-气体放电的物理过程.pptx

高电压技术李李 卫卫 国国 +80798486，60105052 第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程(1)(1)2一、气体放电的一般描述一、气体放电的一般描述 （一）气体放电的主要形式（一）气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极形形状状等等因因素素的的不不同同，击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种种不不同同形形式式。利利用用放放电电管管可可以以观观察察放电现象的变化放电现象的变化 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电3辉光放电辉光放电 n当当气气体体压压力力不不大大，电电源源功功率率很很小小（放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗）时时，外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后，回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数数值值，管管内内阴阴极极和和阳阳极极间整个空间忽然出现发光现象间整个空间忽然出现发光现象 n特特点点是是放放电电电电流流密密度度较较小小，放放电电区区域域通通常常占占据据了了整整个个电电极极间间的的空空间间。霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电电的的例例子子。管管中中所所充充气气体体本本同同，发发光光颜颜色色也不同也不同 电弧放电电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，则则电电流流增增大大，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，放放电电通通道道收收细细，且且越越来来越越明明亮亮，管管端端电电压压则则更更加加降降低低，说说明明通通道道的的电电导导越越来越大来越大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，电电流流密密度度极极大大，电电路路具具有有短短路路的的特特征征 4火花放电火花放电n在在较较高高气气压压（例例如如大大气气压压力力）下下，击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道，而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间。当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大，限限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续断续断续断续的明亮细火花的明亮细火花 n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 电晕放电电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远远，即即电电场场极极不不均均匀匀，则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电电压压升升高高，发发光光层层扩扩大大，放放电电流也逐渐增大电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，放放电电电电流流很小，间隙仍能耐受电压的作用很小，间隙仍能耐受电压的作用 5刷状放电刷状放电 n电电场场极极不不均均匀匀情情况况下下，如如电电压压继继续续升升高高，从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮的细放电通道，称为刷状放电亮的细放电通道，称为刷状放电 n电电压压再再升升高高，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，最最后后整整个个间间隙被击穿隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，而而由由电电晕晕放放电电直直接接转转入入击击穿穿 6（二）非自持放电和自持放电（二）非自持放电和自持放电 n外外施施电电压压小小于于U UA A时时，电电流流微微小小，电电流流值值由由空空间间的的游游离离电电荷荷的的数数量量和和外外加加电电压压决决定定。游游离离电电荷荷与与光光照照射射（含含宇宇宙宙射射线线）的的强强度度有有关关，产产生生在在阴阴极极表表面面和和间间隙隙空空间间，阴阴极极表表面面产产生生的的是是自自由由电电子子，空空间间产产生生的的是是正正负负离离子子，通通常常阴阴极极表表面面的的电电子子数数量量大大于于空空间间电电荷荷数数；电电压压加加高高则则电电荷荷移移动动速速度度加加快快，表现出电流加大。表现出电流加大。7n外外施施电电压压小小于于U UB B时时，空空间间产产生生的的电电荷荷完完全全移移动动到到极极板板，故故电电流流的的大大小小决决定定于于空空间间电电荷荷的的产产生生速速度度，当当光光照照不不变变时时，电流为常数。电流为常数。n外外施施电电压压小小于于U U0 0时时，气气体体中中发发生生了了电电离离，此此时时空空间间电电荷荷增增多，电流增大。多，电流增大。n外外施施电电压压等等于于U U0 0时时，电电离离产产生生的的电电荷荷靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此U U0 0以以后后的的放放电形式也称为自持放电电形式也称为自持放电。此时。此时的电压称为放电起始电压。的电压称为放电起始电压。8 二、均匀电场中气体击穿的发展过程二、均匀电场中气体击穿的发展过程 （一）汤逊气体放电理论（一）汤逊气体放电理论1 1、电电子子崩崩的的形形成成 （过过程程 ）一一个个起起始始电电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后，会会碰碰撞撞电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子；这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子，又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子；这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程，会会使使电电子子数数目目迅迅速速增增加加，如如同同冰山上发生雪崩一样，因此也称为电子崩理论。