史永胜4气体放电基础优秀PPT.ppt

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1、气体放电中的基本粒子：气体放电中的基本粒子：基态原子（或分子）基态原子（或分子）电子电子 e1/2mve2，典型密度为典型密度为10161020/m3.激发态原子激发态原子(或分子或分子)正离子和负离子正离子和负离子 光子光子 h 气体放电物理基础气体放电物理基础基本粒子间的相互作用基本粒子间的相互作用 弹性碰撞弹性碰撞 参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变更，而位能不发生变更。更，而位能不发生变更。平均能量损失率气体放电物理基础气体放电物理基础举例：举例：me=9.1 10-31kg,mHe=6.68 10-27kg.e-He原子碰撞：原子碰撞：2.72

2、10-4,He+-He原子碰撞：原子碰撞：0.5 非非弹弹性碰撞性碰撞 使参与碰撞的粒子使参与碰撞的粒子间发间发生了位能的生了位能的变变更。更。第一第一类类非非弹弹性碰撞：性碰撞：导导致粒子体系位能致粒子体系位能增加。增加。如如 He+e(快速）快速）He*+e（慢速）（慢速）其次其次类类非非弹弹性碰撞：性碰撞：导导致粒子体系位能致粒子体系位能减小。减小。如如 He*+e(慢速）慢速）He+e（快速）（快速）气体放电物理基础气体放电物理基础内能的最大值内能的最大值气体放电物理基础气体放电物理基础第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞:如如 m1 m2，Wmax 0.5E1；m1m2，Wmax E1。

3、气体放电物理基础气体放电物理基础气体原子的激发和电离气体原子的激发和电离激发态激发态原子能级原子能级谐振能级谐振能级（受激原子自发地干脆过渡到（受激原子自发地干脆过渡到 基基态，并产生光子辐射。）态，并产生光子辐射。）较高激发态能级较高激发态能级（向较低基发态能级跃迁，并产生光子（向较低基发态能级跃迁，并产生光子辐射。）辐射。）亚稳能级亚稳能级（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）气体放电物理基础气体放电物理基础 电子与气体原子碰撞致激发和电离电子与气体原子碰撞致激发和电离原子由基态原子由基态E0激发态激发态Em基态原子被电离基态原子被电离电子必需具有的动能电

4、子必需具有的动能电子使基态原子电子使基态原子(或分子或分子)电离和激发电离和激发气体放电物理基础气体放电物理基础电子使激发态原子电离和激发电子使激发态原子电离和激发举例：举例：汞的电离电位为汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态而汞弧放电的稳态电压只有电压只有910V。这是因为这是因为能级为4.66ev能级为5.43ev气体放电物理基础气体放电物理基础碰撞截面碰撞截面原子作用半径原子作用半径R：电子与原子间能发生相互作用的最大距离。电子与原子间能发生相互作用的最大距离。原子与电子碰撞的有效截面原子与电子碰撞的有效截面 电子能量的函数 有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒有效截面不

5、仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。气体放电物理基础气体放电物理基础电子和气体原子的碰撞几率电子和气体原子的碰撞几率总有效截面总有效截面电子的平均自由程电子的平均自由程气体放电物理基础气体放电物理基础氦原子的激发截面与电子能量的关系 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离气体放电物理基础气体放电物理基础 光致激发和光致电离光致激发和光致电离光致激发和光致电离光致激发和光致电离的光子波长的光子波长气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础 热

6、激发和热电离热激发和热电离(1)气体原子相互碰撞产生电离气体原子相互碰撞产生电离(2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离高温气体产生热辐射而引起的光致电离(3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离气体放电物理基础气体放电物理基础 X射线及核辐射引起的电离和剩余电离射线及核辐射引起的电离和剩余电离(1)气体原子吸取气体原子吸取X射线量子后，使一个价电子脱离。这射线量子后，使一个价电子脱离。这个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。(2)高能高能X射线量子被原子吸取，使原子一个内层电子电射线量子被原子吸

