，则保持不变，阴极位降阴极位降Ucn也保持常数。当阴极面积全部被辉光覆盖后，也保持常数。