史永胜4气体放电基础

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1、 气 体 放 电 中 的 基 本 粒 子 ： 基 态 原 子 （ 或 分 子 ） 电 子 e 1/2mve2， 典 型 密 度 为 10161020/m3. 激 发 态 原 子 (或 分 子 ) 正 离 子 和 负 离 子 光 子 h气 体 放 电 物 理 基 础 基 本 粒 子 间 的 相 互 作 用 弹 性 碰 撞 参 与 碰 撞 的 粒 子 的 运 动 速 度 和 方 向 发 生 变化 ， 而 位 能 不 发 生 变 化 。 2 21 21 )( 2 mm mm平 均 能 量 损 失 率 气 体 放 电 物 理 基 础举 例 ： m e=9.110-31kg, mH e=6.6810-2

2、7kg.e-H e原 子 碰 撞 ： 2.7210-4, H e+-H e原 子 碰 撞 ： 0.5 非 弹 性 碰 撞 使 参 与 碰 撞 的 粒 子 间 发 生 了 位 能 的 变 化 。 第 一 类 非 弹 性 碰 撞 ： 导 致 粒 子 体 系 位 能 增 加 。 如 H e+e(快 速 ） H e*+e（ 慢 速 ） 第 二 类 非 弹 性 碰 撞 ： 导 致 粒 子 体 系 位 能 减 小 。 如 H e* +e(慢 速 ） H e+e（ 快 速 ） 气 体 放 电 物 理 基 础 内 能 的 最 大 值 2121 2max )(2 EmmmW 气 体 放 电 物 理 基 础第 一

3、 类 非 弹 性 碰 撞 : 2111 21 mE 如 m1m2， Wmax0.5E1； m1m2， WmaxE1。 气 体 放 电 物 理 基 础气 体 原 子 的 激 发 和 电 离激 发 态原 子 能 级 谐 振 能 级 （ 受 激 原 子 自 发 地 直 接 过 渡 到 基 态 ，并 产 生 光 子 辐 射 。 ）较 高 激 发 态 能 级（ 向 较 低 基 发 态 能 级 跃 迁 ， 并 产 生 光 子辐 射 。 ）亚 稳 能 级 （ 不 能 自 发 地 通 过 光 辐 射 向 基 态 跃 迁 。 ） 气 体 放 电 物 理 基 础 电 子 与 气 体 原 子 碰 撞 致 激 发 和

4、 电 离原 子 由 基 态 E0激 发 态 Em eme eUEEm 0221 基 态 原 子 被 电 离 eme eUEEm 0221 电 子 必 须 具 有 的 动 能EeAAe * EeAAe 2电 子 使 基 态 原 子 (或 分 子 )电 离 和 激 发 气 体 放 电 物 理 基 础电 子 使 激 发 态 原 子 电 离 和 激 发eAAe * eeAAe *举 例 ： 汞 的 电 离 电 位 为 10.4V， 而 汞 弧 放 电 的 稳 态电 压 只 有 910V。 这 是 因 为 eeHgpHge )6( 03* eeHgpHge )6( 23*能 级 为 4.66ev能 级

5、为 5.43ev 气 体 放 电 物 理 基 础碰 撞 截 面原 子 作 用 半 径 R： 电 子 与 原 子 间 能 发 生 相 互 作 用 的 最 大 距 离 。原 子 与 电 子 碰 撞 的 有 效 截 面 2Rqe 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 础电 子 和 气 体 原 子 的 碰 撞 几 率 总 有 效 截 面 ee nqQ 电 子 的 平 均 自 由 程 eee nqQ

6、 11 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 离气 体 放 电 物 理 基 础 光 致 激 发 和 光 致 电 离)*( AAh光 致 激 发 和 光 致 电 离的 光 子 波 长 )( 1024.1)( 3evWnm 气 体 放 电 物 理 基 础 气 体 放 电 物 理 基 础 热 激 发 和 热 电 离(1)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(3)以 上 两 种 电 离 过 程 所

7、产 生 的 高 能 电 子 引 起 的 碰 撞 电 离 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(1)气 体 原 子 吸 收 X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 。(2)高 能 X射 线 量 子 被 原 子 吸 收 ， 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 程也 伴 随 着 能 量 的 释 放 。 新 的 X量 子 又 可 以 产 生 新 的 电

