第二章、放电电极表面电子发射
高电压技术第二章-气体放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
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。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
高电压技术复习总结
第2章气体放点的基本物理过程（这章比较重要,要记得知识点很多，要认真看）在第二章标题下面有一句话“与固体和液体相比·········”(1.电离是指电子脱离原子的束缚而形成自由电子、正离子的过程．电离是需要能量的，所需能量称为电离能Wi(用电子伏eV表示,也可用电离电位Ui=Wi/e表示)2。
根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离方式可分为热电离、光电离、碰撞电离（最重要）和分级电离。
3.阴极表面的电子溢出：（1）正离子撞击阴极：正离子位能大于2倍金属表面逸出功。
（2)光电子发射：用能量大于金属逸出功的光照射阴极板。
光子的能量大于金属逸出功. （3)强场发射：阴极表面场强达到106V/cm（高真空中决定性）(4)热电子发射：阴极高温4。
气体中负离子的形成：电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量(电子亲合能）。
电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则越易形成负离子。
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。
SF6气体含F,其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
5.带点质点的消失:（1)带电质点的扩散：带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，使带电质点浓度变得均匀.电子的热运动速度高、自由行程大,所以其扩散比离子的扩散快得多。
(2)带电质点的复合：带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。
带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来,这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。
6。
气体间隙中电流与外施电压的关系：第一阶段：电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小第二阶段：电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱(良好的绝缘状态）第三阶段：电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电子崩第四阶段自持放电：电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿)外施电压小于U0时的放电是非自持放电.电压到达U0后，电流剧增,间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素.自持放电7.电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。
第二章 电子源
未对中的未饱 和W灯丝图像
典型的饱和W 灯丝图像
26
LaB6灯丝的电子发 射是择优取向的
未饱和LaB6灯丝像 饱和的LaB6灯丝 像
27
➢最好是在饱和点以下来使用LaB6灯丝，在 保证不损失信号的前提下这种措施会大大 延长灯丝的使用寿命，在有些场合欠饱和 操作十分有用，因为晕环中的电子比亮圆 盘中的电子具有更好的相干性。
• LaB6灯丝的功函数F很低，由于F出现在 Richadson方程中的指数项中，因此它对束流密
度的影响十分关键
• L样束a就流B6可 密晶以 度体形 比可W成以灯小被丝的制高交成出叉直许尺径多寸为，，１通结微常果米情是的况L细a下针B6，尖灯尽，丝管这的为 了提高灯丝的寿命，一般的LaB6灯丝的使用温度 都很低，其亮度却是W灯丝的10倍，束斑尺寸的减 小也提高了电子束的相干性，并且能够使能量分布 范围控制在１eV之内
3
A 热发射
Richardson定律：
F
J AT 2ekT
J：灯丝的束流密度 T（K）：操作温度 F：功函数 A：Richardson 常数
当将灯丝加热到一个 温度T时，其能量高 于F即可产生电子， 然后电子从灯丝中逃 逸出来成为可以使用 的电子束
4
• 高熔点材料 （W灯丝） • 具有低的功函数的材料 （LaB6灯丝）
✓ 我们可以采用小的限制光栏来达到这一目的，较细的电子束 比较粗的电子束具有更好的空间相干性，
✓ 相干性越好，则电子束就越平行，相衬度的质量也就越好， 衍射图也越明锐，衍衬像的质量也就越好。
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D 稳定性