7、取，使原子一个内层电子电离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程也伴随着能量的释放。新的也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离。量子又可以产生新的电离。(3)原子不是完全吸取原子不是完全吸取x射线量子，而是产生康普顿效应。射线量子，而是产生康普顿效应。X射线：射线：气体放电物理基础气体放电物理基础核辐射引起的电离：核辐射引起的电离：（1）射线、质子和氘核射线、质子和氘核 它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生的第一类非弹性碰撞。的第一类非弹性碰撞。（2）射线射线 它引起的电离

8、，相当于极高速电子与气体原子的第一它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一类非弹性碰撞。类非弹性碰撞。（3）射线射线 射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电离，主要产生康普顿效应。离，主要产生康普顿效应。气体放电物理基础气体放电物理基础（1）在地面旁边产生剩余电离的缘由是地壳中）在地面旁边产生剩余电离的缘由是地壳中放射性物质的辐射。放射性物质的辐射。（2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。宇宙线是来自星际空间的高能粒子。宇宙线是来自星际空间的高能粒子。剩余电离剩余电离 从地面对上上升时，剩余

9、电离作用起先随高从地面对上上升时，剩余电离作用起先随高度增加而下降，度增加而下降，在到达在到达1.5km以后，剩余电离重以后，剩余电离重新增加。新增加。气体原子的激发转移和消电离气体原子的激发转移和消电离 气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和电离的逆过程，这些基本过程属于重的激发和电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的其次类非弹性碰撞。粒子间的其次类非弹性碰撞。1气体原子的激发转移气体原子的激发转移 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 与电子的非弹性碰撞与电子的非弹性碰撞 与基态原子的非弹性碰撞与基态原子的非弹性碰撞潘宁效应潘宁效应辐射的淬灭辐射的淬灭敏化荧

10、光敏化荧光气体放电物理基础气体放电物理基础2带电粒子的复合带电粒子的复合 电子和正离子间的复合电子和正离子间的复合气体放电物理基础气体放电物理基础 假定电子质量为假定电子质量为m，正离子质量为，正离子质量为M。复合之前，。复合之前，电子相对于离子的速度为电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速，复合后形成中性原子速度为度为u。中性原子的质量则为。中性原子的质量则为mM。eUi为其电离能。为其电离能。依据动量守恒有依据动量守恒有依据动量守恒有依据动量守恒有气体放电物理基础气体放电物理基础从以上两式得出从以上两式得出说明说明 电子与正离子的二体复合不行能电子与正离子的二体复合不行能发生。发生。

11、三体碰撞复合三体碰撞复合辐射复合辐射复合气体放电物理基础气体放电物理基础 正负离子间的复合正负离子间的复合（a）辐射复合辐射复合 X-+Y+XY+h（b）电荷交换电荷交换 X-+Y+XY（c）三体复合三体复合 X-+Y+Z XY+Z 由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以离子复合几率比电子复合几率大得多。离子复合几率比电子复合几率大得多。在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负离子再与正离子发生复合。离子再与正离子

12、发生复合。3.带电粒子的电荷转移带电粒子的电荷转移4负离子的形成负离子的形成中性原子捕获电子形成负离子中性原子捕获电子形成负离子三体碰撞三体碰撞分解吸附分解吸附分子气体与电子碰撞产生离子对分子气体与电子碰撞产生离子对重粒子间的电荷转移产生离子对重粒子间的电荷转移产生离子对气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 带电粒子的热运动带电粒子的热运动 带电粒子的扩散运动带电粒子的扩散运动 带电粒子的漂移运动带电粒子的漂移运动气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子的热运动带电粒子的热运动（1）带电粒子的速度分布与平均动能）带电粒子的

13、速度分布与平均动能麦克斯韦分布：麦克斯韦分布：气体放电物理基础气体放电物理基础三种统计速度：三种统计速度：最可几速度最可几速度平均速度平均速度方均根速度方均根速度带电粒子的平均动能：带电粒子的平均动能：气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子的平均自由程及其分布律带电粒子的平均自由程及其分布律分子平均自由程分子平均自由程离子平均自由程离子平均自由程电子平均自由程电子平均自由程电子自由程分布律电子自由程分布律气体放电物理基础气体放电物理基础杂乱电流密度杂乱电流密度 在无外场作用时，带电离子在气体中的无规则热运动，在无外场作用时，带电离子在气体中的无规则热运动，在宏观上对外并不表现出电流。但在电离