8、 离 。(3)原 子 不 是 完 全 吸 收 x射 线 量 子 ， 而 是 产 生 康 普 顿 效 应 。X射 线 ： 气 体 放 电 物 理 基 础核 辐 射 引 起 的 电 离 ：（ 1） 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 生的 第 一 类 非 弹 性 碰 撞 。（ 2） 射 线 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 。（ 3） 射 线 射 线 引 起 的 电 离 相 当 于 能 量 很 大 的 光 子 引 起 的 光 致 电离

9、， 主 要 产 生 康 普 顿 效 应 。 气 体 放 电 物 理 基 础（ 1） 在 地 面 附 近 产 生 剩 余 电 离 的 原 因 是 地 壳 中放 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 。宇 宙 线 是 来 自 星 际 空 间 的 高 能 粒 子 。剩 余 电 离 从 地 面 向 上 升 高 时 ， 剩 余 电 离 作 用 开 始 随 高度 增 加 而 下 降 ， 在 到 达 1.5km以 后 ， 剩 余 电 离 重新 增 加 。 气 体 原 子 的 激 发 转 移 和 消 电 离 气 体 粒 子 的 激 发

10、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 粒 子 间 的 第 二 类 非弹 性 碰 撞 。1 气 体 原 子 的 激 发 转 移 自 发 辐 射 跃 迁 与 电 子 的 非 弹 性 碰 撞 与 基 态 原 子 的 非 弹 性 碰 撞 潘 宁 效 应辐 射 的 淬 灭敏 化 荧 光气 体 放 电 物 理 基 础 2 带 电 粒 子 的 复 合 电 子 和 正 离 子 间 的 复 合气 体 放 电 物 理 基 础 假 定 电 子 质 量 为 m， 正 离 子 质 量 为 M。 复 合 之 前 ，电 子 相 对 于 离

11、子 的 速 度 为 ， 复 合 后 形 成 中 性 原 子 速度 为 u。 中 性 原 子 的 质 量 则 为 m M。 eUi为 其 电 离 能 。 根 据 动 量 守 恒 有 uMmmv )( 根 据 动 量 守 恒 有 22 )(2121 uMmeUmv i 气 体 放 电 物 理 基 础从 以 上 两 式 得 出 )()( 22 无 解MMm meUu i说 明 电 子 与 正 离 子 的 二 体 复 合 不 可 能 发 生 。三 体 碰 撞 复 合 辐 射 复 合 气 体 放 电 物 理 基 础 正 负 离 子 间 的 复 合（ a） 辐 射 复 合 X - +Y+ XY +h（ b

12、） 电 荷 交 换 X - +Y+ X Y（ c） 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 。 3. 带 电 粒 子 的 电 荷 转 移 EBABA EBABA * EBABA *4 负 离 子 的 形 成中 性 原 子 捕

13、获 电 子 形 成 负 离 子 hAAe 三 体 碰 撞 BABAe 分 解 吸 附 YXXYXYe *)(分 子 气 体 与 电 子 碰 撞 产 生 离 子 对 eYXXYe 重 粒 子 间 的 电 荷 转 移 产 生 离 子 对 BABA 气 体 放 电 物 理 基 础 带 电 粒 子 在 气 体 中 的 运 动 带 电 粒 子 的 热 运 动 带 电 粒 子 的 扩 散 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 础带 电 粒 子 的 热 运 动（ 1） 带 电 粒 子 的 速 度 分 布 与 平 均 动 能麦 克 斯 韦 分 布

14、 ： 气 体 放 电 物 理 基 础三 种 统 计 速 度 ：最 可 几 速 度 mkTp 2平 均 速 度 pmkT 13.18 方 均 根 速 度 ps mkT 22.132 带 电 粒 子 的 平 均 动 能 ： TTTTkTMMm niesnnsiisee ,23212121 222 气 体 放 电 物 理 基 础带 电 粒 子 的 平 均 自 由 程 及 其 分 布 律分 子 平 均 自 由 程 nr224 1 离 子 平 均 自 由 程 i电 子 平 均 自 由 程 nr e 2124 电 子 自 由 程 分 布 律 )exp( eex xnn 气 体 放 电 物 理 基 础杂 乱

15、 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 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 一 定 量 的 带 电 粒 子 通 过 。 电 离 气 体 中 的 杂 乱 电 子 、 离 子 流 密 度 为 eee enj 41 iii enj 41 气 体 放 电 物 理 基 础带 电 粒 子 在 气 体 中 的 迁 移 运 动离 子 迁 移 速 度 ii Ku 电 子 迁 移 速 度 ee Ku 通 过 气 体

