均勻電場中其他的擊穿過程簡實用教案

1、第二節(jié) 均勻電場(din chng)中氣體的擊穿過程 電子崩的形成過程 湯遜理論 流注理論 所謂均勻電場，就是在電場中，電場強度處處相等，如兩個平行(pngxng)平板電極的電場（當(dāng)然還要考慮邊緣效應(yīng)），如圖所示。平行(pngxng)平板電極的電場第1頁/共24頁第一頁，共25頁。 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有關(guān)。 但無論何種氣體放電都一定有一個電子碰撞游離(yul)導(dǎo)致電子崩的階段，它在所加電壓達(dá)到一定數(shù)值時出現(xiàn)。第2頁/共24頁第二頁，共25頁。一、 較小時(xiosh)的氣體放電過程*氣體放電的湯遜理論*1、電子崩的形成及發(fā)展規(guī)律

2、各種高能輻射線（外界游離因素）引起：陰極表面光電離氣體的空間(kngjin)光電離 因此，空氣中存在一定濃度的帶電質(zhì)點。d第3頁/共24頁第三頁，共25頁。電子(dinz)崩的產(chǎn)生 外界游離因素在陰極附近產(chǎn)生了一個初始電子，如果空間電場強度足夠大，該電子在向陽極運動時就會引起碰撞游離，產(chǎn)生一個新的電子，初始電子和新電子繼續(xù)(jx)向陽極運動，又會引起新的碰撞電離，產(chǎn)生更多電子。第4頁/共24頁第四頁，共25頁。 依此，電子(dinz)將按照幾何級數(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(dinz)流被稱為電子(dinz)崩。第5頁/共24頁第五頁，共25頁。 （1）碰撞游離系數(shù) ：

3、一個電子沿著電場方向走向陽極1cm路程中所發(fā)生的平均碰撞游離次數(shù)。 與氣體的種類、相對密度和電場強度有關(guān)。 （2）陰極表面游離系數(shù) (gama)：一個正離子撞擊陰極表面時從陰極平均逸出的自由電子數(shù)。 （3）正離子碰撞游離系數(shù) ：一個正離子沿電場方向行進(jìn)的過程中，在1cm路程中發(fā)生的平均碰撞游離的次數(shù)。值極小，在分析時可予忽略。在電場作用下，正離子向陰極運動，由于(yuy)它的平均自由行程較短，不易積累動能，所以很難使氣體分子發(fā)生碰撞游離。第6頁/共24頁第六頁，共25頁。初始(ch sh)電子數(shù)為n0 x處時，電子(dinz)數(shù)已增加到為n，n個電子在dx的距離(jl)中又會產(chǎn)生dn個新電子兩

4、邊積分，考慮x=0，n=n0，得均勻電場中，a值不隨x變化n0=1，x=d得：到達(dá)陽極的電子數(shù)為：deden即一個電子走完全程后到達(dá)陽極時電子數(shù)為 個。新增電子數(shù)為1de正離子數(shù)第7頁/共24頁第七頁，共25頁。2、表面游離過程及自持放電電子崩進(jìn)入陽極(yngj)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，如果此時去掉外界游離因素，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。外界游離因素消失，放電會停止。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)生出來的新電子可以彌補原來發(fā)展電子崩的電子，即使沒有外界游離因素的作用，放電也不會停止，這就變

5、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。第8頁/共24頁第八頁，共25頁。 自持放電(fng din)的條件：只要至少撞擊出一個自由電子，放電(fng din)便可轉(zhuǎn)入自持。11 de起始電壓(diny)U0（非自持自持）均勻(jnyn)場：擊穿電壓Ub不均勻場：電暈起始電壓，氣隙仍絕緣，UbU0第9頁/共24頁第九頁，共25頁。如果自持放電條件滿足(mnz)時，會形成下圖的閉環(huán)部分：第10頁/共24頁第十頁，共25頁。3、巴申定律當(dāng)氣體和電極(dinj)材料一定時，氣隙的擊穿電壓是氣體的相對密度和氣隙距離 d 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)家巴申從實

6、驗中得出，稱為巴申定律。dfUb第11頁/共24頁第十一頁，共25頁。 即對應(yīng)(duyng)于某一 d ，空氣間隙的擊穿電壓最低。即Ub具有極小值。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線第12頁/共24頁第十二頁，共25頁。 由巴申曲線可知，當(dāng)極間距離d不變時，提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以(ky)提高氣隙的擊穿電壓，這一概念具有十分重要的實用意義。圖1-7均勻電場中空氣的巴申曲線SF6斷路器真空(zhnkng)斷路器第13頁/共24頁第十三頁，共25頁。4、湯遜理論的不足 湯遜理論 d較小時在實驗的基礎(chǔ)( jch)上建立的，當(dāng) d 較大時（ d 0.26cm）此理論不適用了，一些實驗現(xiàn)象無法解釋

