8 气体放电的基本理论
光源知识培训-气体放电的基本原理
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
二. 线光谱
hνnm =En -Em =e△Vnm =hc/λnm λnm=1239/△Vnm
E
△V→V
λnm→nm
hγmn
En
Em
E0
hγn0
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
1. 不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 →选择性强 2. 共振辐射的效率(特别是第一共振态)最高 3. 能级之间的跃迁服从选择定则 4. 线光谱辐射的功率密度Pnm
1 nn BnmρB(ν) hνProf.ν 4π 1 = c nn Bnm LνB hνProf.ν
6
c ρB(ν) 其中： LνB = 4π
εν s c2 由5和6得： i = εν 2hν
3
LνB
7
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
平衡下：
1 nn Anm hνProf.ν 4π 1 + nn Bnm LνB hνProf.ν c 8
诸定昌
b)色散型(洛仑兹力)轮廓 γ 1 Prof.ω= 2π 2 ( γ) (ω- ω0) + 2 c)高斯型轮廓 Prof.ω=( 4Ln2) exp[πγ 2
1 2
2
4Ln2(ω- ω0) γ2
2
]
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
二.谱线的自然宽度
t→t+dt dnn=- Anm nn dt
12
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
εν εν +εν
Kν LνB e = Kν LνB
- hν
KT
=e
- hν
气体放电的基本物理过程
放电的电流与电压特性
电流特性
气体放电的电流大小和波形取决于放电条件，如气压、电流密度和电极形状等。在一定条件下，放电 电流会呈现脉冲或持续的波形。
电压特性
气体放电的电压特性与电流特性密切相关。在放电过程中，电压会随着电流的变化而变化，通常在放 电开始时电压较高，随着电流增大，电压逐渐降低。
放电的热效应与声效应
拓展气体放电的应用领域
能源领域
利用气体放电技术实现高 效、清洁的能源转化，如 燃料电池、太阳能电池等。
问题，如烟气脱硫 脱硝、废水处理等。
医疗领域
利用气体放电技术进行杀 菌消毒、病毒灭活等，保 障公共卫生安全。
THANKS
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电场与气体原子的相互作用
库仑相互作用
气体原子在电场中受到正负电荷的库 仑力作用，导致原子运动状态发生变 化。
电子与原子的碰撞
电场加速的电子与气体原子发生碰撞 ，传递能量，引起原子的激发和电离 。
电子的产生与运动
电子从气体原子或分子的束缚态跃迁 到自由态，形成自由电子和正离子。
电子在电场中受到加速或减速作用， 能量发生变化，运动轨迹发生偏转。
探索新型的气体放电技术
01
02
03
脉冲放电技术
利用脉冲电源产生高电压、 大电流的脉冲，实现高效 率、高稳定性的气体放电。
介质阻挡放电技术
通过在放电空间中设置绝 缘介质，降低放电的击穿 电压，实现低电压、高效 率的气体放电。
电晕放电技术
利用高电压电场产生电晕， 使气体发生局部电离，实 现低电流、低能耗的气体 放电。
电弧放电
另一种不稳定的气体放电状态是电弧放电。 电弧放电会产生强烈的弧光和高温，同时伴 随着较大的电流和电压波动。这种不稳定性 会对放电产生负面影响，甚至导致设备损坏。
8气体放电 和放电特性
放电特性（discharge characteristic）是指在切断供电电流后，二次场电位差（△U2）随放电时间（t）的变化关系：当充电一定时间后断电，二次场电位差（△U2）随时间缓慢衰减，开始较快，以后逐渐减慢，最后趋于零。
放电特性和极化体的物质成分、离子扩散等因素有关。
[1]气体放电英文名称：gas discharge 定义：气体中流通电流的各种形式的统称。
包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。
所属学科：电力（气体放电一级学科）；高电压技术（二级学科） :干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就气体放电变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
编辑本段激发现象荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。
这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。
要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为E m的状态,就必须给予(E m-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eV e，则有eVe＝Em－E1电位V e称为激发电位。
实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。
引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。
浅谈气体放电理论及研究
浅谈气体放电理论及研究摘要：介绍了气体放电的基本理论和类型，列举气体放电实验的一些研究方法。
针对性地提出了气体放电的研究前景。
关键字：气体放电介质离子1.引言干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
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。
2.1 汤森放电理论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。
2.2流注理论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。
近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。
3.气体放电的基本类型气体在不同的条件下，在物理特性方面也有一些差异，这就导致了气体在不同压强，电压等条件下存在不同的放电类型。
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。
2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电
3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的 基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不 适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头 电子数的表