14、气体中，某一指在宏观上对外并不表现出电流。但在电离气体中，某一指定方向的单位面积上，在单位时间内有确定量的带电粒子定方向的单位面积上，在单位时间内有确定量的带电粒子通过。通过。电离气体中的杂乱电子、离子流密度为电离气体中的杂乱电子、离子流密度为气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的迁移运动带电粒子在气体中的迁移运动离子迁移速度离子迁移速度电子迁移速度电子迁移速度通过气体的电流通过气体的电流气体放电物理基础气体放电物理基础西安交通高校西安交通高校西安交通高校西安交通高校电电电电子物理与器件教化部重点子物理与器件教化部重点子物理与器件教化部重点子物理与器件教化部重点试验试验试验试验室室

15、室室离子迁移率（Longevin公式）温度为0C，气体压强为133Pa气体放电物理基础气体放电物理基础电子迁移率电子在每次碰撞中传给气体粒子的平均能量百分数气体放电物理基础气体放电物理基础带电粒子在气体中的扩散运动电子扩散系数离子扩散系数由于ei，ei，所以DeDi。爱因斯坦关系式带电粒子的双极性扩散运动带电粒子的浓度分布随时间的变更气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体发生稳定放电的区域：正常辉光放电区(EF)反常辉光放电区(FG)弧光放电区(GH)气体放电的伏安特性气体放电的伏安特性 为为了了描描述述气气体体放放电电中中的的电电离离现现象象，汤汤生生提提出出了

16、了三三种种电电离离过过程，并引出三个程，并引出三个对应对应的的电电离系数：离系数：（1）汤汤生生第第一一电电离离系系数数系系数数。它它是是指指每每个个电电子子在在沿沿电电场场反反方方向向运运行行单单位位距距离离的的过过程程中中，与与气气体体原原子子发发生生碰撞碰撞电电离的次数。离的次数。气体的击穿和巴邢定律气体的击穿和巴邢定律电电子子繁繁流流示示意意图图气体放电物理基础气体放电物理基础（2）汤汤生其次生其次电电离系数离系数系数。它是指系数。它是指一个正离子沿一个正离子沿电场电场方向运行方向运行单单位路程所位路程所产产生生的碰撞的碰撞电电离次数。离次数。（3）汤汤生第三生第三电电离系数离系数 系

17、数。它是指系数。它是指每个正离子打上阴极表面每个正离子打上阴极表面时时，产产生的二次生的二次电电子放射数。子放射数。气体放电物理基础气体放电物理基础 当一个电子由阴极方向进入dx层，则在dx层中将产生dx个电子。假如在x处，单位时间通过单位面积的电子数为n，则经过dx层后，新产生的电子数为ndx，如已知边界条件为x0，nn。，则在匀整电场中(常数)，对式上积分，得（1）（2）气体放电物理基础气体放电物理基础 如极间距离为如极间距离为d，则到达阳极的电子数则到达阳极的电子数相应的电子流密度为相应的电子流密度为从阳极放射的从阳极放射的n0个电子，在到达阳极过程中，因个电子，在到达阳极过程中，因作用

18、在空作用在空间新产生的电子数为间新产生的电子数为na-n0 。这些也是新产。这些也是新产生的正离子数。假如忽视正离子在空间的碰撞电离作用生的正离子数。假如忽视正离子在空间的碰撞电离作用(0)，就有，就有 个正离子轰击阴极，它们将在阴极上个正离子轰击阴极，它们将在阴极上新产生新产生 个电子。个电子。（3）（4）气体放电物理基础气体放电物理基础 假定n0是外界电离源，它的大小不随时间变更。把它看成第一周期从阴极放射的电子。到了其次周期阴极单位时间、单位面积放射的它于数等于 。令依次类推，可以写出第三、第四、周期、阴极单位时间、单位面积放射的电子数以及到达阳极的电子数。经过无限周期以后，到达阳极的电