冰山上发生雪崩一样，因此也称为电子崩理论。n 电电离离系系数数：一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经1cm1cm长长度度，平平均均发发生生的的碰碰撞撞电离次数电离次数9设设：在在外外电电离离因因素素光光辐辐射射的的作作用用下下，单单位位时时间间内内阴阴极极单单位位面面积积产产生生n n0 0 个个电电子（忽略空间产生的正负电荷）；子（忽略空间产生的正负电荷）；在在距距离离阴阴极极为为x x的的横横截截面面上上，单单位位时间内时间内单位面积单位面积有有n n个电子飞过个电子飞过 这这n n个个电电子子行行过过dxdx之之后后，又又会会产产生生dndn个新的电子个新的电子 将此式积分，可得电子的增长规律为将此式积分，可得电子的增长规律为 间隙碰撞电离的数学推导间隙碰撞电离的数学推导10对于均匀电场，对于均匀电场，不随空间位置而变不随空间位置而变 相应的电子电流增长规律为相应的电子电流增长规律为 令令x xd d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 2 2、过程过程n 电离系数：正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及电离系数：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。位能，引起阴极表面电离，使阴极释放出自由电子。表示折算到表示折算到每个每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平平均均释放出的自由电子数释放出的自由电子数11由前推导可知，从阴极飞出的由前推导可知，从阴极飞出的n n0 0个电子，到达阳极后，电子个电子，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数将增加为（注意此时的电子数包含初始电子n n0 0）正离子数正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电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如果此时电离出的电子数为n n0 0,放电则由非自持转入自持放电则由非自持转入自持,条件为条件为 一次一次 过程产生的正电荷数过程产生的正电荷数12物物理理意意义义：阴阴极极表表面面的的一一个个电电子子在在整整个个碰碰撞撞过过程程中中产产生生的的正正离子，在阴极表面又作用出一个电子。离子，在阴极表面又作用出一个电子。当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时，就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分分所所示示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 133 3、击穿电压、巴申定律、击穿电压、巴申定律 由自持放电条件由自持放电条件及碰撞电离系数及碰撞电离系数可得可得放电电压放电电压14巴申（巴申（PaschenPaschen）定律）定律 击击穿穿电电压压与与pdpd的的规规律律称称为为巴巴申申定定律律，这这是是在在碰碰撞撞电电离离学说提出之前，从实验中总结出来的规律学说提出之前，从实验中总结出来的规律 注意到这里有注意到这里有个最小值，这个最小值，这是考虑平均只是考虑平均只有行程所导致有行程所导致的动能与碰撞的动能与碰撞次数的关系。次数的关系。动能大则电离动能大则电离系数大；密度系数大；密度大则碰撞次数大则碰撞次数多，电离系数多，电离系数也大。也大。154 4、汤逊放电理论的适用范围、汤逊放电理论的适用范围 汤汤逊逊放放电电理理论论的的适适用用于于小小于于0.26cm0.26cm。但但电电力力工工程程上上经经常常接接触触到到的的是是气气压压较较高高的的情情况况（从从一一个个大大气气压压到到数数十十个个大大气气压压），间隙距离通常也很大，间隙距离通常也很大 此时有四个不相符合：此时有四个不相符合：1.1.放电外形：均匀连续，如辉光放电放电外形：均匀连续，如辉光放电分枝的明细通分枝的明细通道道 2.2.放电时间：火花放电时间的计算值比实测值要大得放电时间：火花放电时间的计算值比实测值要大得 3.3.击击穿穿电电压压：汤汤逊逊自自持持放放电电条条件件求求得得的的击击穿穿电电压压和和实实验验值有很大出入值有很大出入 4.4.阴阴极极材材料料的的影影响响：实实测测得得到到的的击击穿穿电电压压和和阴阴极极材材料料无无关关 16（二）流注气体放电理论（二）流注气体放电理论由由于于汤汤森森放放电电理理论论在在间间隙隙距距离离和和气气压压较较大大时时的的不不足足，发发展了流注气体放电理论。展了流注气体放电理论。要点：要点：u强调了空间电荷畸变电场的作用；强调了空间电荷畸变电场的作用；u认认为为电电子子碰碰撞撞电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放放电电的的主主要要因素；因素；u二二次次电电子子崩崩汇汇入入弱弱电电场场区区产产生生等等离离子子体体，等等离离子子体体具具有有缩小体积保持温度的特性；缩小体积保持温度的特性；u等离子体具有很好的导电性，进一步畸变电场。等离子体具有很好的导电性，进一步畸变电场。171.1.电场畸变电场畸变 因因电电子子迁迁移移速速度度快快，电电子子崩崩前前充充满满电电子子，崩崩尾尾充充满满正正离离子。子。例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数18空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 加加强强了了崩崩头头及及崩崩尾尾的的电电场场，削削弱弱了了崩崩头头内内正正、负负电电荷区域之间的电场荷区域之间的电场 电电子子崩崩头头部部：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，放射出光子正正、负负电电荷荷之之间间区区域域：电场大大削弱，有助于发生复合过程，也发射出光子空空间间光光电电离离与与二二次次电电子子崩崩：空间光电离产生的电子在两个强电场区引发二次电子崩。