均勻電場中其他的擊穿過程簡

1、均勻電場中其他的擊穿過程簡第二節(jié)第二節(jié) 均勻電場中氣體的擊穿過程均勻電場中氣體的擊穿過程電子崩的形成過程電子崩的形成過程流注理論流注理論所謂均勻電場，就是在電場中，電場強(qiáng)度處處相等，如兩所謂均勻電場，就是在電場中，電場強(qiáng)度處處相等，如兩個(gè)平行平板電極的電場（當(dāng)然還要考慮邊緣效應(yīng)），如圖個(gè)平行平板電極的電場（當(dāng)然還要考慮邊緣效應(yīng)），如圖所示。所示。平行平板電極的電場平行平板電極的電場氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大氣體放電的現(xiàn)象與發(fā)展規(guī)律與氣體種類、氣壓大小、氣隙中的電場形式、電源容量等一系列因素小、氣隙中的電場形式、電源容量等一系列因素有關(guān)。有關(guān)。但無論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰

2、撞游離但無論何種氣體放電都一定有一個(gè)電子碰撞游離導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)。時(shí)出現(xiàn)。一、一、 較小時(shí)的氣體放電過程較小時(shí)的氣體放電過程*氣體放電的湯遜理論氣體放電的湯遜理論*1、電子崩的形成及發(fā)展規(guī)律、電子崩的形成及發(fā)展規(guī)律各種高能輻射線（外界游離因素）引起：各種高能輻射線（外界游離因素）引起：l陰極表面光電離陰極表面光電離l氣體的空間光電離氣體的空間光電離 因此，空氣中存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。因此，空氣中存在一定濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)。d電子崩的產(chǎn)生電子崩的產(chǎn)生 外界游離因素在陰極附近外界游離因素在陰極附近產(chǎn)生了一個(gè)初始電子，如產(chǎn)生了一

3、個(gè)初始電子，如果空間電場強(qiáng)度足夠大，果空間電場強(qiáng)度足夠大，該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就該電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起碰撞游離，產(chǎn)生一會(huì)引起碰撞游離，產(chǎn)生一個(gè)新的電子，初始電子和個(gè)新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，新電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞電離，又會(huì)引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。產(chǎn)生更多電子。 依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩依此，電子將按照幾何級(jí)數(shù)不斷增多，類似雪崩似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電似地發(fā)展，這種急劇增大的空間電子流被稱為電子崩。子崩。 （1 1）碰撞游離系數(shù)）碰撞游離系數(shù) ：一個(gè)電子沿著電場方向走向：一個(gè)電子沿著電場方向走向陽極陽極1cm1cm

4、路程中所發(fā)生的平均碰撞游離次數(shù)。路程中所發(fā)生的平均碰撞游離次數(shù)。 與氣體的種類、相對(duì)密度和電場強(qiáng)度有關(guān)。與氣體的種類、相對(duì)密度和電場強(qiáng)度有關(guān)。 （2 2）陰極表面游離系數(shù)）陰極表面游離系數(shù) (gama) (gama)：一個(gè)正離子撞擊：一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)從陰極平均逸出的自由電子數(shù)。陰極表面時(shí)從陰極平均逸出的自由電子數(shù)。 （3 3）正離子碰撞游離系數(shù)）正離子碰撞游離系數(shù) ：一個(gè)正離子沿電場方：一個(gè)正離子沿電場方向行進(jìn)的過程中，在向行進(jìn)的過程中，在1cm1cm路程中發(fā)生的平均碰撞游離的次路程中發(fā)生的平均碰撞游離的次數(shù)。數(shù)。值極小，在分析時(shí)可予忽略。值極小，在分析時(shí)可予忽略。在電場作用下，正離在

5、電場作用下，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由行程較短，不易積累動(dòng)子向陰極運(yùn)動(dòng)，由于它的平均自由行程較短，不易積累動(dòng)能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞游離。能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞游離。初始電子數(shù)為初始電子數(shù)為n0 x處時(shí)，電子數(shù)已增加到為處時(shí)，電子數(shù)已增加到為n，n個(gè)電子在個(gè)電子在dx的距離中又會(huì)產(chǎn)生的距離中又會(huì)產(chǎn)生dn個(gè)新電子個(gè)新電子兩邊積分，考慮兩邊積分，考慮x=0，n=n0，得，得均勻電場中，均勻電場中，a值不隨值不隨x變化變化n0=1，x=d得：到達(dá)陽極的電子數(shù)為：得：到達(dá)陽極的電子數(shù)為：deden即一個(gè)電子走完全程后到達(dá)陽極時(shí)電子數(shù)為即一個(gè)電子走完全程后到達(dá)陽極時(shí)電子數(shù)為 個(gè)。新