自由行程超过 平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极， 均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、 电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的 变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•棒极附近强场区内的电晕 放电将在棒极附近空间留下 许多正离子
•这些正离子虽朝板极移动, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂 留在棒极附近，如图间电 荷削弱了棒极附近的电场 强度，而加强了正离子群 外部空间的电场
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区 后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍 继续往板极运动，而留在棒极附近的也 是大批正离子 • 这时它们将加强棒极表面附近的电 场而削弱外围空间的电场 • 所以，当电压进一步提高时，电晕 区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是 不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要 比正极性时高得多，完成击穿过程所需 的时间也要比正极性时长得多。 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电 压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极 性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试 验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这 时的电气强度较低。
气体放电的基本原理与应用探究
气体放电的基本原理与应用探究气体放电是一种电现象，其起源是气体分子在电场作用下受到激发和电离。
气体放电现象广泛存在于生产、生活、研究等各个领域。
气体放电被广泛应用于灯泡、电视、医学、工业、航空航天等领域。
本文分别从基本原理和应用两个方面进行探究。
一、气体放电的基本原理气体放电是一种特殊的电现象，它是由于气体分子在电场作用下获得能量后发生电离并形成电流的现象。
气体放电有多种类型，如直流气体放电、交流气体放电、脉冲气体放电、空间气体放电等，其中最常见的是直流气体放电。
1、电离气体放电的前提是气体分子电离。
当气体分子获得足够的能量时，就可能发生电离现象，电子从原子或分子中被剥离出来。
电子是一种负电荷的微粒子，被剥离出来后，就可以在气体中自由运动。
气体分子的电离有两种情况：一种是电子从气体分子中脱离，成为带负电荷的自由电子；另一种是气体分子失去部分电子，变成带正电荷的离子。
2、电场作用当在气体中建立电场时，电荷在电场力的作用下就会受到约束向某个方向运动。
在气体中，由于带正电的离子和带负电的电子的数量相等，因此，它们会受到电场的作用而向着相反的方向运动。
这时，正负电荷的运动方向相反，就形成了电流。
3、电晕放电电晕放电是一种特殊的气体放电现象，是指在不产生弧光的情况下，通过高电压和低电流将气体电离所产生的电子和离子加速，使它们具有足够的能量发生反弹，并再次与气体分子碰撞，从而使气体分子产生有效的激发电离。
电晕放电主要发生在电极表面上，其放电特性与电极形状、电场强度、气体种类和压力等因素有关。
二、气体放电的应用气体放电由于其稳定、可控、便捷等特点，已经被广泛应用于医学、工业、冶金、生产等众多领域。
1、灯具气体放电在灯泡的制造中得到广泛的应用。
最常见的一种是荧光灯，它采用高压电场使稀薄的气体放电发光，以此来发出明亮的光线。
其他的一些小灯泡也是用气体放电来制造的。
2、宇航技术气体放电不仅在地球上使用得很广泛，在宇航技术中也有广泛的应用。
气体放电理论(二)
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
7
正流注的形成
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
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2．放电时间 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．阴极材料的影响 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。
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பைடு நூலகம்
四、不均匀电场中气体击穿的发展过程
球间隙的工频放电电压的变动情况：
（ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成；
（ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布
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流注根部 温度升高
热电离 过程
电离加强，更为明亮
先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
x /cm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 n 9 27 81 245 735 2208 6634 19930 59874
5
空间电荷畸变外电场 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，有 利于发生激励或电离现象， 当它们回复到正常状态时，放 射出光子
棒极附近的电场得到增强， 因而自持放电条件就易于 得到满足、易于转入流注 而形成电晕放电
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。
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
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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
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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
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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。
气体放电理论(一)
1
2
3
气体放电
