气体放电理论
高电压技术第3讲 气体放电理论(二)
电子崩阶段电子崩外形好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀，电子崩中的电子数：n＝e αx例如，正常大气条件下，若E＝30kV／cm，则α≈11cm-1，计算随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数x/cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.01993059874 n 9 27 81 245 735663422087空间电荷畸变了外电场大大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，电离过程强烈，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，发射出光子崩头内部正负电荷区域电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子89流注阶段电子崩走完整个间隙后，大密度的头部正离子空间电荷大大加强了后部的电场，并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离，其中电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩光电离、二次崩1：主电子崩2：二次电子崩3：流注正流注的形成（外加电压等于击穿电压时）二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。
大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注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1—主电子崩2—二次电子崩3—流注1011试验测量结果：电子崩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1.25×107cm/s14高频脉冲电流尖极为负的电晕1.到一定值时，有规律的重复电流脉冲，平均电流为μA2.升高脉冲幅值基本不变，频率增高，平均电流增大3.再升高，电晕电流为持续电流，平均值继续增大4.继续升高，出现不规则的电流脉冲，幅值大得多---流注型(a) 时间刻度T=125μs(b) 0.7μA电晕电流平均值(c) 2μA电晕电流平均值2839当棒具有负极性时电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变棒极附近的电场得到增强，因而自待放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电E ex —外电场E —空间电荷的电场41当棒具有正极性时电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加强了前方（板极方向）的电场（曲线2）电场的加强对形成流注发展有利。
高电压第2讲_气体放电理论(一)
x
粒子的平均自由行程
电子在其自由行程内从外 电场获得动能 ，能量除 决定于电场强度外，还 和其自由行程有关
13
带电粒子的产生和消失
气体中带电粒子的产生 （一）气体分子本身的电离 气体分子本身的电离，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 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 光电离） （3）高温下气体中的热能 高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 气体中的固体或液体金属的表面电离
We = h⌡
6
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10 原子处于激励态的平均寿命只有 -7~10-8秒 激励电位：Ue = We / e 几种气体和金属蒸汽的第一激励电位 N：6.3 V，N2 ：6.1 V 6.1 O 9.1V, O 没有 O：9.1V,，O2：没有 Cs：1.38V（最小） ） 原子具有亚稳激励态， ，其寿命长10-4~10-2秒
24
5、金属（阴极 阴极）的表面电离
热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得 当阴极被加热到很高温度时 巨大动能，逸出金属表面 逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义
25
气体中带电粒子的消失 （一）电场作用下气体中带电粒子的运动流入电极 电场作用下气体中带电粒子的运动流入电极 （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合
第一章 气体放电的基本物理过程
1
2
第一节
带电粒子的产生和消失
气体放电
研究在电场作用下，气体间隙中带电粒子的形成 气体间隙中带电粒子的形成 和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的 气隙中的导电通道是如何形成的 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。
气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。
气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。
在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。
电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。
在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。
在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。
当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。
这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。
电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。
除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。
当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。
另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。
这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。