7、：低氣壓：輝光放電大氣壓：看見放電通道：細(xì)、明亮、分支放電時間大氣壓下放電時間比湯遜計算的更短陰極材料湯遜：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)。第14頁/共24頁第十四頁，共25頁。二、 較大時的氣體(qt)放電過程*氣體放電的流注理論*流注的形成過程流注的條件（自持(zch)放電的條件/間隙擊穿的條件）d第15頁/共24頁第十五頁，共25頁?？臻g電荷對電場(din chng)的畸變 (a)電子崩形狀似圓形錐體。 (b)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部自由電子；電子崩內(nèi)部的電場削弱了； (

8、c)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。 (d) 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，電子崩尾部電場略微加強。電場加強的地方容易發(fā)生激發(fā)現(xiàn)象，反激發(fā)時釋放大量光子(gungz)；減弱的部分易發(fā)生復(fù)合，釋放光子(gungz)，引發(fā)新的空間光游離輻射源。第16頁/共24頁第十六頁，共25頁。1、電子崩空間電荷對電場的畸變作用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； 在電場很小的區(qū)域，電子和離子濃度最大，有利于完成(wn chng)復(fù)合； 強烈的復(fù)合輻射出許多光子，成為引發(fā)新的空間光電離輻射源。光子的數(shù)量和能量取決于電場光子的數(shù)量和能量取決于

9、電場(din chng)畸變的程度。當(dāng)空間畸變的程度。當(dāng)空間電荷數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時，放射出的光子數(shù)量和能量足以引起空電荷數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時，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。第17頁/共24頁第十七頁，共25頁。（1）當(dāng)外加電壓UUb時，可發(fā)展起負(fù)流注。第18頁/共24頁第十八頁，共25頁。2、流注(li zh)的形成和發(fā)展起始電子發(fā)生(fshng)碰撞電離形成初始電子崩；初崩發(fā)展到陽極，正離子作為空間電荷畸變原電場，加強正離子與陰極(ynj)間電場，放射出大量光子；光電離產(chǎn)生二次電子，在加強的局部電場下形成二次崩；二次崩電子與正空間電荷匯合成流注通道，其端部有二次崩留下的正

10、電荷，加強局部電場產(chǎn)生新電子崩使其發(fā)展；流注頭部電離迅速發(fā)展，放射出大量光子，引起空間光電離，流注前方出現(xiàn)新的二次崩，延長流注通道；流注通道貫通，氣隙擊穿。-+第19頁/共24頁第十九頁，共25頁。3、自持放電的條件 流注的特點是電離強度很大和傳播速度很快，出現(xiàn)流注后，放電便獲得獨立(dl)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。第20頁/共24頁第二十頁，共25頁。小 結(jié) 湯遜理論：電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的主要過程，而陰極表面的電子發(fā)射是維持放電的必要條件。 巴申定律： 提高(t go)氣壓或降

11、低氣壓到高度真空，都能提高(t go)氣隙的擊穿電壓。dfUb 非自持放電非自持放電(fng din) 自持放電自持放電(fng din) 把去掉外界因素作用后，放電把去掉外界因素作用后，放電(fng din)立即停止的立即停止的放電放電(fng din)形式稱為非自持放電形式稱為非自持放電(fng din)；把；把僅由電場作用就能維持的放電僅由電場作用就能維持的放電(fng din)稱為自持放稱為自持放電電(fng din)。第21頁/共24頁第二十一頁，共25頁。流注理論以湯遜理論的碰撞電離為基礎(chǔ)，強調(diào)空間電荷對電場的畸變作用，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；放電從起始

12、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)108以上時，引起空間光電離質(zhì)變，電子崩匯合(huh)成流注；流注一旦形成，放電轉(zhuǎn)入自持。第22頁/共24頁第二十二頁，共25頁。放電放電(fng din)時間時間二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注二次崩的起始電子是光子形成的，而光子以光速傳播，所以流注發(fā)展非?？?。發(fā)展非常快。放電外形放電外形多個二次崩同時發(fā)展，到流注階段多個二次崩同時發(fā)展，到流注階段(jidun)，若某個流注發(fā)，若某個流注發(fā)展較快，會抑制其它流注，最后只有一個流注通道。展較快，會抑制其它流注，最后只有一個流注通道。陰極材料陰極材料大氣條件下的氣體大氣條件下的氣體(qt)放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間放電不依賴陰極表面電離，而是靠空間光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關(guān)。光電離產(chǎn)生電子維持，因此與陰極材料無關(guān)。第23頁/共24頁第二十三頁，共25頁。感謝您的欣賞(xnshng)第24頁/共24頁第二十四頁，共25頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)第二節(jié) 均勻電場中氣體的擊穿過程。