19、子数为其极限值为（5）（6）气体放电物理基础气体放电物理基础电子繁流过程中，阴极发出的电子数和到达阳极的电子数电子繁流过程中，阴极发出的电子数和到达阳极的电子数气体放电物理基础气体放电物理基础相应的电子流密度为相应的电子流密度为相应的极间电压为自持放电的击穿电压或着火电压。相应的极间电压为自持放电的击穿电压或着火电压。当分母为零，分子也趋于零时，当分母为零，分子也趋于零时，ja仍可以为有限值。仍可以为有限值。这表明，当外界电离源去除，即使初始电流这表明，当外界电离源去除，即使初始电流j00，放，放电仍旧接着进行，这就形成了自持放电。因此放电着火电仍旧接着进行，这就形成了自持放电。因此放电着火(

20、或称击穿或称击穿)的条件为的条件为（7）（8）气体放电物理基础气体放电物理基础 定量分析定量分析与场强与场强 和气压和气压P关系时的近似假设：关系时的近似假设：(1)电场较强，电子在气体中以定向运动为主，忽视乱向热电场较强，电子在气体中以定向运动为主，忽视乱向热运动；运动；(2)电子和气体原子每次磁撞后，沿电场方向的初速度为零；电子和气体原子每次磁撞后，沿电场方向的初速度为零；(3)电子在一个自由程中从电场获得能量电子在一个自由程中从电场获得能量Eee，只要，只要ee eUi，则电离几率为，则电离几率为1；假如；假如eeeUi，电离几率，电离几率为零。为零。依据假设依据假设(1)和和的定义，的

21、定义，系数应等于电子在系数应等于电子在1cm路程中与气路程中与气体原子的平均碰撞次数和电离几率的乘积，即体原子的平均碰撞次数和电离几率的乘积，即（9）气体放电物理基础气体放电物理基础 确确 依据假设依据假设(2)和和(3)，当电子在一个自由程中获得的能量，当电子在一个自由程中获得的能量ee等于或大于原子电离能等于或大于原子电离能eUi时，就确定产生电离碰撞。即当电子在时，就确定产生电离碰撞。即当电子在两次碰撞间的自由程满足两次碰撞间的自由程满足可产生电离碰撞。因此自由程大于可产生电离碰撞。因此自由程大于Ui/的几率，就的几率，就是电离几率。依据自由程分布规律，马上可得是电离几率。依据自由程分布

22、规律，马上可得（10）（11）气体放电物理基础气体放电物理基础将式将式(11)代入式代入式(9)，得，得令令 ，P为气体压强。又令为气体压强。又令B=AUi。代入式（代入式（12）得）得（12）或或（13）气体放电物理基础气体放电物理基础几种气体的巴邢曲线几种气体的巴邢曲线 帕邢帕邢(Paschen)定律定律 在气体种类、电极材在气体种类、电极材料等条件不变时，着火电料等条件不变时，着火电压压Ub不仅单独和压强不仅单独和压强P或极或极间距离间距离d有关，而且和有关，而且和Pd的的乘积有关乘积有关 Ub=f（Pd）（14）Ub与与Pd的函数关系的推导：的函数关系的推导：依据着火条件依据着火条件

23、，系数必需满足系数必需满足（15）气体放电物理基础气体放电物理基础据式据式(13)（16）从式从式(15)和和(16)相等，可得相等，可得上式两边取对数上式两边取对数整理后得整理后得（17）气体放电物理基础气体放电物理基础因而因而 令令（18）从从 ，可得最低着火点：，可得最低着火点：（19）（20）气体放电物理基础气体放电物理基础帕邢定律的物理意义：帕邢定律的物理意义：电子从阴极到阳极全部路程电子从阴极到阳极全部路程d内，所产生的总内，所产生的总碰撞次数为碰撞次数为而电子在一个平均自由程中从电场获得的能量为而电子在一个平均自由程中从电场获得的能量为因电子碰撞电离几率因电子碰撞电离几率 E 1

24、/Pd，因此无论变更压强，因此无论变更压强P或极间距离或极间距离d，只要，只要Pd乘积不变，则乘积不变，则Nd和电离几和电离几率都不变，也就是电子从阴极到阳极所产生的总电率都不变，也就是电子从阴极到阳极所产生的总电离碰撞次数不变，着火电压也不变。离碰撞次数不变，着火电压也不变。气体放电物理基础气体放电物理基础存在存在Ub的物理说明：的物理说明：当当p不变，而不变，而d由小增大时，由小增大时，E变小，变小，变小，变小，但但d的乘积可能增大也可能减小，因此存在最佳的乘积可能增大也可能减小，因此存在最佳放电状态。放电状态。当当d不变，而不变，而p增大时，电子在一个自由程中获增大时，电子在一个自由程中