192.2.正正流注流注n当当电电子子崩崩走走完完整整个个间间隙隙后后，光光子子的的能能量量才才足足以以引引发发二二次电子崩时，称为正流注。次电子崩时，称为正流注。n二二次次电电子子崩崩头头部部的的电电子子注注入入入入电电场场区区，与与残残留留的的空空间间正正电电荷荷混混合合，形形成成等等离离子区。子区。n等等离离子子细细导导电电通通道道，其其头头部部又又是是二二次次电电子子崩崩形形成成的的正正电电荷荷，于于是是产产生生很很强强的的局局部部电电场场，使使电电离离加加剧剧，又又产产生生大大量量光光子子，诱诱发发新新的二次电子崩。的二次电子崩。1主电子崩 2二次电子崩3流注20流注的延长流注的延长新的二次电子崩头电子新的二次电子崩头电子又注入充满正电荷的弱又注入充满正电荷的弱电场区，使等离子区伸电场区，使等离子区伸长长1主电子崩2二次电子崩3流注21正流注向阴极推进正流注向阴极推进n流流注注不不断断向向阴阴极极推推进进，且且随随着着流流注注接接近近阴阴极极，其其头头部部电电场场越越来来越越强强，因因而而其其发发展也越来越快展也越来越快n流流注注发发展展到到阴阴极极，间间隙隙被被导导电电良良好好的的等等离离子子通通道道所所贯贯通通，间间隙隙的的击击穿穿完完成成，这这个电压就是击穿电压个电压就是击穿电压 22自持放电条件自持放电条件 一一旦旦形形成成流流注注，放放电电就就进进入入了了新新的的阶阶段段，放放电电可可以以由由本本身身产产生生的的空空间间光光电电离离而而自自行行维维持持，即即转转入入自自持持放放电电。如如果果电电场场均均匀匀，间间隙隙就就将将被被击击穿穿。所所以以流流注注形形成成的的条条件件就就是是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件23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110-7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p273毫米汞柱E=12千伏/厘米电子崩在空气中的发展速度约为电子崩在空气中的发展速度约为1.25 107cm/s24在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片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正流注的发展速度约为1 108 2 108cm/s253.3.流注理论对流注理论对pdpd很大时放电现象的解释很大时放电现象的解释 1 1）放电外形：）放电外形：流流注注中中电电荷荷密密度度很很大大，电电导导很很大大，其其中中电电场场强强度度很很小小。因因此此流流注注出出现现后后，对对周周围围空空间间内内的的电电场场有有屏屏蔽蔽作作用用，并并且且随随着着其其向向前前发发展展而而更更为为增增强强。当当某某个个流流注注由由于于偶偶然然原原因因发发展展更更快快时时，将将抑抑制制其其它它流流注注的的形形成成和和发发展展，并并且且随随着着流流注注向向前前推推进进而而越越来来越越强强烈烈。等等离离子子的的保保温温特特性性使使得得通通道道变变细细，进进一一步步加加强强头头部部电电场场。二二次次电电子子崩崩在在空空间间的的形形成成和和发发展展带带有有统统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝。电电子子崩崩则则不不然然，由由于于其其中中电电荷荷密密度度较较小小，故故电电场场强强度度还还很很大大，因因而而不不致致影影响响到到邻邻近近空空间间内内的的电电场场，所所以以不不会会影影响响其其它它电电子子崩崩的的发发展展，汤汤逊逊放放电电呈呈连连续续一片一片 262 2）放放电电时时间间：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 3）阴阴极极材材料料的的影影响响：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 4）放放电电电电压压：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。27附录附录1:1:电离电离原子激励和电离原子激励和电离原子能级：以电子伏为单位原子能级：以电子伏为单位 1eV 1eV1V1.6101V1.610-19-19C C1.6101.610-19-19J J原原子子激激励励：原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，其其电电子子跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的状状态态，所所需需能能量量称称为为激激励励能能W We e。激激励励状状态态恢恢复复到到正正常常状状态态时时，辐辐射射出出相相应应能能量量的的光光子子，光光子子（光光辐辐射射）的频率的频率 和激励能之间的关系为和激励能之间的关系为 28 原原子子电电离离：原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，使使其其一一个个或或几几个个电电子子脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚而而形形成成自自由由电电子子和和正正离离子子的的过过程程称称为为原原子子的的电电离离。电电离离过过程程所所需需要要的的能能量量称称为电离能为电离能W Wi i（evev），也可用电离电位），也可用电离电位U Ui i（v v）质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰：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行程内从外电场获得动能 。动能的大小除决定。动能的大小除决定于电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 29n电电子子的的平平均均自自由由行行程程要要比比分分子子和和离离子子的的大得多大得多n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由行程越小。由行程越小。n自自由由行行程程的的分分布布：具具有有统统计计性性的的规规律律。