-气体放电的物理过程.pptx
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1、高电压技术李李 卫卫 国国 +80798486,60105052 第二章第二章 气体放电的物理过程气体放电的物理过程(1)(1)2一、气体放电的一般描述一、气体放电的一般描述 (一)气体放电的主要形式(一)气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极形形状状等等因因素素的的不不同同,击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种种不不同同形形式式。利利用用放放电电管管可可以以观观察察放电现象的变化放电现象的变化 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电3辉光放电辉光放电 n当当气气体体压压力力不不大大,电电源源功功率
2、率很很小小(放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗)时时,外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后,回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数数值值,管管内内阴阴极极和和阳阳极极间整个空间忽然出现发光现象间整个空间忽然出现发光现象 n特特点点是是放放电电电电流流密密度度较较小小,放放电电区区域域通通常常占占据据了了整整个个电电极极间间的的空空间间。霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电电的的例例子子。管管中中所所充充气气体体本本同同,发发光光颜颜色色也不同也不同 电弧放电电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗,则则电电流流增增大大,电电流流增增大大到到一一定定值值后
3、后,放放电电通通道道收收细细,且且越越来来越越明明亮亮,管管端端电电压压则则更更加加降降低低,说说明明通通道道的的电电导导越越来越大来越大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高,电电流流密密度度极极大大,电电路路具具有有短短路路的的特特征征 4火花放电火花放电n在在较较高高气气压压(例例如如大大气气压压力力)下下,击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道,而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间。当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大,限限制了放电电流时,电极间出现贯通两极的制了放电电流时,电极间出现贯通两极的断续断续断续断续的明亮细火花的
4、明亮细火花 n火花放电的特征是具有收细的通道形式,并且放电过程不稳定火花放电的特征是具有收细的通道形式,并且放电过程不稳定 电晕放电电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远远,即即电电场场极极不不均均匀匀,则则当当电电压压升升高高到到一一定定值值后后,首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层,回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电电压压升升高高,发发光光层层扩扩大大,放放电电流也逐渐增大电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时,气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性
5、性能能,放放电电电电流流很小,间隙仍能耐受电压的作用很小,间隙仍能耐受电压的作用 5刷状放电刷状放电 n电电场场极极不不均均匀匀情情况况下下,如如电电压压继继续续升升高高,从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮的细放电通道,称为刷状放电亮的细放电通道,称为刷状放电 n电电压压再再升升高高,根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电,最最后后整整个个间间隙被击穿隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀,则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电,而而由由电电晕晕放放电电直直接接转转入入击击穿穿 6(二)非自持放电和自持放电(二)非自持放电和自持放电 n外外施
6、施电电压压小小于于U UA A时时,电电流流微微小小,电电流流值值由由空空间间的的游游离离电电荷荷的的数数量量和和外外加加电电压压决决定定。游游离离电电荷荷与与光光照照射射(含含宇宇宙宙射射线线)的的强强度度有有关关,产产生生在在阴阴极极表表面面和和间间隙隙空空间间,阴阴极极表表面面产产生生的的是是自自由由电电子子,空空间间产产生生的的是是正正负负离离子子,通通常常阴阴极极表表面面的的电电子子数数量量大大于于空空间间电电荷荷数数;电电压压加加高高则则电电荷荷移移动动速速度度加加快快,表现出电流加大。表现出电流加大。7n外外施施电电压压小小于于U UB B时时,空空间间产产生生的的电电荷荷完完全
7、全移移动动到到极极板板,故故电电流流的的大大小小决决定定于于空空间间电电荷荷的的产产生生速速度度,当当光光照照不不变变时时,电流为常数。电流为常数。n外外施施电电压压小小于于U U0 0时时,气气体体中中发发生生了了电电离离,此此时时空空间间电电荷荷增增多,电流增大。多,电流增大。n外外施施电电压压等等于于U U0 0时时,电电离离产产生生的的电电荷荷靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持,而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此U U0 0以以后后的的放放电形式也称为自持放电电形式也称为自持放电。此时。此时的电压称为放电起始电压。的电压称为放电起始电压。8 二