• 除了提供给灯丝的高压需要具有稳定性之外，灯丝电 流的稳定性也同样重要，否则，荧光屏上的强度将会 处于变化之中，很难得到合适的曝光条件，并且在许 多情况下导致微分析无法进行。
气体放电的基本物理过程
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原 子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发 生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。
高电压工程基础
（1）碰撞电离
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引 入“自由行程”概念。
自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。
带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而
还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以 光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射 在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。 带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则 复合率越高。
2.2 放电的电子崩阶段
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大，因为带电 质点向电极运动的速 度加快复合率减小
电流饱和，带电质 点全部进入电极， 电流仅取决于外电 离因素的强弱（良 好的绝缘状态）
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
研究气体放电的目的： 了解气体在强电场(高电压)作用下逐步由电介
质演变成导体的物理过程。 掌握气体介质的电气强度及其提高方法。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
输电线路以空气 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 气体作为绝缘材料
n
均匀电场 α 不随x变化
加速器原理-第2章
分子态变成原子态称离解。 分于或原子太变成分子离子或原子离子称为 电离。 电离的逆过程，称为复合。复合现象主要是 发生在放电室壁附近，并与壁的材料有关。金 属的复合系数高于绝缘材料，因此有些离子源 的放电室用石英或优质玻璃制成。复合现象对 工作状态影响不大的离子源，放电室仍由金属 制成。
（3）引出系统 引出系统的要求是: 能引出强的束流或具有高的引出效率； 引出的束流具有优良的品质； 具有适当的气阻。（放电室内是低真空，气 压为0.1～10Pa。加速管内则须保持高真空， 气压低于10-3Pa ）
加速器原理
教师：刘晓辉
成都理工大学 核技术与自动化工程学院
第2章 带电粒子源
粒子源（particle source）是产生带电粒子束 的装置。 粒子源与加速器两者是相辅相成的。加速 器的发展对粒子源不断提出新的要求，而粒子 源技术的每个重大突破和发展又促进了加速器 的发展与革新。 粒子源的水平决定加速器的流强、发射度、 粒子种类。
2.离子源的工作原理及主要组成部分 离子源由供气系统、放电室、引出系统及聚焦 电极组成。
（1）供气系统：由管道及阀门组成。将需要 的气体充入放电室，气压一般为10～10-1pa。 充入相关的气体。 氢气——质子，氦气——α粒子 （2）放电室：充入的气体在放电室中电离， 形成等离子体。按形成等离子体的不同方式。 离子源分成不同的种类。但无论哪一种电离方 式，在等离子体形成的过程中都是自由电子起 着主要的作用。来自发射或场致发射的电子以 及空间的自由电子，受到电场加速而具有一定 的动能。它们与气体分子碰撞将导致分子的离 解和电离。
放电原理：从阴极发射出的电子在阴极和对阴 极之间往返的运动同时，又受到轴向磁场的约 束，使电子沿轴线做螺旋运动。从而增加了与 气体分子发生电离碰撞的概率。
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
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5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
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22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
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电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