6、增電子數(shù)為個(gè)。新增電子數(shù)為1de正離子數(shù)正離子數(shù)2、表面游離過程及自持放電、表面游離過程及自持放電 電子崩進(jìn)入陽極中和，正離子撞擊陰極表面出來的電子與電子崩進(jìn)入陽極中和，正離子撞擊陰極表面出來的電子與正離子中和，表面未游離出新電子來發(fā)展電子崩，如果此正離子中和，表面未游離出新電子來發(fā)展電子崩，如果此時(shí)去掉外界游離因素，放電停止。時(shí)去掉外界游離因素，放電停止。 須依賴外界游離因素才能維持的放電為非自持放電。外界須依賴外界游離因素才能維持的放電為非自持放電。外界游離因素消失，放電會(huì)停止。游離因素消失，放電會(huì)停止。若氣隙上電場足夠大，初始電子崩中的正離子在陰極上產(chǎn)若氣隙上電場足夠大，初始電子崩中的正

7、離子在陰極上產(chǎn)生出來的新電子可以彌補(bǔ)原來發(fā)展電子崩的電子，即使沒生出來的新電子可以彌補(bǔ)原來發(fā)展電子崩的電子，即使沒有外界游離因素的作用，放電也不會(huì)停止，這就變成了自有外界游離因素的作用，放電也不會(huì)停止，這就變成了自持放電。電子崩可僅由外電場的作用而自行維持和發(fā)展。持放電。電子崩可僅由外電場的作用而自行維持和發(fā)展。自持放電的條件：只要至少撞擊出一個(gè)自由電子，自持放電的條件：只要至少撞擊出一個(gè)自由電子，放電便可轉(zhuǎn)入自持。放電便可轉(zhuǎn)入自持。11 de起始電壓U0（非自持自持）均勻場：擊穿電壓Ub不均勻場：電暈起始電壓，氣隙仍絕緣，UbU0如果自持放電條件滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分：如果自持放電條件

8、滿足時(shí)，會(huì)形成下圖的閉環(huán)部分：3、巴申定律、巴申定律當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí)，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對(duì)密度體的相對(duì)密度 和氣隙距離和氣隙距離 d d 乘積的函數(shù)，即：乘積的函數(shù)，即：上式所示規(guī)律在湯遜理論提出之前就由物理學(xué)家上式所示規(guī)律在湯遜理論提出之前就由物理學(xué)家巴申從實(shí)驗(yàn)中得出，稱為巴申定律。巴申從實(shí)驗(yàn)中得出，稱為巴申定律。dfUb即對(duì)應(yīng)于某一即對(duì)應(yīng)于某一 d d ，空氣間隙的擊穿電壓最低。即，空氣間隙的擊穿電壓最低。即Ub具有極小值。具有極小值。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離d d不變時(shí)，提高

9、氣壓不變時(shí)，提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。這一概念具有十分重要的實(shí)用意義。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線SF6斷路器斷路器真空斷路器真空斷路器4、湯遜理論的不足、湯遜理論的不足 湯遜理論湯遜理論 d較小時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，當(dāng)較小時(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，當(dāng) d 較大時(shí)較大時(shí)（ ）此理論不適用了，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋：）此理論不適用了，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋：低氣壓：輝光放電低氣壓：輝光放電大氣壓：看見放電通道：細(xì)、明亮、分支大氣壓：看見放電通道：細(xì)、明亮、分支放電時(shí)間放電時(shí)間大氣壓下放電時(shí)間比湯

10、遜計(jì)算的更短大氣壓下放電時(shí)間比湯遜計(jì)算的更短陰極材料陰極材料湯遜：靠電子碰撞金屬表面來自持放電，金屬不同逸湯遜：靠電子碰撞金屬表面來自持放電，金屬不同逸出功不同，電場能量不同，放電電壓與材料有關(guān)。出功不同，電場能量不同，放電電壓與材料有關(guān)。大氣壓：擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。大氣壓：擊穿電壓與陰極材料無關(guān)。二、二、 較大時(shí)的氣體放電過程較大時(shí)的氣體放電過程*氣體放電的流注理論氣體放電的流注理論*流注的形成過程流注的形成過程流注的條件流注的條件（自持放電的條件（自持放電的條件/間隙擊穿的條件）間隙擊穿的條件）d空間電荷對(duì)電場的畸變空間電荷對(duì)電場的畸變(a)(a)電子崩形狀似圓形錐體。電子崩形狀似圓形