25、获得的能量减小，电离几率下降，这对放电不利；但得的能量减小，电离几率下降，这对放电不利；但另一方面电子在极间碰撞总数增大，这对放电发展另一方面电子在极间碰撞总数增大，这对放电发展有利，因此也存在最佳放电状态。有利，因此也存在最佳放电状态。当当pd乘积从小到大发生变更时，一方面因碰撞乘积从小到大发生变更时，一方面因碰撞次数增多，有利于放电发展；另一方面，因电子在次数增多，有利于放电发展；另一方面，因电子在一个自由程中获得能量减小，不利于放电的发展。一个自由程中获得能量减小，不利于放电的发展。综合两方面的影响因素，存在最小着火电压。综合两方面的影响因素，存在最小着火电压。气体放电物理基础气体放电物

26、理基础汤生放电理论的缺陷：汤生放电理论的缺陷：自持放电的条件：自持放电的条件：则由则由气体放电物理基础气体放电物理基础若若j0 0，ja .无法说明着火以后，自持放电的发展状况。无法说明着火以后，自持放电的发展状况。缘由：缘由：没有考虑繁流过程中，渐渐增长的空间电荷对电没有考虑繁流过程中，渐渐增长的空间电荷对电场畸变造成的影响。场畸变造成的影响。罗果夫斯基的空间电荷理论罗果夫斯基的空间电荷理论气体放电物理基础气体放电物理基础已知空间电荷分布，由泊松方程可得电场和电位分布为已知空间电荷分布，由泊松方程可得电场和电位分布为空间电荷影响下的电位分布空间电荷影响下的电位分布空间电荷影响下的电场分布空间

27、电荷影响下的电场分布气体放电物理基础气体放电物理基础放电发展过程中，极间电位分布的变更放电发展过程中，极间电位分布的变更影响气体放电着火电压的因素影响气体放电着火电压的因素 pd pd值的作用值的作用 巴邢定律表明，当其它因素不变时，巴邢定律表明，当其它因素不变时，pdpd值的值的变更对着火电压的变更起了确定性的作用。因此，变更对着火电压的变更起了确定性的作用。因此，PDPPDP中充入气体的压强和电极间隙对中充入气体的压强和电极间隙对PDPPDP的着火电的着火电压有很大影响。压有很大影响。气体放电物理基础气体放电物理基础 气体种类和成分的影响气体种类和成分的影响 值和击穿电压值和击穿电压UbU

28、b值，都与气体的性质值，都与气体的性质(种类和气压种类和气压)有关，并主要由电子与确定气体有关，并主要由电子与确定气体粒子发生碰撞的过程来确定。粒子发生碰撞的过程来确定。气体的电离电位对击穿电位的影响是另气体的电离电位对击穿电位的影响是另一个重要的因素，在其他条件不变的状况下，一个重要的因素，在其他条件不变的状况下，通常电离电位越大的气体，它的击穿电位就越通常电离电位越大的气体，它的击穿电位就越大。大。假如碰撞时电子还未达到足以使气体假如碰撞时电子还未达到足以使气体电离的速度，电子与这种气体粒子碰撞损失的电离的速度，电子与这种气体粒子碰撞损失的平均能量较大，那么这种气体被击穿所须要的平均能量较

29、大，那么这种气体被击穿所须要的电场强度就大，相应地要求击穿电位也高。电场强度就大，相应地要求击穿电位也高。气体放电物理基础气体放电物理基础 在放电管内有两种气体的混合物时，在放电管内有两种气体的混合物时，Ub不能简洁地用混不能简洁地用混合方法以混合气体的浓度去计算。混合气体的击穿现象往往合方法以混合气体的浓度去计算。混合气体的击穿现象往往与纯粹气体完全不同。与纯粹气体完全不同。氮氮氢氢混合气混合气体的最体的最小着火小着火电压与电压与Pd的的关系关系气体放电物理基础气体放电物理基础空气中水蒸空气中水蒸气含量对放气含量对放电击穿电位电击穿电位的影响的影响（平面电极（平面电极极距为极距为d49310