综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。
深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。
同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。
希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
气体放电理论
气体放电理论1)简要论述汤逊放电理论。
当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为eas个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；s为间隙距离)。
因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(eas-1)个。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r 为正离子的表面游离系数)有效电子，则(eas-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。
即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(eas-1)=1。
2)为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。
随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。
当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。
于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。
这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。
（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。
当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。
一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。
电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。
结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。
负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。
棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。
低电压长间隙气体放电理论
低电压长间隙气体放电理论
低电压长间隙气体放电理论指的是在较低的电压和相对较长的脉冲间隙条件下，气体中发生的电击放电现象。
根据该理论，当电压升高到某一临界值时，气体中的自由电子被加速，撞击气体分子，产生新的自由电子和离子。
这一过程被称为电离，将气体分子转化为离子。
在离子化过程中，气体中的电子和离子会迅速重组，形成一条电流通路，电流的流动导致电击放电现象的发生。
在低电压长间隙条件下，电击放电所需要的电压较低，而间隙较长，因此需要较高的电场强度才能引发电离。
常用的形式包括正、负或交流电压的升高、电压上升速率增加等。
低电压长间隙气体放电理论在气体放电研究、太赫兹波探测等领域有着重要的应用价值。
但具体的实验操作和应用涉及到电器安全和实验安全问题，请在专业人士指导下进行相关研究或实验。
气体放电理论(一)
巴申（Paschen）定律
击穿电压与pd的规律在碰撞电离学说提出之前，就已 从实验中总结出来了
44
实际上的系数A及B和温度有关。系数A和绝对温度成反比
pd Ub f2 T
比值p／T和气体密度成正比
T0 p p 2892 p0 T T
We h
5
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Wi（eV），也可用电离 电位Ui（V）来表示
6
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，能量除决定于 电场强度外，还和其自由行程有关
34
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n0 个电子 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
dn ndx
将此式积分，可得电子的增长规律为
n n0 exp 0 dx
x
35
对于均匀电场， 不随空间位置而变
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
20
二、气体放电的一般描述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、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
21
辉光放电
24
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
气体放电物理 4 汤森放电和帕邢定律
x
(nee )
(
)(nee )
i e
0
这其实是一个常微分方程
Y e Pdx (C Qe Pdxdx)
方程的解是
ie
enee
eCe( )x
i
其中C是积分常数，需要边界条件确定.即x=0处的电子流
事实上， 在阴极表面处点子流ie应该包括因外界电离源的作用而
产生的电子流（例如光电流）i0和因正离子撞击阴极以及其他 过
汤森曾经认为从阴极出发的电子是离子轰击阴极表面产生的。 其实还包括光电效应过程。
第一，第二电离系数与气体种类、气压，电子或者离子的能量有 关,第三电离系数则是与离子种类、离子能量和阴极材料有 关
汤森电离过程对放电现象的影响
• 研究平行板电极之间的电离现象，假定稳定放电已经建立
• 为了简化问题。电极间 的电场分布是均匀的
• 气体击穿现象和规律，也就是带电粒子的自持产生和消失过 程达到平衡的现象和规律，汤森最先发现和解释的，称为汤 森放电
汤森放电现象
• 气体放电后，发生导电现象，因此放电现象的认 识首先是伏安特性的认识
• 伏安曲线分为三个区域 1. T0是背景电离维持的放电 2. T1是电子碰撞电离起作用的
放电，但是非自持放电 3. T2是离子碰撞电离也发生作
• 气体放电时，带电粒子的产生和消失过程达到平衡， 放电才能稳定自持
自持放电是指去掉外致电离源的条件下放电仍能维持的现象。 在外致电离源的作用下，当放电管两端电压增加到某一足够之， 管内电流突然增大，此时若移去电离源，放电电流仍足够大， 即此刻放电的形成与外致电离源的存在与否无关，这种状态称 为自持放电。放电从非 自持放电转变到自持放电的过程称为 气体的击穿过程或着火过程，这种放电的现象与理论有科学家 汤生在二十世纪初首先研究并建立，故称为汤生放电
气体放电理论1修正