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2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
高电压技术复习大纲-2012 (1)
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第三节 极不均匀电场中的沿面放电 o 弱垂直电场分量情况下，提高沿面闪络电压的途径？具 体措施？ o 说明为什么加装均压环后绝缘子柱电压分布可以得到改 善 o 分析线路绝缘子串电压分布的等效电路？均压环如何改 善电压分布？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第四节 受潮表面的沿面放电 o 名词解释：
• 第五节 脏污绝缘表面的沿面放电 o 名词解释：
o 污闪电压；污层等值附盐密度；单位爬电距离
o 干燥情况下绝缘子表面污层对闪络电压是否有影响？ o 什么情况下绝缘子表面污层对闪络电压有显著影响？为 什么？ o 为什么污闪事故对电力系统的危害特别大？ o 简单描述污闪的发展过程 o 污闪与其他沿面闪络过程的最大不同之处是？ o 污闪发展过程中，局部电弧能否发展成闪络取决于哪些 因素？ o 影响污闪电压的因素有哪些？ o 实验室进行人工污秽试验时，如何确定污闪电压？具体 步骤？对污闪试验所用电源的内阻抗有何要求？
o 湿闪络电压；
o 介质表面发生凝露时，沿面闪络电压降如何变化？是否 发生凝露与什么因素有关？ o 低温下为什么相对湿度增加不会显著降低闪络电压？ o 湿闪络电压与干闪络电压的关系？ o 提高绝缘子湿闪电压的措施？ o 为什么户外绝缘子都有伞裙？ o 为什么伞裙宽度进一步增大并不能提高湿闪电压？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
o GIS的母线筒和测量电压用的球间隙属于什么类型的电 场？高压输电线路？套管？ o 如何描述电场的不均匀性？以稍不均匀场和极不均匀场 为例予以说明 o 极不均匀场区别于均匀场的放电现象是？ o 同样间隙距离下，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场 间隙的要高还是低？ o 电晕放电是自持还是非自持放电？ o 极不均匀场间隙中自持放电条件是？ o 电晕放电的危害、降低电晕放电的措施与电晕放电的有 利之处？
高电压技术复习资料要点
⾼电压技术复习资料要点第⼀章电介质的电⽓强度1.1⽓体放电的基本物理过程1.⾼压电⽓设备中的绝缘介质有⽓体、液体、固体以及其他复合介质。
2.⽓体放电是对⽓体中流通电流的各种形式统称。
3.电离：指电⼦脱离原⼦核的束缚⽽形成⾃由电⼦和正离⼦的过程。
4.带电质点的⽅式可分热电离、光电离、碰撞电离、分级电离。
5.带电质点的能量来源可分正离⼦撞击阴极表⾯、光电⼦发射、强场发射、热电⼦发射。
6.带电质点的消失可分带电质点受电场⼒的作⽤流⼊电极、带电质点的扩散、带电质点的复合。
7.附着：电⼦与⽓体分⼦碰撞时，不但有可能引起碰撞电离⽽产⽣出正离⼦和新电⼦，也可能发⽣电⼦附着过程⽽形成负离⼦。
8.复合：当⽓体中带异号电荷的粒⼦相遇时，有可能发⽣电荷的传递与中和，这种现象称为复合。
（1）复合可能发⽣在电⼦和正离⼦之间，称为电⼦复合，其结果是产⽣⼀个中性分⼦；（2）复合也可能发⽣在正离⼦和负离⼦之间，称为离⼦复合，其结果是产⽣两个中性分⼦。
9.1、放电的电⼦崩阶段（1）⾮⾃持放电和⾃持放电的不同特点宇宙射线和放射性物质的射线会使⽓体发⽣微弱的电离⽽产⽣少量带电质点；另⼀⽅⾯、负带电质点⼜在不断复合，使⽓体空间存在⼀定浓度的带电质点。
因此，在⽓隙的电极间施加电压时，可检测到微⼩的电流。
由图1-3可知：（1）在I-U 曲线的OA 段：⽓隙电流随外施电压的提⾼⽽增⼤，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减⼩。
当电压接近时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产⽣的带电质点全部进⼊电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱⽽与电压⽆关。
（2）在I-U 曲线的B 、C 点：电压升⾼⾄时，电流⼜开始增⼤，这是由于电⼦碰撞电离引起的，因为此时电⼦在电场作⽤下已积累起⾜以引起碰撞电离的动能。
电压继续升⾼⾄时，电流急剧上升，说明放电过程⼜进⼊了⼀个新的阶段。
此时⽓隙转⼊良好的导电状态，即⽓体发⽣了击穿。
（3）在I-U 曲线的BC 段：虽然电流增长很快，但电流值仍很⼩，⼀般在微安级，且此时⽓体中的电流仍要靠外电离因素来维持，⼀旦去除外电离因素，⽓隙电流将消失。
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第二章、放电电极的表面电子发射
第一章中主要介绍了放电气体中的电子产生、气体粒子的碰撞激发和碰撞电离过程。
在气体放电中，阴极表面的电子发射，对气体放电过程起着重要作用。
下面就电极表面的电子发射过程进行讨论。
我们先来看一下金属表面的电子所受电场力的作用。