8、、均匀电场中气体击穿的发展过程二、均匀电场中气体击穿的发展过程 (一)汤逊气体放电理论(一)汤逊气体放电理论1 1、电电子子崩崩的的形形成成 (过过程程 )一一个个起起始始电电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后,会会碰碰撞撞电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子;这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子,又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子;这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程,会会使使电电子子数数目目迅迅速速增增加加,如如同同冰山上发生雪崩一样,因此也称为电子崩理论。冰山上发生雪崩一样,因此也称为电子崩理论。n 电电离离系系数数:一一个
9、个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经1cm1cm长长度度,平平均均发发生生的的碰碰撞撞电离次数电离次数9设设:在在外外电电离离因因素素光光辐辐射射的的作作用用下下,单单位位时时间间内内阴阴极极单单位位面面积积产产生生n n0 0 个个电电子(忽略空间产生的正负电荷);子(忽略空间产生的正负电荷);在在距距离离阴阴极极为为x x的的横横截截面面上上,单单位位时间内时间内单位面积单位面积有有n n个电子飞过个电子飞过 这这n n个个电电子子行行过过dxdx之之后后,又又会会产产生生dndn个新的电子个新的电子 将此式积分,可得电子的增长规律为将此式积分,可得电子的增长规律为 间隙碰撞电离的数
10、学推导间隙碰撞电离的数学推导10对于均匀电场,对于均匀电场,不随空间位置而变不随空间位置而变 相应的电子电流增长规律为相应的电子电流增长规律为 令令x xd d,得进入阳极的电子电流,此即外回路中的电流,得进入阳极的电子电流,此即外回路中的电流 2 2、过程过程n 电离系数:正离子向阴极移动,依靠它所具有的动能及电离系数:正离子向阴极移动,依靠它所具有的动能及位能,引起阴极表面电离,使阴极释放出自由电子。位能,引起阴极表面电离,使阴极释放出自由电子。表示折算到表示折算到每个每个碰撞阴极表面的正离子,阴极金属碰撞阴极表面的正离子,阴极金属平平均均释放出的自由电子数释放出的自由电子数11由前推导可
11、知,从阴极飞出的由前推导可知,从阴极飞出的n n0 0个电子,到达阳极后,电子个电子,到达阳极后,电子数将增加为(注意此时的电子数包含初始电子数将增加为(注意此时的电子数包含初始电子n n0 0)正离子数正离子数正离子到达阴极,从阴极电离出的电子数正离子到达阴极,从阴极电离出的电子数 如果此时电离出的电子数为如果此时电离出的电子数为n n0 0,放电则由非自持转入自持放电则由非自持转入自持,条件为条件为 一次一次 过程产生的正电荷数过程产生的正电荷数12物物理理意意义义:阴阴极极表表面面的的一一个个电电子子在在整整个个碰碰撞撞过过程程中中产产生生的的正正离子,在阴极表面又作用出一个电子。离子,
12、在阴极表面又作用出一个电子。当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时,就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分分所所示示的循环不息的状态,放电就能自己维持下去的循环不息的状态,放电就能自己维持下去 133 3、击穿电压、巴申定律、击穿电压、巴申定律 由自持放电条件由自持放电条件及碰撞电离系数及碰撞电离系数可得可得放电电压放电电压14巴申(巴申(PaschenPaschen)定律)定律 击击穿穿电电压压与与pdpd的的规规律律称称为为巴巴申申定定律律,这这是是在在碰碰撞撞电电离离学说提出之前,从实验中总结出来的规律学说提出之前,从实验中总结出来的规律 注意到这里有注意到这里有个最小值,
13、这个最小值,这是考虑平均只是考虑平均只有行程所导致有行程所导致的动能与碰撞的动能与碰撞次数的关系。次数的关系。动能大则电离动能大则电离系数大;密度系数大;密度大则碰撞次数大则碰撞次数多,电离系数多,电离系数也大。也大。154 4、汤逊放电理论的适用范围、汤逊放电理论的适用范围 汤汤逊逊放放电电理理论论的的适适用用于于小小于于0.26cm0.26cm。但但电电力力工工程程上上经经常常接接触触到到的的是是气气压压较较高高的的情情况况(从从一一个个大大气气压压到到数数十十个个大大气气压压),间隙距离通常也很大,间隙距离通常也很大 此时有四个不相符合:此时有四个不相符合:1.1.放电外形:均匀连续,如
14、辉光放电放电外形:均匀连续,如辉光放电分枝的明细通分枝的明细通道道 2.2.放电时间:火花放电时间的计算值比实测值要大得放电时间:火花放电时间的计算值比实测值要大得 3.3.击击穿穿电电压压:汤汤逊逊自自持持放放电电条条件件求求得得的的击击穿穿电电压压和和实实验验值有很大出入值有很大出入 4.4.阴阴极极材材料料的的影影响响:实实测测得得到到的的击击穿穿电电压压和和阴阴极极材材料料无无关关 16(二)流注气体放电理论(二)流注气体放电理论由由于于汤汤森森放放电电理理论论在在间间隙隙距距离离和和气气压压较较大大时时的的不不足足,发发展了流注气体放电理论。展了流注气体放电理论。要点:要点:u强调了
15、空间电荷畸变电场的作用;强调了空间电荷畸变电场的作用;u认认为为电电子子碰碰撞撞电电离离及及空空间间光光电电离离是是维维持持自自持持放放电电的的主主要要因素;因素;u二二次次电电子子崩崩汇汇入入弱弱电电场场区区产产生生等等离离子子体体,等等离离子子体体具具有有缩小体积保持温度的特性;缩小体积保持温度的特性;u等离子体具有很好的导电性,进一步畸变电场。等离子体具有很好的导电性,进一步畸变电场。171.1.电场畸变电场畸变 因因电电子子迁迁移移速速度度快快,电电子子崩崩前前充充满满电电子子,崩崩尾尾充充满满正正离离子。子。例如,正常大气条件下,若E30kVcm,则 11cm-1,计算得随着电子崩向
16、阳极推进,崩头中的电子数18空间电荷畸变外电场空间电荷畸变外电场 加加强强了了崩崩头头及及崩崩尾尾的的电电场场,削削弱弱了了崩崩头头内内正正、负负电电荷区域之间的电场荷区域之间的电场 电电子子崩崩头头部部:电场明显增强,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,放射出光子正正、负负电电荷荷之之间间区区域域:电场大大削弱,有助于发生复合过程,也发射出光子空空间间光光电电离离与与二二次次电电子子崩崩:空间光电离产生的电子在两个强电场区引发二次电子崩。192.2.正正流注流注n当当电电子子崩崩走走完完整整个个间间隙隙后后,光光子子的的能能量量才才足足以以引引发发二二次电子崩时,称为正流
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