非自持放电
外施电压小于 U0 时，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，那么电流也将消失。
自持放电
当电压达到 U0后，气体中 发生了强烈的电离，电流 剧增。同时气体中电离过 程只靠电场的作用已可自 行维持，而不再继续需要 外电离因素了。因此 U0以 后的放电形式也称为自持 放电。
电极表面带电质点的产生
电极表面电离： 电极表面电离：气体放电中存在阴极发射电子的过程。 逸出功：使阴极释放电子所需的能量。与金属的微观结 逸出功 构和表面状态有关，与温度基本无关。 电极表面电离条件：光子能量大于金属表面逸出功。 电极表面电离条件
正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极，将能量传递给阴极电子。 当正离子能量大于阴极材料表面逸出功2倍以 上时，才可能撞出自由电子。 实际上，平均每100个正离子才能撞出一个有 效自由电子 金属表面逸出功一般小于气体分子电离能，因 此，电极的表面电离对气体放电很重要。
气体放电理论（一） 气体放电理论（
美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的主要形式 非自持放电与自持放电 汤逊放电理论
纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在的 气体中出现带点质点以后，才可能导电，并在 电场的作用下，发展为各种形式的气体放电现 象。 气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本 气体中带电质点的来源 身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发 生表面电离。 通常大气中约有500-1000对离子/cm3, 带电质 点极少，因而，通常情况下空气是良绝缘体。
热电子发射
高温下金属中电子因获得巨大的动能会 从电极表面逸出，称为热电子发射 热电子发射。 热电子发射 热电子发射仅对电弧放电有意义，并在 电子、离子器件中得到应用。 常温下气隙的放电过程中不存在热电子 发射现象。
气体放电原理
气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。
其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。
气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。
当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。
电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。
电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。
当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。
在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。
这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。
不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。
例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。
辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。
总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。
这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。
第2讲 气体放电理论(一)
气体中带电质点的 气体中带电质点的产生
气体分子本身的电离，可由下列因素引起： 气体分子本身的电离，可由下列因素引起： 分子本身的电离
（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 与气体分子的碰撞 （2）各种光辐射（光电离） 各种光辐射 光电离） 光辐射（ （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） 下气体中的热能（ （4）负离子的形成 负离子的形成
9
几种气体的 几种气体的第一电离电位 N：14.5 V，N2 ：15.5 V 14. 15. O：13.6 V, 13. O2 ：12.2 V 12. Cs （铯） ：3.88V 88V
10
1、碰撞电离 （撞击电离） 撞击电离）
撞击质点所具有的总能量（ 所具有的总能量 必要条件 撞击质点 所具有的 总能量 （ 包 动能和势能）大于被撞击质点在该种状态 括动能和势能）大于被撞击质点在该种状态 所需的 下所需的电离能 需要一定的相互作用的时间和条件 需要一定的相互作用的时间和 相互作用 仅考虑动能， 电场作用下 仅考虑动能 ， 在 电场作用 下 ， 撞击质点被加 速而获得动能。可能引起碰撞电离 碰撞电离的条件 速而获得动能。可能引起碰撞电离的条件
14
光子， 原称光量子 光子 ， 原称 光量子 （ light quantum） 。 光子 是光线中 光量子（ quantum ） 光子是光线中 携带带能量的粒子 传递电磁相互作用 携带带能量的粒子，传递电磁相互作用的规范粒子 。 的粒子， 电磁相互作用的 能量、 按照质能方程， 光子具有 能量 、 动量和质量 ， 按照质能方程 ， 求出 M=hν /C2,光子由于无法静止，所以它没有静止质量。 M= 光子由于无法静止，所以它没有静止质量 没有静止质量。 能量为W= 。 能量为W=hν。 一个光子被分子吸收时 当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能 量从而从内轨 道跃迁到外轨 量从而从 内轨 道跃迁到 外轨 道 , 该分子就从 基态 变成 内轨道跃迁到 外轨道 该分子就从基态 基态变成 激发态或电离。 了激发态或电离。
气体放电的机理
(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
自持放电条件如果电压电场强度足够大初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子它们的数目取决于电场强度就能维持下去这就变成了自持放电
气体放电的机理
制作人： 朱胜
均匀电场中气体击穿的发展过程
一. 自持放电、非自持放电
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
➢ 低气压、 短间隙的电场中，即 p d 200(cm 133pa)
汤逊放电理论不能解释的放电现象
1、放电外形 根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展.