在电场作用下，气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？
4
2.1 气体中带电质点的产生和消失
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： （1）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） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 金属（阴极）的表面电离
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气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子 发生碰撞时的行程
电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
T p
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2、过程
电离系数
正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有 显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能， 在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自 由电子来
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（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时 ，金属表面放射出电子 （3）强场发射（冷发射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子 （4）热电子发射 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
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气体中带电质点的消失 （一）电场力作用下进入电极 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
12
电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j endv
在气体放电空间 ，带电质点在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质点的
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。
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。
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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▪ 火花放电：
▪ 高电压电极间的气体被击穿， 出现闪光和爆裂声的气体放 电现象。
▪ 在通常气压下，当在曲率不 太大的冷电极间加高电压时， 若电源供给的功率不太大， 就会出现火花放电，火花放 电时，碰撞电离并不发生在 电极间的整个区域内，只是 沿着狭窄曲折的发光通道进 行，并伴随爆裂声。由于气 体击穿后突然由绝缘体变为 良导体，电流猛增，而电源 功率不够，因此电压下降， 放电暂时熄灭，待电压恢复 再次放电。所以火花放电具 有间隙性。
章
②在外加电场作用下，带电质点在电场力的作用具有
一定的能量。
气 形成撞击游离的条件：
体
①撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质点在该
放 种状态下所需的游离能；
电
②撞击质点与被撞击质点有一定的作用时间。
基 本
在有电场存在的情况下，电子与别的质点相邻两次碰 撞之间的平均自由行程比离子大的多，积聚足够的能量后
本 因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电
理 的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。
论
1
11
第 二、气体中带电质点的消失
八
气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质
章 点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；
带电质点的复合。
气 1.带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量
放 程度。电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到
电 的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散
基 快得多。
本 3.带电质点的复合
理
带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而
论 还原为中性质点的过程称为复合。复合时，质点原先在
1
游离时所吸取的游离能通常将以光子的形式如数放出。 对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先
气 1、撞击游离
体
欲使气体质点游离，必须给予该气体质点足够的能
放 量，这个能量由撞击质点传给。这些撞击质点有电子、
电 基 本
正离子、负离子、中性分子、原子等，其所具有的能量 有两种方式：
①动能，mv2/2，m是质点质量，v是质点速度。 ②势能，（数值很小忽略不计）
理
论
1
4
第 动能的产生：
八
①气体质点的热运动使之具有固有的动能；
八
章
在大体均匀的电场中，任意某处形成自持放电时，自 持放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击
气
穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。 在很不均匀的电场中，例如在尖端电极的情况，在电压
体 还较低的时候，尖端处的场强就已可能超过临界值而出现自
放 持放电，就是电晕放电。由于离尖端稍远处场强已大为减小，
当场强达到或超过Ecr值时，这种电子崩已可仅由电场 的作用而自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了， 这种性质的放电称为自持放电。
论
由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强Ecr，
2 相应的电压称为临界电压Ucr。
16
第
游离放电的进一步发展和转变到气隙击穿的过程将随 电场情况而不同，可分为均匀电场和不均匀电场两大类。
体 这种光子与气体分子相遇时就可能产生光游离。
放 电 基
由上述热状态的撞击游离和光游离所游离出来的带电 粒子，在高温下具有较高的热运动速度，在与分子碰撞时， 还可能产生撞击游离。