30、-3 m，空气压空气压强为强为400Pa）当空气中所含水蒸气量削减时，击穿电压会随着削减。当空气中所含水蒸气量削减时，击穿电压会随着削减。当空气接着干燥时，在水蒸气分压强约为当空气接着干燥时，在水蒸气分压强约为3Pa旁边时击穿旁边时击穿电位起先重新上升。电位起先重新上升。气体放电物理基础气体放电物理基础 在氖气中混入少量氩气能使气体的击穿电压降低，其降低量由氩气的混合量确定。这种现象就是放电中潘宁效应的结果。这种效应在氖汞混合气体中也存在。气体放电物理基础气体放电物理基础潘宁电离：潘宁电离：设设A A、B B为为不不同同种种类类的的原原子子，原原子子A A的的亚亚稳稳激激发发电电位位大大于于原

31、原子子B B的的电电离离电电位位，亚亚稳稳原原子子A*A*与与基基态态原原子子B B碰碰撞撞时时，使使B B电电离离，变变为为基基态态正正离离子子B+B+（或或激激发发态态正正离离子子B+*B+*），而而亚亚稳稳原原子子A*A*降降低低到到较较低低能能态态，或或变变为为基基态原子态原子A.A.A*+B A*+B A+B+A+B+（或（或B+*B+*）+e+e由由于于亚亚稳稳原原子子平平均均寿寿命命是是10-410-410-2s 10-2s，因因此此潘潘宁宁电电离离的的几几率率较较高高，使使得得基基本本气气体体的的有有效效电电离离电电位位明明显显降降低低。另另外外，着着火火电电压压下下降降的的大

32、大小小还还与与两两种种气气体体的的性性质质和它们量的混合比有特别亲密的关系。和它们量的混合比有特别亲密的关系。气体放电物理基础气体放电物理基础阴极材料和表面状况的影响阴极材料和表面状况的影响 在各种在各种阴极材阴极材料的平料的平板电圾板电圾之间氩之间氩气的击气的击穿电压穿电压随随Pd的的变更变更气体放电物理基础气体放电物理基础 协助电离源的影响协助电离源的影响 运用协助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使着火电压运用协助电离源来加快带电粒子的形成，也可以使着火电压降低。降低。例如：例如：人工加热阴极产生热电子放射，取代人工加热阴极产生热电子放射，取代 放射过程的作用；放射过程的作用；用紫外光照

33、射阴极，使阴极产生光电放射；用紫外光照射阴极，使阴极产生光电放射；放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体电离；放射性物质靠近放电管，放射性射线引起气体电离；通过预放电供应初始的带电粒子等可以大大降低着火电通过预放电供应初始的带电粒子等可以大大降低着火电压。压。气体放电物理基础气体放电物理基础电场分布的影响电场分布的影响 电场分布对电场分布对汤生汤生系数和系数和 系系数的数值与分布数的数值与分布起确定性作用，起确定性作用，影响气体中电子影响气体中电子与离子的运动轨与离子的运动轨迹以及电子雪崩迹以及电子雪崩过程。过程。气体放电物理基础气体放电物理基础同轴圆筒电极系统，中心电极不同极性，着火电压与

34、气压的关系辉光放电的发光辉光放电的发光 基本特征：基本特征：(1)放电时，在放电空间呈现明暗相间、有确定分布规放电时，在放电空间呈现明暗相间、有确定分布规律的光区。律的光区。(2)由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间由于着火后，空间电荷引起的电场畸变使放电空间电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降电位基本上分成两段：阴极位降区和正柱区。在阴极位降区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持区中产生电子繁流过程，满足放电自持条件，故它是维持辉光放电必不行少的部分。辉光放电必不行少的部分。(3)管压降明显低于着火电压，并且不随电流而变。电管压降明显低于着火电压，并且不随电