低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放 电。但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。 2、放电时间
基于以上的原因提出了流注放电理论：
谢谢！
γ系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。
nc n0 n
上式中： n ：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由
电子数。
nc ：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。
n0
：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。
气体放电基础知识
气体放电基础知识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。
如：空气、CO2、N2、SF6、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，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。
本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：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。
第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
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、宇宙射线作用，500-1000对/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。
击穿：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。
气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
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：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。
气体放电形式根据气体压力、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：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、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出现发光现象。
这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的特点：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。
注意：辉光放电仅发生在气压较低的情况下2、电弧放电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，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称为电弧放电。
电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
第2讲 气体放电理论(一)
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0 次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰 撞的质点数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
12
质点的平均自由行程
电子在其自由行程内从外电场获得动能 ， 能量除决定于电场强度外，还和其自 由行程有关
13
+ 气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素
光子自能量然满界足下、面条人件，为将照引起射光电、离，气分解体成放电子电（光过电子程）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）：
0
hc eU i
1234 Ui
nm
17
+ 铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直 接光电离的波长应小于318 nm（紫外）
+ 对所有气体来说，在可见光（400750nm） 的作用下，一般是不能发生直接光电离的
+ 汤森德气体放电理论 + 流注放电理论
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1、气体放电的主要形式
外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、太阳光 中的紫外线等 1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平衡状态， 离子浓度约为500~1000对/cm3
31
外施电压小于U0 时，间 隙电流远小于微安级， 此阶段气体绝缘性能
完好
电流要依靠外电离因素 来维持。如果取消外 电离因素，U0 以那前的么放电电形流式称为非自持放电
+ 如电场极不均匀，则当放电由非自持转 入自持时，在大曲率电极表面电场集中
34
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
气体放电 公式
气体放电公式
气体放电是一个复杂的过程，涉及多个因素，因此并没有一个通用的公式可以完全描述这一过程。
不过，有一些理论模型和特定条件下的公式可以用来理解和计算气体放电的一些特性。
例如，汤逊理论主要关注电离的主要因素是空间碰撞电离，以及正离子碰撞阴极导致表面放电是自持放电的必要条件。
这个理论适用于低气压、短间隙的情况，即Pd<27kPacm（d<）。
另外，非自持放电需依赖外界游离因素才能维持放电，当外界游离因素消失，放电就会停止。
自持放电则是指当外电场超过临界值E时，电子崩可由外电场作用自行维持和发展。
自持放电的条件是电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极产生的新电子大于等于初始电子密度n0（即除去外界游离因素
放电不会停止）。
对于气体温度不是恒定的情况，击穿电压与气体的相对密度有关。
为了使电子从阴极到阳极行程中发生足够多的碰撞游离，有着相对应的最佳气压和间隙。
具体来说，当d一定时：（1）δ↓→自由程↑→碰撞次数↓→击穿电压↑；（2）δ↑→自由程↓→碰撞游离的可能↓→击穿电压↑；当P一定时：（1）
d↓→碰撞次数↓→击穿电压↑；（2）d↑→电场↓→需增加外电压来维持自持放电场强→击穿电压↑。
以上内容仅供参考，如需更专业的解释，建议咨询物理学家或查阅物理专业书籍。
2.2 气体放电机理
汤逊理论中的三个系数
系数α：
一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的 自由电子数
系数β：
一个正离子经过1cm，由碰撞电离产生 的自由电子数
系数γ：
一个正离子撞击阴极，逸出的自由电 子数
S
no
x
dx n
+
x
dn n dx
dБайду номын сангаас dx n
dn n dx
一、流注放电理论
气体放电流注理论以实验为 基础，它考虑了高气压、长 气隙情况下不容忽视的若干 因素对气体放电的影响，主 要有以下两方面：
空间电荷对原有电场的 影响 空间光电离的作用
1.空间电荷引起电场畸变
2.空间光电离
3.流注的形成与气体击穿
4.流注理论的气体放电过程
电子崩 流注 主放电
5.流注理论的要点
强调了空间电荷畸变电场的作用； 电离因素除电子的空间碰撞电离外还 考滤空间光电离（光子、短波光射线 引起）
自持放电条件是流注形成
适用条件： d ≥0.26cm的气隙,正常 大气压下的放电
小结
均匀电场的两大放电理论：汤逊理论、 流注理论
两个理论的适用范围与区别 自持放电与非自持放电的概念
初始条件：x=0，n=n0
nx n0 e
x
ln n x ln C n Ce
x
电子崩到达阳极(x=S)：
nS n0 e
S
一个电子崩到达阳极，新产生的正离子数：
e
S
1
新产生的正离子数撞击阴极表面产生的 自由电子数：
(e 1)
S
自持放电的条件
（e 1 1 ）
假设气隙距离不变：当气体密度增加时， 电子平均自由行程缩短，电子不易积聚动 能，碰撞电离减弱；气体密度过小时，电 子与气体分子发生碰撞电离的概率减小， 气体不易击穿。 假设气体密度不变：当气隙间距加大，必 须提高电压才能获得足够的场强；当间距 过小时，电子走完全程发生碰撞的次数减 少，需要增加电压才能击穿。
