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
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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
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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
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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
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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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++ +
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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