35、流而变。电流为毫安级。电流密度为流为毫安级。电流密度为 A/cm2至至mA/cm2数量级。数量级。(4)阴极电子放射主要是阴极电子放射主要是 过程。过程。气体放电物理基础气体放电物理基础正常辉光放电的光区分布：正常辉光放电的光区分布：一个充氖的冷阴极放电管长一个充氖的冷阴极放电管长50cm，气气压压P133Pa，在正常辉光放电时的光在正常辉光放电时的光区和电参量分布区和电参量分布(1)阿斯顿暗区阿斯顿暗区 由于受正离子轰击从阴极放由于受正离子轰击从阴极放射出来的二次电子初速很小，不射出来的二次电子初速很小，不具备激发条件。由于没有受激原具备激发条件。由于没有受激原子，因而是暗区。子，因而是暗区

36、。(2)阴极光层阴极光层 电子在通过阿斯顿暗区以后，电子在通过阿斯顿暗区以后，从电场中获得了确定的能量，足从电场中获得了确定的能量，足以产生激发碰撞，使气体发光。以产生激发碰撞，使气体发光。但电子数量不大，激发很微弱。但电子数量不大，激发很微弱。气体放电物理基础气体放电物理基础(3)阴极暗区阴极暗区 电子离开阴极后，电子离开阴极后，到这里获得的能量愈来到这里获得的能量愈来愈大，甚至超过了激发愈大，甚至超过了激发几率的最大值，于是激几率的最大值，于是激发削减，发光减弱。在发削减，发光减弱。在这个区域内，电子能量这个区域内，电子能量已超过电离电位，引起已超过电离电位，引起了大量的碰撞电离，繁了大量

37、的碰撞电离，繁流放电集中在这里发生。流放电集中在这里发生。在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础(4)负辉区负辉区 进入负辉区的电子可以进入负辉区的电子可以分为两类分为两类:快电子和慢电子。快电子和慢电子。慢速电子是多数，它们在负慢速电子是多数，它们在负辉区产生很多激发碰撞，因辉区产生很多激发碰撞，因而产生光明的辉光。而产生光明的辉光。在阴极暗区，因离子浓在阴极暗区，因离子浓度很高，它们会向负辉区扩度很高，它们会向负辉区扩散，因而负辉区中，电子和散，因而负辉区中，电子和正离子的浓度都很大，而电正离子的浓度都很大，而电场很弱，几乎是无

38、场空间。场很弱，几乎是无场空间。负辉区中电子和正离子浓度负辉区中电子和正离子浓度比正柱区中约大比正柱区中约大20倍。倍。在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础（5 5）法拉第暗区）法拉第暗区 这是一个处于负这是一个处于负辉区和正柱区之间的辉区和正柱区之间的过渡区。由于电子在过渡区。由于电子在负辉区中损失了很多负辉区中损失了很多能量，进入这个区域能量，进入这个区域以后，便没有足够的以后，便没有足够的能量来产生激发，所能量来产生激发，所以是暗区。以是暗区。在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基

39、础气体放电物理基础（6 6）正柱区）正柱区 在任何位置电子密度和正离在任何位置电子密度和正离子密度相等，净空间电荷为零。子密度相等，净空间电荷为零。电场沿管轴匀整分布。因正离子电场沿管轴匀整分布。因正离子的迁移率很小，放电电流主要是的迁移率很小，放电电流主要是电子流。正柱区中有确定的轴向电子流。正柱区中有确定的轴向电场强度，电子从电场中获得确电场强度，电子从电场中获得确定的能量，产生确定数量的碰撞定的能量，产生确定数量的碰撞电离和激发。电离和激发。（7 7）阳极区）阳极区 在该区有时可以望见阳在该区有时可以望见阳极暗区，在阳极暗区之后是紧贴极暗区，在阳极暗区之后是紧贴在阳极上的阳极辉光。在阳极

40、上的阳极辉光。在正常辉光放电时的光区和电参量分布在正常辉光放电时的光区和电参量分布气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础正常辉光放电规律：正常辉光放电规律：(1)在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一部在正常辉光放电时，放电仅仅发生在阴极表面的一部分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也随分面积上，随着放电电流的增大，阴极表面的辉光面积也随之增大，而在这个过程中，阴极电流密度之增大，而在这个过程中，阴极电流密度jcn则保持不变，则保持不变，阴极位降阴极位降Ucn也保持常数。当阴极面积全部被辉光覆盖后，也保持常数。当阴极面积全部被辉光覆盖后，若接着增大电