质点的自由行程大于质点的自由行程大于x x的概率为的概率为30附录附录2 2：气体中带电质点的产生和消失：气体中带电质点的产生和消失 气体中带电质点的产生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：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1 1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2 2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离）（3 3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离）（4 4）负离子的形成）负离子的形成 （二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离31碰撞电离碰撞电离 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满足如下条件时，将引起碰撞电离满足如下条件时，将引起碰撞电离 m me e电子的质量；电子的质量；v ve e 电子的速度；电子的速度；W Wi i气体分子的电离能。气体分子的电离能。n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关32光电离光电离 n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。n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件件，将引起光电离，分解成电子和正离子将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为 对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光（400400 750nm750nm）的的作作用用下下，一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 33热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为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它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千在高温下，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度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 34负离子的形成负离子的形成 n有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电电子子，反反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）n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 35金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子：逸出功阴极发射电子：逸出功。n金属表面电离有多种方式。金属表面电离有多种方式。（1 1）正离子碰撞阴极）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属。正离子碰撞阴极时使电子逸出金属。（2 2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量大大于于逸逸出出功功时时，金属表面放射出电子金属表面放射出电子 （3 3）强场放射（冷放射）强场放射（冷放射）阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。（4 4）热电子放射）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动动能能，逸出金属逸出金属36附录附录3 3：电场作用下气体中带电质点的运动：电场作用下气体中带电质点的运动n带带电电质质点点产产生生以以后后，在在外外电电场场作作用用下下将将作作定定向向运运动动，形形成电流成电流 n在在气气体体放放电电空空间间 ，带带电电质质点点在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态 ，保保持持平平均均速速度度，即即上上述述的的带带电电质质点点的的驱引速度驱引速度 b b 迁移率迁移率 电子迁移率比离子迁移率大得多。电子迁移率比离子迁移率大得多。37带电质点的扩散带电质点的扩散 n带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体分分子子的的扩扩散散一一样样，都都是是由由于于热热运运动动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 n气气体体中中带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高高或或者温度越低，扩散过程也就越弱者温度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，因因此此，电电子子的的扩扩散散过过程程比比离子的要强得多离子的要强得多 38带电质点的复合带电质点的复合 n正正离离子子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在在带带电电质质点点的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射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 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一一定定空空间间内内带带电电质质点点由由于于复复合合而而减减少少的的速速度度决决定定于于其其浓度浓度 39谢谢谢谢!李李李李 卫卫卫卫 国国国国 高电压与电磁兼容研究所高电压与电磁兼容研究所 +80798486，60105052 Q&AQ&A