16、的 电 流 iieeie uenuenjjj 气 体 放 电 物 理 基 础离 子 迁 移 率 （ Longevin公 式 ） ii MeaK 温 度 为 0C， 气 体 压 强 为 133Pa 气 体 放 电 物 理 基 础电 子 迁 移 率 4 eei meCK 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 eeeD 31 iiiD 31由 于 ei， ei ， 所 以 DeDi。爱 因 斯 坦 关 系 式 ekTKD eee

17、ekTKD iii 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 化气 体 放 电 物 理 基 础 气 体 放 电 物 理 基 础 汤 生 放 电 自 持暗 放 电 辉 光 放 电 弧 光放 电自 持 放 电非 自 持 放 电V f 10-16 10-14 10-12 10-110-210-310-410-510-6 10110010-100200400 6008001000 AB C D E VR EaI F G H Va(V) I(A)气 体 发 生 稳 定 放 电 的 区 域 ： 正 常 辉 光 放 电 区 (EF) 反 常 辉 光

18、 放 电 区 (FG) 弧 光 放 电 区 (GH) 气 体 放 电 的 伏 安 特 性 为 了 描 述 气 体 放 电 中 的 电 离 现 象 ， 汤 生 提 出 了 三 种电 离 过 程 ， 并 引 出 三 个 对 应 的 电 离 系 数 ：（ 1） 汤 生 第 一 电 离 系 数 系 数 。 它 是 指 每 个 电 子在 沿 电 场 反 方 向 运 行 单 位 距 离 的 过 程 中 ， 与 气 体 原 子 发生 碰 撞 电 离 的 次 数 。气 体 的 击 穿 和 巴 邢 定 律 电子繁流示意图气 体 放 电 物 理 基 础 （ 2） 汤 生 第 二 电 离 系 数 系 数 。 它 是

19、 指一 个 正 离 子 沿 电 场 方 向 运 行 单 位 路 程 所 产生 的 碰 撞 电 离 次 数 。 （ 3） 汤 生 第 三 电 离 系 数 系 数 。 它 是指 每 个 正 离 子 打 上 阴 极 表 面 时 ， 产 生 的 二次 电 子 发 射 数 。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 。 如 果 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 n dx， dxndn 如 已 知 边 界 条 件

20、 为 x 0， n n。 ， 则 在 均 匀 电 场 中 ( 常 数 )， 对 式 上 积 分 ， 得 xdx enenn x 00 0 （ 1）（ 2） 气 体 放 电 物 理 基 础 如 极 间 距 离 为 d， 则 到 达 阳 极 的 电 子 数0 dn n e相 应 的 电 子 流 密 度 为 0 dj j e从 阳 极 发 射 的 n0个 电 子 ， 在 到 达 阳 极 过 程 中 ， 因 作 用 在空 间 新 产 生 的 电 子 数 为 na- n0 。 这 些 也 是 新 产生 的 正 离 子 数 。 如 果 忽 略 正 离 子 在 空 间 的 碰 撞 电 离 作 用 (0)，

21、就 有 个 正 离 子 轰 击 阴 极 ， 它 们 将 在 阴 极 上 新产 生 个 电 子 。 )1( 0 den )1(0 den )1(0 den （ 3）（ 4） 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 化 。 把 它看 成 第 一 周 期 从 阴 极 发 射 的 电 子 。 到 了 第 二 周 期 阴 极 单 位时 间 、 单 位 面 积 发 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 发 射 的 电 子 数 以 及

22、 到 达 阳 极 的 电 子 数 。 经 过无 限 周 期 以 后 ， 到 达 阳 极 的 电 子 数 为其 极 限 值 为 )1(00 denn )1(0 den )1( 320 da enn )1(11 00 ddda eenenn （ 5）（ 6） 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 数气 体 放 电 物 理 基 础 相 应 的 电 子 流 密 度 为 )1(1 0 dda eejj 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 ，

23、 分 子 也 趋 于 零 时 ， ja仍 可 以 为 有 限 值 。这 表 明 ， 当 外 界 电 离 源 去 除 ， 即 使 初 始 电 流 j0 0， 放电 仍 然 继 续 进 行 ， 这 就 形 成 了 自 持 放 电 。 因 此 放 电 着火 (或 称 击 穿 )的 条 件 为 1)1( de （ 7）（ 8）气 体 放 电 物 理 基 础 定 量 分 析 与 场 强 和 气 压 P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 略 乱 向 热运 动 ；(2)电 子 和 气 体 原 子 每 次 磁 撞 后 ， 沿

