第五章、汤生放电理论与气体击穿.doc

第五章、汤生放电理论与气体的击穿 前面介绍了气体放电中带电粒子的产生与消失的机理，这是气体放电中的两个重要过程。本章将以上述理论为基础，讨论气体放电。 气体放电的分类： 从维持放电是否必须有外界电离剂分类： 自持放电---外界电离剂存在与否都能正常放电； 非自持放电---只有外界电离剂存在情况下才能正常放电。 按放电是否随时间变化可分为：稳态放电和非稳态放电。直流激励下的放电为稳态放电，交流或脉冲激励的放电为非稳态放电。 在所有的气体放电中，直流放电是最简单，也是最基本的放电形式，所以本章中主要以直流放电为例来介绍气体放电理论。 §5.1直流气体放电的伏-安特性及被激导电 一、气体放电的伏-安特性 伏-安特性是气体放电的宏观参数，通过气体放电的伏-安特性曲线可以对气体放电过程有一初步认识。 测量气体放电伏—安特性曲线的实验装置如图5.1。气体放电管中两电极的间距为50cm，电极极板为面积为10cm2的两平行平面圆形铜极板。充以133Pa(1Torr)Ne气，电源为电压可调的直流电源Ea。通过测量放电管上的电压V1和可变电阻器R上的电压V2及对应R的阻值，就可得到放电电流I=V2/R。 改变Ea和R的大小，分别测量出V1和V2，就可得到放电管的V-A特性曲线。由上述装置所得到的V-A特性曲线见图5.2。 从V-A特性曲线看可以分为八个区域。 非自持放电区AB段：此段也可以被称为被激导电区，特点是放电管电压Ua从0逐渐增高，而放电电流极小（10-18A，微小电流来源于源气体中带有密度很小的带电粒子），几乎没有形成放电。当用紫外线照射放电气体和阴极时，放电电流可以上升到10-16~10-12A量级(紫外线照射气体会引起放电气体的电离，增大气体中的带电粒子浓度；紫外线照射阴极会引起阴极的光电效应，发射光电子；总体效应是增大放电电流)； 自持暗放电区BC段：当放电管电压达到Ub（击穿电压）后，放电就进入了自持暗放电区，此时放电管有微弱的发光。若限流电阻R阻值不大，在此电压情况下，放电极易向E点过渡，转为辉光放电，此段放电电流＜μA。B点称为着火点，Ub称为着火电压； ④ 过渡区CD段和准辉光区DE段：在限流电阻R不太大的情况下，放电将迅速由C点过渡到E点，即放电管的放电电流急剧增大，电压Ua也迅速下降，该段的特点是；显示为负的V-A特性。 正常辉光放电区EF段：特点是放电区发出很强的辉光（放电气体不同，发光的颜色也不同，例如空气或N2气-紫色；Ne-红色），放电电流为mA~几百mA。改变Ea或R，放电管的电压不变，只是放电电流变化(小电流、高电压放电)； ⑦ 反常辉光放电区FG和过渡区GH：在反常辉光放电区，管压降升高，放电电流I也增大，放电所发的光仍为辉光，但不同于正常辉光放电；继续升高管电压至G点，此点非常不稳定，，放电系统马上会过渡到弧光放电区； 弧光放电区：特点是发出明亮刺眼的白光，放电属于低电压，大电流放电（A量级）。 二、决定气体放电形式的条件 决定气体放电形式的条件基本上是放电管内部状态（气体成分、压强、阴极材料、电极形状等，例如：在均匀电场情况下，P=1Torr~几十Torr，一般为辉光放电，而当气压P＞100Torr时，一般为弧光放电或溜光放电；在极不均匀电场情况下，即使气压比较低，也会形成电晕放电或溜光放电）和电器条件（电源电压Ea、限流电阻R），放电管做好后，放电形式完全由电器条件决定。 先作出V-A特性曲线，在电压轴上标出电源电压Ea，则放电管的极间电压U=Ea-IR。I---放电电流；R---限流电阻阻值；Ea一定，R也确定，也就确定了放电形式。根据V-A特性曲线和电器条件可以画出负载线图，由负载线图可以确定放电形式。负载线图见图5.3. 因为有： （5-1-1） 上式决定了放电形式 从负载线图可以看出： 当R=R1(限流电阻很大)，与V-A曲线交于A点，在该条件下，放电属于非自持放电，对应； 当R=R2，与V-A曲线交于B、C、E三点，因为B、C点不稳定，此情况放电最终稳定在正常辉光放电区的E点； 当R=R3（限流电阻阻值很小），与V-A曲线交于F和弧光放电区的某点，决定了该放电条件下，放电最终为弧光放电。 三、非自持放电的被激导电 靠外界电离剂产生带电粒子，在较低放电电压激励下，带电粒子的动能很小。从第一章我们知道，电子的碰撞激发有一能量阈值，如果激发电场很弱，电子的动能低于激发能或电离能，一般非弹性碰撞发生的几率很小，所以被激导电不发光，且放电电流很小。电离剂可以是紫外线、加热或射线照射等。可以照射阴极产生电子，也可以照射放电气体产生正、负带电粒子，我们着重研究后者---紫外线的空间电离。 假设单位体积单位时间内，由于短波辐射产生的正、负带电粒子数为：