41、流，则阴极位降若接着增大电流，则阴极位降Ucn随之增加，放电转入了反随之增加，放电转入了反常辉光放电阶段。常辉光放电阶段。(2)当放电的其他条件保持不变时，正常辉光放电阴极位当放电的其他条件保持不变时，正常辉光放电阴极位降区的长度降区的长度dcn随气压随气压P成反比例变更。即成反比例变更。即Pdc常数常数 (3)当气压当气压P变更时，放电电流密度变更时，放电电流密度jcn与气压的平方成正与气压的平方成正比。即比。即jcn/P2常数常数 辉光放电的各发光区中，发光强度以负辉区最强，正柱区居中，阴辉光放电的各发光区中，发光强度以负辉区最强，正柱区居中，阴极光层和阳极辉光最弱。极光层和阳极辉光最弱。

42、PDP PDP的发光效率不高的缘由：的发光效率不高的缘由：虽然正柱区的强度不如负辉区强，但它的发光区域最大，虽然正柱区的强度不如负辉区强，但它的发光区域最大，因此对光因此对光通量的贡献也最大。如日光灯就是利用正柱区发光，光效高达通量的贡献也最大。如日光灯就是利用正柱区发光，光效高达80lm/W80lm/W。而而PDPPDP由于其放电单元的空间通常很小（电极间隙约由于其放电单元的空间通常很小（电极间隙约100100 m m），放电时只），放电时只出现阴极位降区和负辉区，所以通常利用的是负辉区的发光。出现阴极位降区和负辉区，所以通常利用的是负辉区的发光。提高提高PDPPDP的亮度和发光效率的措施之

43、一：的亮度和发光效率的措施之一：改进放电单元结构，接受正柱放电。改进放电单元结构，接受正柱放电。气体放电物理基础气体放电物理基础PDPPDP与与与与荧荧荧荧光灯的效率比光灯的效率比光灯的效率比光灯的效率比较较较较 气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础气体放电物理基础阴极溅射的规律阴极溅射的规律 (1)在低气压下，从阴极表面溅射的颗粒以直在低气压下，从阴极表面溅射的颗粒以直线向四面八方飞溅。而从平面上溅射出的颗粒在线向四面八方飞溅。而从平面上溅射出的颗粒在空间的密度呈余弦分布；空间的密度呈余弦分布；(2)随着气压的增加和阴极位降的降低，溅射随着气压的增加和阴极位降的降低，溅射颗粒在气

44、体中的运动就越具有扩散的特性。因而颗粒在气体中的运动就越具有扩散的特性。因而随着气压上升，一部分溅射颗粒返回阴极的可能随着气压上升，一部分溅射颗粒返回阴极的可能性增加，使阴圾溅射减小；性增加，使阴圾溅射减小；(3)轰击阴极的正离子质量越大，阴极溅射就轰击阴极的正离子质量越大，阴极溅射就越严峻；越严峻；(4)不同金属的溅射实力差别很大。按其抗溅不同金属的溅射实力差别很大。按其抗溅射性增加的次序排列是：射性增加的次序排列是：Ag，Au，Cu，Pt，Ni，Fe，Al。气体放电延迟气体放电延迟 从在电极间加上一个大于着火电压的瞬时，到气体击穿所需从在电极间加上一个大于着火电压的瞬时，到气体击穿所需的时

45、间称为气体放电延迟或击穿时滞。总的气体放电延迟由两部的时间称为气体放电延迟或击穿时滞。总的气体放电延迟由两部分组成：分组成：（1）统计性时间延迟）统计性时间延迟ts从电极加上电压的瞬时到空间出现从电极加上电压的瞬时到空间出现一个可引起电子雪崩的电子所需的时间。它可表示为一个可引起电子雪崩的电子所需的时间。它可表示为 N0为空间每秒产生的自由电子数，为空间每秒产生的自由电子数，p为电子电离原子的几率。为电子电离原子的几率。（2）形成性时间延迟）形成性时间延迟tf从阴极前出现一个可进行电子雪崩的从阴极前出现一个可进行电子雪崩的电子起，经过多种碰撞过程达到使气体击穿所需的时间。电子起，经过多种碰撞过程达到使气体击穿所需的时间。气体放电物理基础气体放电物理基础