24、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 E ee， 只 要ee eUi， 则 电 离 几 率 为 1； 如 果 ee eUi， 电 离 几 率 为零 。 根 据 假 设 (1)和 的 定 义 ， 系 数 应 等 于 电 子 在 1cm路程 中 与 气 体 原 子 的 平 均 碰 撞 次 数 和 电 离 几 率 的 乘 积 ， 即电 离 几 率 e 1 （ 9） 气 体 放 电 物 理 基 础 确 根 据 假 设 (2)和 (3)， 当 电 子 在 一 个 自 由 程 中 获 得的 能 量 ee等 于 或 大 于 原 子

25、电 离 能 eUi时 ， 就 一 定 产 生电 离 碰 撞 。 即 当 电 子 在 两 次 碰 撞 间 的 自 由 程 满 足 ii U可 产 生 电 离 碰 撞 。 因 此 自 由 程 大 于 Ui/的 几 率 ， 就是 电 离 几 率 。 根 据 自 由 程 分 布 规 律 ， 立 即 可 得)exp( eiU电 离 几 率 （ 10）（ 11） 气 体 放 电 物 理 基 础 将 式 (11)代 入 式 (9)， 得 )exp(1 eie U 令 ， P为 气 体 压 强 。 又 令 B=AUi。 代 入 式 （ 12） 得APe 1 （ 12）)exp( BPAP 或 )()exp(

26、PfPBAP （ 13）气 体 放 电 物 理 基 础 几 种 气 体 的 巴 邢 曲 线 Vf(V) 1 1010-1 10 210 210 3104 Pd( 1.33Pa.m)Ne-Ar(0.1%)NeArH2 Hg空 气(Pd)minVfmin帕 邢 (Paschen)定 律 在 气 体 种 类 、 电 极 材料 等 条 件 不 变 时 ， 着 火 电压 Ub不 仅 单 独 和 压 强 P或 极间 距 离 d有 关 ， 而 且 和 Pd的乘 积 有 关 Ub=f（ Pd） （ 14）Ub与 Pd的 函 数 关 系 的 推 导 ：根 据 着 火 条 件 ， 系 数 必 须 满 足1)1(

27、de 1ln1 d （ 15）气 体 放 电 物 理 基 础 据 式 (13) )exp( BPAP （ 16）从 式 (15)和 (16)相 等 ， 可 得 )exp(1ln1 bUBPdAPd 上 式 两 边 取 对 数 bUBPdPdA ln)1ln1ln( 整 理 后 得 )1ln(ln)ln( Apd BpdUb （ 17） 气 体 放 电 物 理 基 础 )11ln(72.2min ABUb Apd )11ln(72.2)( min 因 而 令 常 数 )11ln(ln AC )(ln PdfCPdBPdUb （ 18）从 ， 可 得 最 低 着 火 点 ：0)( PdddUb （

28、 19）（ 20） 气 体 放 电 物 理 基 础 帕 邢 定 律 的 物 理 意 义 ： 电 子 从 阴 极 到 阳 极 全 部 路 程 d内 ， 所 产 生 的 总碰 撞 次 数 为 PddN ed 而 电 子 在 一 个 平 均 自 由 程 中 从 电 场 获 得 的 能 量 为PddUeeE ee 1 因 电 子 碰 撞 电 离 几 率 E1/Pd， 因 此 无 论 改 变 压 强P或 极 间 距 离 d， 只 要 Pd乘 积 不 变 ， 则 Nd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 离碰 撞 次 数 不 变 ， 着 火

29、电 压 也 不 变 。 气 体 放 电 物 理 基 础 存 在 Ub的 物 理 解 释 ： 当 p不 变 ， 而 d由 小 增 大 时 ， E变 小 ， 变 小 ， 但 d的 乘积 可 能 增 大 也 可 能 减 小 ， 因 此 存 在 最 佳 放 电 状 态 。 当 d不 变 ， 而 p增 大 时 ， 电 子 在 一 个 自 由 程 中 获 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 有 利 ， 因 此 也 存 在 最 佳 放 电状 态 。 当 pd乘 积 从 小

