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。电弧放电则与此相反，由于产生的能量密度过高，导致电子与离子的能量较大足以损伤比较脆弱的工件。与此不同的是，介质阻挡放电

能比较容易的产生非平衡等离子体，且等离子体的温度、密度适中。应该说，从目前来看介质阻挡放电是主要的一种大气压放电的实现形式。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种放电系统。由于介质的存在，可以限制电流的增长，使放电不至于形成火花放电或电弧放电。依赖于放电气体的种类、介质的属性及外加电压的幅值与频率，介质阻挡放电可以呈现三种不同的放电模式，即丝状放电、均匀放电与斑图放电。

二、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。

1、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

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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Em的状态，就必须给予（Em-E1）的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有

eVe=Em－E1

电位Ve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。

原因：

受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的

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状态回复到能量为E1的正常状态，并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态，这时便称为处于亚稳状态，处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由电子再次碰撞或吸收相应的光量子，升到更高的能级，然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与电子碰撞将能量转化为电子的动能，它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-4～10-2秒；由于它寿命较长，在放电中常常起重要的作用。

基态时：

当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。

2、电离

电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才

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能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。

电离过程：

在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。

3、消电离

如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这称为消电离。消电离的方式有三种：①电子先与中性原子结合成为负离子，然后负离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。②电子和正离子分别向器壁扩散并附于其上，复合后变为中性原子离去。③电子与正离

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子直接复合。

4、迁移

在电场作用下，带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比u=KE

系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数，而与电场强度E有关。

5、扩散

当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。扩散现象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种