气体放电学原理

气体放电学原理

1.碰撞，激发与电离

1) 碰撞

碰撞分为弹性碰撞与非弹性碰撞，弹性碰撞只改变电子及分子的运动方向，非弹性碰撞则引起原子的激发与电离。

2) 潘宁效应: Penning Effect

若A，B分别为不同种类的原子，而且，原子A的激发电位大于原子B 的电离电位，当受激原子A与基态原子B碰撞后，使基态原子B电离，受激原子A的能级降低或变为基态原子A，这种过程称为潘宁碰撞或潘宁效应。例如: Ne的亚稳态激发电位是16。53V，大于Ar的电离电位15。69V。

3) 电离前的管内电流电压变化原理 (瞬间变化)

当电压逐渐增加时，电流逐渐增加；电压增加到一定程度时，开始有原子被激发，电子能量被转移，此时电流反而减小；当电压继续增加时，电子能量继续增加，电流再次增大。

4) 激发与电离规则

有效碰撞面积越大，激发与电离的几率越大电子的运动速度越大，激发与电离的几率越大；但电子速度到一定程度时，来不及与原子发生能量转移，激发与电离的几率反而减小。当电子速度非常大时，激发与电离的几率再次增加。

5) 特殊形式的激发与电离

a．光致激发与光致电离

热激发与热电离: 在辉光放电中，原子热运动很小，热电离和热激发作用极其微弱，可以忽略；但在高压气体和超高压气体中的弧光放电，热电离和热激发过程就必须考虑。温度越高，激发和电离越多。

b．放射性射线引起的激发和电离

α射线引起的电离: 相当于高速正离子和气体的第一类非弹性碰撞，电离能力很大。β射线引起的电离: 相当于高速电子和气体的第一类非弹性碰撞，

电离能力较弱。γ射线引起的电离: 相当于能量很大的光引起的光致电离，穿透力极强，对气体电离作用十分显著。

6) 带电粒子的消失

带电粒子的消失有两种: a. 带电粒子的复合；b.带电粒子在外电场作用下跑上电极而消失。

带电粒子的复合有空间复合与管壁复合：

空间复合: 正负粒子在放电空间相互作用而形成中性粒子，包括电子复合及离子复合。

管壁复合: 放电熄灭后，管内电极电位与管壁相同，电子与正离子会从放电空间跑上管壁及电极表面，并且复合，这一过程称为管壁复合。

7) 汤生电子繁流(电子雪崩)理论

电子从阴极跑向阳极的路程中，不断与气体原子发生碰撞电离，新产生的电子也向阳极运动产生更多的电子，电子越来越多，电子流迅速增长的过程叫做电子繁流或电子雪崩。

α: 汤生第一电离系数，代表电子对气体的空间电离。

β: 正离子的空间电离系数，代表离子对空间气体的电离。

γ: 正离子的表面电离系数，汤生第二电离系数。代表正离子轰击阴极表

面，使阴极逸出二次电子。

8) 巴邢(Paschen)定律

在其它条件不变时，击穿电压(着火电压)Ub不是单独地与压强P或极间距d

有关，而是与Pd的乘积有关。随着Pd由小到大，Ub先下降而后上升，存在一个最小值Umin。

A，B是取决于气体种类的常数，C可以看作常数。

除了Pd以外，影响击穿电压(着火电压)的其它因数有：

a .气体的种类和成分

当基本气体加入少量的杂质气体，即使含量很少，也将明显的改变

击穿电压(着火电压)。当杂质气体电离电位小于基本气体的亚稳态激发

电位，由于潘宁效应，将使击穿电压降低。例如氢氮混合气体，当基本

气体氮掺入不同含量的杂质气体氢时，可使混合气体的击穿电压有不同

程度的降低。气体比例不同击穿电压也不同。

在惰性气体中混入双原子分子杂质气体，往往会使击穿电压升高。

因为双原子分子吸收碰撞能量转换为能级能量或分解，而没有发生电

离。

b.电极材料和表面状况

电极材料主要通过γ系数影响击穿电压。若阴极逸出功低，则γ较大，相应的击穿电压也较低。阴极表面状况对击穿电压也有影响。气体放电管的老化过程就是为了清洁电极表面和纯化工作气体，使击穿电压由极不稳定变为比较稳定。

c.电极分布的影响

电极的形状应该有利于强电场的形成，以便快速形成击穿电流运动轨迹，制造雪崩放电。

d.外界电离源

9) 罗果夫斯基理论

在电子繁流(电子雪崩)过程中，电子向阳极运动，越靠近阳极新产生的电子和正离子越多。电子速度快，很快跑上阳极消失，而正离子移向阴极的速度很慢，这样在阳极前面就形成正空间电荷，改变电极间的电位分布，相当于阳极往阴极方向移动。从而电场增强，电离系数α，β和γ也增加了。

10) 气体放电种类

稳态放电: 辉光放电，弧光放电，电晕放电

非稳态放电: 低频交流放电，火花放电，高频放电和脉冲放电

2 气体放电过程

1) 气体放电的过程

OAB: 无声非自持放电，没有电子碰撞电离发生

BC: 非自持暗放电，部分电子获得足够的能量引起电子碰撞电离，放电电流明显增大，发光很微弱。

CD: 由非自持放电过渡到自持放电，C点称为击穿电压(着火电压)。

EF: 辉光放电，是一种稳定的小电流自持放电(10-4 ~ 10-1A)。

FG: 反常辉光放电，管压很高，阴极发生强烈的溅射。

HI~ In: 弧光放电，放电电流猛增，是一种稳定的大电流自持放电，电流在10-1A以上，发出比辉光放电强烈得多的光辉。

2) 气体放电的维持条件

管内条件: 气体成分，气体压力(密度)，电极形状和位置，电极材料与

表面状况，电流密度等。

管外条件: 电源极限功率，限流电阻R，外致电离源等。如图中所示，

R1>R2，根据负载线可以看出，R1只有一个交点产生不稳定的暗放电，

R2则能有机会产生稳定的弧光放电。