30、到 大 发 生 变 化 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 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 。气 体 放 电 物 理 基 础 汤 生 放 电 理 论 的 缺 陷 ： 1)1( de )1(1 0 dda eejj 自 持 放 电 的 条 件 ：则 由气 体 放 电 物 理 基 础 若 j00， ja .无 法 说 明 着 火 以 后 ， 自 持 放 电 的 发 展 情 况 。原 因 ：

31、没 有 考 虑 繁 流 过 程 中 ， 逐 渐 增 长 的 空 间 电 荷 对 电场 畸 变 造 成 的 影 响 。 罗 果 夫 斯 基 的 空 间 电 荷 理 论气 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2 02d Udx 空 间 电 荷 影 响 下 的 电 位 分 布 空 间 电 荷 影 响 下 的 电 场 分 布 气 体 放 电 物 理 基 础放 电 发 展 过 程 中 ， 极 间 电 位 分 布 的 变 化 影 响 气 体 放 电 着 火 电 压 的 因 素 pd值 的 作 用 巴 邢 定 律 表 明 ，

32、 当 其 它 因 素 不 变 时 ， pd值 的变 化 对 着 火 电 压 的 变 化 起 了 决 定 性 的 作 用 。 因 此， PDP中 充 入 气 体 的 压 强 和 电 极 间 隙 对 PDP的 着 火电 压 有 很 大 影 响 。气 体 放 电 物 理 基 础 气 体 种 类 和 成 分 的 影 响 值 和 击 穿 电 压 Ub值 ， 都 与 气 体 的 性 质 (种 类 和 气 压)有 关 ， 并 主 要 由 电 子 与 一 定 气 体 粒 子 发 生 碰 撞 的 过 程来 决 定 。 气 体 的 电 离 电 位 对 击 穿 电 位 的 影 响 是 另 一 个 重 要的 因 素

33、， 在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 ， 通 常 电 离 电 位 越 大的 气 体 ， 它 的 击 穿 电 位 就 越 大 。 如 果 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 平 均 能 量 较 大 ， 那 么这 种 气 体 被 击 穿 所 需 要 的 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 在 放 电 管 内 有 两 种 气 体 的 混 合 物 时 ， Ub不 能 简 单地 用 混 合 方 法 以 混 合 气 体 的 浓 度

34、 去 计 算 。 混 合 气 体 的击 穿 现 象 往 往 与 纯 粹 气 体 完 全 不 同 。 氮 氢混 合 气体 的 最小 着 火电 压 与Pd的关 系气 体 放 电 物 理 基 础 空 气 中 水 蒸气 含 量 对 放电 击 穿 电 位的 影 响（ 平 面 电 极极 距 为 d4 93 10-3 m ， 空 气压 强 为400Pa） 当 空 气 中 所 含 水 蒸 气 量 减 少 时 ， 击 穿 电 压 会 随着 减 少 。 当 空 气 继 续 干 燥 时 ， 在 水 蒸 气 分 压 强 约为 3Pa附 近 时 击 穿 电 位 开 始 重 新 上 升 。气 体 放 电 物 理 基 础

35、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 决 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 潘 宁 电 离 ： 设 A、 B为 不 同 种 类 的 原 子 ， 原 子 A的 亚 稳 激 发 电位 大 于 原 子 B的 电 离 电 位 ， 亚 稳 原 子 A* 与 基 态 原 子 B碰 撞 时 ， 使 B电 离 ， 变 为 基 态 正 离 子 B+（ 或 激 发 态 正离 子 B+*） ，

36、 而 亚 稳 原 子 A*降 低 到 较 低 能 态 ， 或 变 为基 态 原 子 A. A*+BA+B+（ 或 B+*） +e由 于 亚 稳 原 子 平 均 寿 命 是 10-410-2s ， 因 此 潘 宁 电 离的 几 率 较 高 ， 使 得 基 本 气 体 的 有 效 电 离 电 位 明 显 降 低。 另 外 ， 着 火 电 压 下 降 的 大 小 还 与 两 种 气 体 的 性 质 和它 们 量 的 混 合 比 有 非 常 密 切 的 关 系 。气 体 放 电 物 理 基 础 阴 极 材 料 和 表 面 状 况 的 影 响 在 各 种阴 极 材料 的 平板 电 圾之 间 氩气 的 击