11、錐體。(b)(b)空間電荷濃度分布極不均勻，空間電荷濃度分布極不均勻，電子崩頭部聚集大部分正離子和全電子崩頭部聚集大部分正離子和全部自由電子；電子崩內(nèi)部的電場削部自由電子；電子崩內(nèi)部的電場削弱了；弱了；(c)(c)空間電荷形成的電場。正離子空間電荷形成的電場。正離子與自由電子接觸地方電場急劇降低。與自由電子接觸地方電場急劇降低。(d) (d) 電子崩頭部電場急劇增大，正電子崩頭部電場急劇增大，正離子與電子接觸部分的電場被減弱，離子與電子接觸部分的電場被減弱，電子崩尾部電場略微加強(qiáng)。電場加電子崩尾部電場略微加強(qiáng)。電場加強(qiáng)的地方容易發(fā)生激發(fā)現(xiàn)象，反激強(qiáng)的地方容易發(fā)生激發(fā)現(xiàn)象，反激發(fā)時(shí)釋放大量光子；

12、減弱的部分易發(fā)時(shí)釋放大量光子；減弱的部分易發(fā)生復(fù)合，釋放光子，引發(fā)新的空發(fā)生復(fù)合，釋放光子，引發(fā)新的空間光游離輻射源。間光游離輻射源。NoImage1、電子崩空間電荷對(duì)電場的、電子崩空間電荷對(duì)電場的畸變作用畸變作用 電子崩頭部聚集大部分正離子電子崩頭部聚集大部分正離子和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變；和全部電子，產(chǎn)生了電場畸變； 在電場很小的區(qū)域，電子和離在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成復(fù)合；子濃度最大，有利于完成復(fù)合； 強(qiáng)烈的復(fù)合輻射出許多光子，強(qiáng)烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。源。光子的數(shù)量和能量取決于電場畸變的程度。當(dāng)空間電荷數(shù)光

13、子的數(shù)量和能量取決于電場畸變的程度。當(dāng)空間電荷數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空間光游離。間光游離。（1）當(dāng)外加電壓）當(dāng)外加電壓UUb時(shí)，可發(fā)展起負(fù)流注。時(shí)，可發(fā)展起負(fù)流注。2、流注的形成和發(fā)展、流注的形成和發(fā)展NoImage起始電子發(fā)生碰撞電起始電子發(fā)生碰撞電離形成初始電子崩；離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，正離初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原子作為空間電荷畸變原電場，加強(qiáng)正離子與陰電場，加強(qiáng)正離子與陰極間電場，放射出大量極間電場，放射出大量光子；光子；光電離產(chǎn)生二次電光電離產(chǎn)生二次電子，在加強(qiáng)的局部子，在加強(qiáng)的局

14、部電場下形成二次崩；電場下形成二次崩；二次崩電子與正空間電二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正端部有二次崩留下的正電荷，加強(qiáng)局部電場產(chǎn)電荷，加強(qiáng)局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；生新電子崩使其發(fā)展；流注頭部電離迅速發(fā)展，流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；流注通道；流注通道貫通，流注通道貫通，氣隙擊穿。氣隙擊穿。-+3、自持放電的條件、自持放電的條件 流注的特點(diǎn)是電離強(qiáng)度很大和傳播速度很快，流注的特點(diǎn)是電離強(qiáng)度很大和傳播速度很快，出現(xiàn)流注后

15、，放電便獲得獨(dú)立繼續(xù)發(fā)展的能力，出現(xiàn)流注后，放電便獲得獨(dú)立繼續(xù)發(fā)展的能力，而不再依賴外界電離因子的作用，可見出現(xiàn)流注而不再依賴外界電離因子的作用，可見出現(xiàn)流注的條件也就是自持放電的條件。即：的條件也就是自持放電的條件。即： 主崩中的空間電荷數(shù)須達(dá)到一定的數(shù)值。主崩中的空間電荷數(shù)須達(dá)到一定的數(shù)值。流注理論流注理論 以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)空間電荷對(duì)電場的畸變作用，著重于用氣體空間光荷對(duì)電場的畸變作用，著重于用氣體空間光電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程；電離來解釋氣體放電通道的發(fā)展過程； 放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的放電從起始到擊穿并非碰撞電離連續(xù)量變的過程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)過程，當(dāng)初始電子崩中離子數(shù)達(dá)10108 8以上時(shí)，以上時(shí)，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注；引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合成流注； 流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。放電時(shí)間放電時(shí)間二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光