在原子体系中，核外电子受原子核场的库仑力的作用，其势能为：
r
Ze r U 02
16)(πε-= （2-1） 电子离原子核越近，势能越大（电子脱离原子核的引力需做的功越大），电子离原子核越远，势能越小（0)(→⇒∞→r U r ）。
在金属中也是如此，只是金属中的电子要受到多个按规则
排列的原子的场作用。
金属表面的一个自由电子（能在金属中
自由移动的电子）受多个原子核场的同时作用，势能曲线如图
2.1。
横轴x 轴垂直于金属表面，纵轴表示电子的势能；
0→⇒∞→U x 。
金属中自由电子的最低能量为Wa -，能量再低于Wa -的电子为束缚电子，束缚于金属原子内，不能在金
属中自由运动。
在金属中自由电子的最高势能为φe -。
虽然自
由电子可以在金属中自由运动，但不能脱离金属表面而成为空
间自由电子，这些电子只有从外界获得足够的能量（φe ），
电子的动能才能超过金属表面势垒而脱离金属表面成为空间自
由电子。
金属内的自由电子从外部获得能量的主要途径有：
1、 加热金属-----热发射；
2、 用紫外或可见光照射金属表面---光致发射；
3、 外加电场---场致发射；离子、电子等轰击金属表面，将能量传递给金属中的电子-----二次电子发射。
一、热阴极发射
从前面金属表面的电子势能曲线可以看出：金属表面内自由电子的位能位于φe Wa --与范围内，所以φe Wa --至也称为导带。
在导带中的电子具有的最大能量为φe -，若想让电子脱离金属表面成为空间自由电子，电子至少应从外部获得φe 的能量。
φe -----功函数或逸出功。
导带中的自由电子的速度分布应满足玻尔兹曼分布：
kT E e E n /)(∆-∝∆ 其中 a W U E -=∆ （2-2）
即使在室温情况下（T=300K ），也有极少数电子的能量超过金属表面的势垒而脱离金属表面，形成很小的电流。
如果加热金属阴极，超过金属表面势垒的电子数会迅速增加。
应用热发射的元器件很多，示波器与电视机的电子枪、阴极射线管等都是利用热阴极发射。
清洁均匀的金属表面热发射的电离密度为：kT e e
AT j /2φ-= （2-3） 其中)/(102.1422623K m A e mk h
A ⨯==π，T---温度（K ），k ---玻尔兹曼常数，e —电子电荷，m---电子质量，kT ---单位为eV 。
从上式看，A 为常数，这是理想情况（假定金属表面微观均匀，无任何缺陷），任何位置的逸出功φe 都相等。
但实际情况远非如此，所以A 值只能实际测量，表2.1给除了部分金属的逸出功及A 的测量值。
表2.1 部分金属的逸出功及A 的测量值
从（2-3）式可以看出，↓↓⇒↑⇒↑↑⇒-j e e j A kT e /;φφ，若想得到比较大的电流密度，应选用
↓↑ϕe A ,的材料。
二、阴极的光致电子发射
电极表面的光致电子发射是基于光电效应原理，能量大于一定值（金属的逸出功）光子入射金属表面，就会有光电子产生，这就是光电效应。
金属材料的逸出功φe 和光电子的速度分布可以通过实验测量，测量装置及实验曲线如图2.2。
两个平行金属板封闭于真空管里，分别用不同波长的单色光照射阴极金属板，用检流计G 测量两极板间的电流大小。
当光子能量足够大（频率ν足够大，或波长λ足够短）时，入射光子就会在阴极金属板上打出电子---光电子，入射光波长及光强不变，改变极间电压，就会得到光电流i 随极间电压的变化曲线。
当正极电位高于负极电位时，光电流i 几乎为常数，与入射光强成正比；当负极电位高于正极电位时，随着电位差值的增大，光电流i 成线性减小，直至电位差为某一值（-V 0）时，0=i 。
实验结果表明，光电子发射有如下特点：
1、光电子的速度分布不服从Maxwell 分布。
如果入射光子能量为νh ，金属表面电子的逸出功为W ，则光电子的动能为：
W h v m e -=ν2/2 （2-4）
由前面介绍的金属表面的电子势能曲线可知，金属中的自由电子具有的能量处于φe Wa --~之间，所以发射的光电子速度的不同，最大速度对应最高能量φe -。
Wa h v m e -=∴ν2/2max （2-5）
最小速度对应：Wa h v m e -=∴ν2/2min （2-6）
调节两电极间的电位差，当负极板电位高于正极板电位时，光电子被外加电场减速，光电流0=i 对应的截止电压为0V -，该电场对最快的光电子的减速恰好使光电子不能到达正极板，此时有：
)(12102max 0φνe h e
V v m eV e -=⇒= (2-7) 2、光电流i 随光强I 增大而线性增大
当入射光频率一定（临界νν ）时，光强I 0与光子流密度N 成正比，这样CI i N I =∴↑↑⇒↑⇒，光电子数，C 为常数。
光电探测器工作原理就是利用了这一线性关系。
但是当光强很强时，会出现饱和现象，在进行光电测量中应尽量比，避免饱和现象的出现，因为此时不再满足线性关系。
3、光发射的临界频率临界ν及逸出功φe 的测量
为了时电子从金属表面释放出来，所吸收的光子必须具有一定的能量，以克服电子脱离金属表面所需要的逸出功φe ，如果光子能量φνe h v m e 临界=2/2
min ，就不可能引起光电子发射，所以临界频率应满足： h e e h /φνφν≥⇒≥临界临界 （2-8）
测量金属材料逸出功的关键就是测量出光电子发射对应的入射光临界频率。