37、穿 电 压随 Pd的变 化气 体 放 电 物 理 基 础 辅 助 电 离 源 的 影 响 使 用 辅 助 电 离 源 来 加 快 带 电 粒 子 的 形 成 ， 也 可 以 使着 火 电 压 降 低 。 例 如 ： 人 工 加 热 阴 极 产 生 热 电 子 发 射 ， 取 代 发 射 过 程的 作 用 ； 用 紫 外 光 照 射 阴 极 ， 使 阴 极 产 生 光 电 发 射 ； 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 提 供 初 始 的 带 电 粒 子 等 可 以 大 大 降低 着 火 电 压 。气 体 放 电 物 理

38、基 础 电 场 分 布 的 影 响 电 场 分 布 对汤 生 系 数 和 系数 的 数 值 与 分 布起 决 定 性 作 用 ，影 响 气 体 中 电 子与 离 子 的 运 动 轨迹 以 及 电 子 雪 崩过 程 。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 气压 的 关 系 辉 光 放 电 的 发 光 基 本 特 征 ： (1) 放 电 时 ， 在 放 电 空 间 呈 现 明 暗 相 间 、 有 一 定 分 布 规律 的 光 区 。 (2) 由 于 着 火 后 ， 空 间 电 荷 引 起 的 电 场 畸 变 使 放

39、 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 可 少 的 部 分 。 (3) 管 压 降 明 显 低 于 着 火 电 压 ， 并 且 不 随 电 流 而 变 。 电流 为 毫 安 级 。 电 流 密 度 为 A/cm 2至 mA/cm2数 量 级 。 (4) 阴 极 电 子 发 射 主 要 是 过 程 。 气 体 放 电 物 理 基 础 Vc 辉 光 放 电 的光 区 分 布光 强 电 位场 强空 间 电荷 密

40、 度阿 斯 顿 暗 区 阴 极 辉 区阴 极 暗 区 负 辉 区法 拉 第 暗 区 正 柱 区 阳 极 暗 区阳 极 辉 区I EZn_n+V 正 常 辉 光 放 电 的 光 区 分 布 ： 一 个 充 氖 的 冷 阴 极 放 电 管 长 50cm， 气压 P 133Pa， 在 正 常 辉 光 放 电 时 的 光区 和 电 参 量 分 布(1)阿 斯 顿 暗 区 由 于 受 正 离 子 轰 击 从 阴 极 发射 出 来 的 二 次 电 子 初 速 很 小 ， 不具 备 激 发 条 件 。 由 于 没 有 受 激 原子 ， 因 而 是 暗 区 。(2)阴 极 光 层 电 子 在 通 过 阿 斯

41、顿 暗 区 以 后 ，从 电 场 中 获 得 了 一 定 的 能 量 ， 足以 产 生 激 发 碰 撞 ， 使 气 体 发 光 。但 电 子 数 量 不 大 ， 激 发 很 微 弱 。 气 体 放 电 物 理 基 础 Vc 辉 光 放 电 的光 区 分 布光 强 电 位场 强空 间 电荷 密 度阿 斯 顿 暗 区 阴 极 辉 区阴 极 暗 区 负 辉 区法 拉 第 暗 区 正 柱 区 阳 极 暗 区阳 极 辉 区 IE Zn_n+V (3)阴 极 暗 区 电 子 离 开 阴 极 后 ，到 这 里 获 得 的 能 量 愈 来愈 大 ， 甚 至 超 过 了 激 发几 率 的 最 大 值 ， 于 是

42、 激发 减 少 ， 发 光 减 弱 。 在这 个 区 域 内 ， 电 子 能 量已 超 过 电 离 电 位 ， 引 起了 大 量 的 碰 撞 电 离 ， 繁流 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 气 体 放 电 物 理 基 础 (4)负 辉 区 进 入 负 辉 区 的 电 子 可 以分 为 两 类 : 快 电 子 和 慢 电 子 。慢 速 电 子 是 多 数 ， 它 们 在 负辉 区 产 生 许 多 激 发 碰 撞 ， 因而 产 生 明 亮 的 辉 光 。 在 阴 极 暗 区 ， 因 离 子 浓度 很 高 ， 它 们 会

43、向 负 辉 区 扩散 ， 因 而 负 辉 区 中 ， 电 子 和正 离 子 的 浓 度 都 很 大 ， 而 电场 很 弱 ， 几 乎 是 无 场 空 间 。负 辉 区 中 电 子 和 正 离 子 浓 度比 正 柱 区 中 约 大 20倍 。 Vc 辉 光 放 电 的光 区 分 布光 强 电 位场 强空 间 电荷 密 度阿 斯 顿 暗 区 阴 极 辉 区阴 极 暗 区 负 辉 区法 拉 第 暗 区 正 柱 区 阳 极 暗 区阳 极 辉 区 IE Zn_n+V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 （ 5） 法 拉 第 暗 区 这 是 一