由此可见，热游离实质上是热状态产生的撞击游离和
本 光游离的综合。
理
论
1
8
第 4.表面游离
八
气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。从
气隙击穿
均匀电场
很
大
提高电压
火花放电
刷型放电
电子崩 非自持放电
电场小于Ecr
理
论
电极间距小 电极间距大
自持放电
电场大于Ecr
2
提高电压
提高电压
电晕放电
非均匀电场
15
随着气隙中场强增大，电子和离子在与气体分子相邻
第 两次碰撞间所积累的动能也增加，场强高达某一定值，使
八 这种能量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即可发生
体
带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向
放 电 基
运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射， 但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。其平均速度 开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的 增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强
本 度下，其平均速度将达到某个稳定值。这一平均速度称为
章 金属电极表面逸出电子，需要一定的能量，通常称为逸出
功。金属的逸出功一般要比气体的游离能小得多，所以，
气 表面游离在气体放电过程中有重要作用。
体
金属电极表面游离所需的能量（逸出功）可以通过下
放 电 基
述途径获得： ①热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的
动能增加到超过逸出功时，电子即能克服金属表面的位能 壁垒而逸出，称为热电子发射。在强电领域，热电子发射
1
10
第 5.负离子的形成
八
章
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
气 体 放 电 基
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，
理 再与其他质点碰撞的几率也比离子大的多，因而在电场中，
论 造成撞击游离的主要因素是电子。
5
2、光游离
第 短波射线的光子具有很大能量、它以光速运动，当它射到中性原 于(或分子)上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正
八 比，即
章
Ｗ＝hγ (1—1)
式中 h——普朗克常量，等于6.6260755X10-34J·s；
基 子再与正离子复合的。
本
②异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。因此，强烈
理 的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就
论 较高。
1
14
§8-2 气体放电过程的一般描述
第
八 章
气体放电过程描述框图
2007年3月13日
气
电
弱电场
较强电场
弧
体
放
放
电 源
电
气隙
微弱游离
撞击游离 游离电子
电 基 本
功 率
20
气体放电过程描述框图
2007年3月13日
电
弱电场
较强电场
弧
放
电 源
电
气隙
微弱游离
撞击游离
功 率 很
气隙击穿
均匀电场
电子崩
放 下的气隙击穿具有重要意义。
电
④光电子发射：
基
用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电
本 子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满
理 足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分
论
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。
章 撞击游离。游离出来的电子又参加到撞击游离的过程中去。
于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩。
气
此时电流也相应地有较大的增长，但在场强小于某临
体 界值 Ecr时，这种电子崩还必须有赖于外界游离因素所造
放 成的原始游离才能持续存在；如外界游离因素消失，则这
电 基 本 理
种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去。 这种放电称为非自持放电。
吸附的一个电子。
13
第 复合过程的影响因素：
八
与游离过程相似，复合的过程也是带电质点在接近时
章 通过电磁力的相互作用而完成的，需要一定的相互作用时
间和条件。在复合过程中，异号质点间的静电力起着重要
气 体 放 电速度愈大，复合的几率就愈
小，气体中电子的速度比离子的速度大得多，所以电子与 正离子复合的几率比负离子与正离子复合的几率小得多 （小几千倍）。参加复合的电子中绝大多数是先形成负离
本 主要是对某些电弧放电的过程有重要的意义。
理
②二次发射：用某些具有足够能量的质点（例如正离
论 子）撞击金属电极表面，也可能产生表面游离（称为二次
1 发射）。
9
第
八
章
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
气 体
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
19
▪ 电弧放电：当电源提供较大功率的电能时，若极间 电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中 可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强 烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧 放电 。电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱 和电极斑点。
▪ 电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些 场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制 等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。
第八章 气体放电的 基本理论
1
本章主要介绍气体放电理论，重点内容是
第 气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿
八 特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形
章 式。
气
§8-1 气体中带电质点的产生和消失
体
§8-2 气体放电过程的一般描述
放 电 基
§8-3 均匀电场气隙的击穿 §8-4 不均匀电场气隙的击穿
电 故电离放电只能局限在尖极附近的空间而不能扩展出去。