第五节 气体放电的流注理论
强烈的复合辐射出许多光子，成 为引发新的空间光电离辐射源。
（二）空间光电离的作用 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间
光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的 击穿过程中起着重要的作用。
考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向 气隙空间各处发射光子而引起光电离。
如图所示：如果这 时产生的光子位于崩头 前方和崩尾附近的强场 强区，则造成的二次电 子崩将以更大的电离强 度向阳极发展或汇入崩 尾的正离子群中。
这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的 二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。
流注条件 流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，
出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力， 而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现 流注的条件也就是自持放电的条件。
流注理论适用于高气压、长气隙下的放电
（本节完）
而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关。
气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高 气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体 放电的影响，主要有以下两方面：
空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用
（一）空间电荷对原有电场的影响 如图所示： 电子崩头部聚集大部分正离子和 全部电子，产生了电场畸变；
流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个 临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为：
ed 常数 或 d 常数
实验研究所得出的常数值为：
d 20
或
ed 108
可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转 为自持，出现流注。
小结
流注理论考虑了以下因素 o空间电荷对原有电场的影响 o空间光电离的作用
第五节 气体放电的流注理论
8气体放电的基本理论
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论 1
八
③强场发射： 在电极附近加上很强的外电场，也能从金属电极中拉 出电子，称为强场发射或冷发射。这种发射所需的外电场 极高，其数量级在106V/cm 左右。一般气隙的击穿场强远 低于此数值，所以，在一般气隙的击穿过程中还不会出现 强场发射。强场发射对某些高压强下的气隙击穿或高真空 下的气隙击穿具有重要意义。 ④光电子发射： 用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电 子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满 足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分 光子会被金属表面反射，金属所吸收的光能中，大部分也 是转化为金属的热能，只有小部分用以使电子逸出。
10
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论 1
八
5.负离子的形成
分子或原子对电子的亲合能E：一个中性分 子或原子与一个电子结合生成一价负离子所释放 出的能量。E的值越大，就越容易与电子相结合 而成为负离子。 卤素元素的E值比其它元素大的多，因此很 容易俘获一个电子而成为负离子。 如前面所述，离子的游离能力比电子小得多， 因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电 的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。
第八章 气体放电的 基本理论
1
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论
八
本章主要介绍气体放电理论，重点内容是 气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿 特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形 式。 §8-1 §8-2 §8-3 §8-4 §8-5 §8-6 气体中带电质点的产生和消失 气体放电过程的一般描述 均匀电场气隙的击穿 不均匀电场气隙的击穿 气隙的击穿特性 气体电解质中的沿面放电
5
2、光游离
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论
气体放电报告
气体放电的机理以及电力行业的应用一、气体放电基本理论1、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。
气体放电是产生低温等离子体的主要途径。
所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。
低温等离子体物理与技术在经历了一个由20 世纪60 年代初的空间等离子体研究向80 年代和90 年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展以及在电力行业中的应用对于高科技经济的发展有着巨大的影响。
2、气体放电的基本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。
1903 年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。
汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。
但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。
电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。
针对汤森放电理论的不足，1940 年左右，H．Raether 及Loeb、Meek 等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。
3、气体放电的主要类型通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa 的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。
比较而言，电晕放电比较微弱且产生的活性粒子效率较低而难以应用于工业生产。
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S
电子崩
汤逊理论的实质就是电子崩理论
外界游离因素
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+ +
+ +
+
+
S
e 电子数： s
正离子数：
es 1
汤逊第一放电系数α：一个电子由阴极向阳极运 动，经过1cm的距离，平均发生的碰撞游离次数。
2、汤逊理论非自持放电与自持放电 外界游离因素
有效电子
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+
+
+
+ +
++ +
+
+
+
S
非自持放电：需要外界游离因素和电压两个 条件来维持的放电。
自持放电：不需要外界游离因素的作用，只 靠电压就能维持的 电子数：
s
正离子数： es 1
汤逊第三放电系数γ：一个正离子撞击阴极板 时，使阴极板发射出来的有效电子数。
(es 1) 1
3、汤逊理论适用范围
一般间隙、标准大气压下气隙的放电： 1、按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高； 2、按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长； 3、一般间隙的击穿电压与阴极材料无关； 4、放电形状不同
汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场中