44、 个 处 于 负辉 区 和 正 柱 区 之 间 的过 渡 区 。 由 于 电 子 在负 辉 区 中 损 失 了 很 多能 量 ， 进 入 这 个 区 域以 后 ， 便 没 有 足 够 的能 量 来 产 生 激 发 ， 所以 是 暗 区 。 Vc 辉 光 放 电 的光 区 分 布光 强 电 位场 强空 间 电荷 密 度阿 斯 顿 暗 区 阴 极 辉 区阴 极 暗 区 负 辉 区法 拉 第 暗 区 正 柱 区 阳 极 暗 区阳 极 辉 区 IE Zn_n+V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 （ 6） 正 柱 区 在 任 何 位 置

45、电 子 密 度 和 正 离子 密 度 相 等 ， 净 空 间 电 荷 为 零 。电 场 沿 管 轴 均 匀 分 布 。 因 正 离 子的 迁 移 率 很 小 ， 放 电 电 流 主 要 是电 子 流 。 正 柱 区 中 有 一 定 的 轴 向电 场 强 度 ， 电 子 从 电 场 中 获 得 一定 的 能 量 ， 产 生 一 定 数 量 的 碰 撞电 离 和 激 发 。 （ 7） 阳 极 区 在 该 区 有 时 可 以 看 见 阳 极 暗区 ， 在 阳 极 暗 区 之 后 是 紧 贴 在 阳 极 上 的 阳 极 辉 光 。 Vc辉 光 放 电 的光 区 分 布光 强电 位场 强空 间 电荷 密

46、 度阿 斯 顿 暗 区 阴 极 辉 区阴 极 暗 区 负 辉 区法 拉 第 暗 区 正 柱 区 阳 极 暗 区阳 极 辉 区 IE Zn_n+V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 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 jcn则 保 持 不

47、 变 ，阴 极 位 降 Ucn也 保 持 常 数 。 当 阴 极 面 积 全 部 被 辉 光 覆 盖 后 ，若 继 续 增 大 电 流 ， 则 阴 极 位 降 Ucn随 之 增 加 ， 放 电 转 入 了 反常 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 位降 区 的 长 度 d cn随 气 压 P成 反 比 例 变 化 。 即 Pdc 常 数 (3)当 气 压 P改 变 时 ， 放 电 电 流 密 度 jcn与 气 压 的 平 方 成 正比 。 即 jcn/P2 常 数 辉 光 放 电 的 各 发 光 区 中 ，

48、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 。 PDP的 发 光 效 率 不 高 的 原 因 ： 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 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/W。 而 PDP由 于 其 放 电 单 元 的 空 间 通常 很 小 （ 电 极 间 隙 约 100m） ， 放 电 时 只 出 现 阴 极 位 降 区和 负 辉 区 ， 所 以 通 常 利 用 的 是 负

49、 辉 区 的 发 光 。 提 高 PDP的 亮 度 和 发 光 效 率 的 措 施 之 一 ： 改 进 放 电 单 元 结 构 ， 采 用 正 柱 放 电 。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 (1) 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 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 颗 粒 在 气体 中 的 运 动 就

50、 越 具 有 扩 散 的 特 性 。 因 而 随 着 气 压 升 高 ， 一 部分 溅 射 颗 粒 返 回 阴 极 的 可 能 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 越 严 重 ； (4)不 同 金 属 的 溅 射 能 力 差 别 很 大 。 按 其 抗 溅 射 性 增 强 的 次 序 排 列 是 ： Ag， Au， Cu， Pt， Ni， Fe， Al。 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 的 时 间 称 为 气 体

51、 放 电 延 迟 或 击 穿 时 滞 。 总 的 气 体 放 电 延 迟 由两 部 分 组 成 ： （ 1） 统 计 性 时 间 延 迟 ts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 N 0为 空 间 每 秒 产 生 的 自 由 电 子 数 ， p为 电 子 电 离 原 子 的 几 率。 （ 2） 形 成 性 时 间 延 迟 tf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 。 01pNts 气 体 放 电 物 理 基 础