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铁矿探测仪

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  理学_高等教育_教育专区大学物理实验光电效应_。射到某些金属表面上时光电效应 当光束照,属表面即刻逸出会有电子从金,“光电效应”这种现象称为。地解释了光电效应的实验现象1905年爱 因斯坦圆满,光的波粒二象性的本质使人们进一步认识到,了光促进的

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  绍了气体放电中带电粒子的产生与消失的机理第五章、汤生放电理论与气体的击穿 前面介,的两个重要过程这是气体放电中。述理论为基础本章将以上,体放电讨论气。类: 自持放电---外界电离剂存在与否都能正常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;离剂存在情况下才能正常放电非自持放电---只有外界电。为:稳态放电和非稳态放电按放电是否随时间变化可分。放电为稳态放电直流激励下的,放电为非稳态放电交流或脉冲激励的。气体放电中在所有的,是最简单直流放电,的放电形式也是最基本,电为例来介绍气体放电理论所以本章中主要以直流放。体放电的伏-安特性 伏-安特性是气体放电的宏观参数§5.1直流气体放电的伏-安特性及被激导电 一、气,可以对气体放电过程有一初步认识通过气体放电的伏-安特性曲线。伏—安特性曲线测量气体放电。极的间距为50cm气体放电管中两电,2的两平行平面圆形铜极板电极极板为面积为10cm。1Torr)Ne气充以133Pa(,的直流电源Ea电源为电压可调。电阻器R上的电压V2及对应R的阻值通过测量放电管上的电压V1和可变,流I=V2/R就可得到放电电。和R的大小改变Ea,V1和V2分别测量出,的V-A特性曲线就可得到放电管。的V-A特性曲线由上述装置所得到。看可以分为八个区域从V-A特性曲线。段也可以被称为被激导电区非自持放电区AB段:此,Ua从0逐渐增高特点是放电管电压,(10-18A而放电电流极小,带有密度很小的带电粒子)微小电流来源于源气体中,形成放电几乎没有。放电气体和阴极时当用紫外线照射,A量级(紫外线照射气体会引起放电气体的电离放电电流可以上升到10-16~10-12,带电粒子浓度增大气体中的;引起阴极的光电效应紫外线照射阴极会,光电子发射;大放电电流)总体效应是增;管电压达到Ub(击穿电压)后自持暗放电区BC段:当放电,自持暗放电区放电就进入了,有微弱的发光此时放电管。R阻值不大若限流电阻,压情况下在此电,向E点过渡放电极易,光放电转为辉,电流<μA此段放电。为着火点B点称,着火电压Ub称为;段:在限流电阻R不太大的情况下④ 过渡区CD段和准辉光区DE,C点过渡到E点放电将迅速由,电电流急剧增大即放电管的放,也迅速下降电压Ua,特点是该段的;V-A特性显示为负的。电区发出很强的辉光(放电气体不同正常辉光放电区EF段:特点是放,色也不同发光的颜,N2气-紫色例如空气或;红色)Ne-,A~几百mA放电电流为m。a或R改变E,电压不变放电管的,小电流、高电压放电)只是放电电流变化(;渡区GH:在反常辉光放电区⑦ 反常辉光放电区FG和过,降升高管压,I也增大放电电流,光仍为辉光放电所发的,常辉光放电但不同于正;电压至G点继续升高管,常不稳定此点非,,过渡到弧光放电区放电系统马上会;发出明亮刺眼的白光弧光放电区:特点是,于低电压放电属,(A量级)大电流放电。上是放电管内部状态(气体成分、压强、阴极材料、电极形状等二、决定气体放电形式的条件 决定气体放电形式的条件基本,匀电场情况下例如:在均,~几十TorrP=1Torr,辉光放电一般为,00Torr时而当气压P>1,电或溜光放电一般为弧光放;电场情况下在极不均匀,压比较低即使气,器条件(电源电压Ea、限流电阻R)也会形成电晕放电或溜光放电)和电,做好后放电管,由电器条件决定放电形式完全。A特性曲线先作出V-,出电源电压Ea在电压轴上标,压U=Ea-IR则放电管的极间电。放电电流I---;流电阻阻值R---限;一定Ea,确定R也,了放电形式也就确定。器条件可以画出负载线图根据V-A特性曲线和电,以确定放电形式由负载线图可。图可以看出: 当R=R1(限流电阻很大)负载线) 上式决定了放电形式 从负载线,线交于A点与V-A曲,条件下在该,非自持放电放电属于,应对;=R2当R,于B、C、E三点与V-A曲线交,C点不稳定因为B、,正常辉光放电区的E点此情况放电最终稳定在;流电阻阻值很小)当R=R3(限,和弧光放电区的某点与V-A曲线交于F,放电条件下决定了该,为弧光放电放电最终。 靠外界电离剂产生带电粒子三、非自持放电的被激导电,电压激励下在较低放电,的动能很小带电粒子。我们知道从第一章,发有一能量阈值电子的碰撞激,电场很弱如果激发,激发能或电离能电子的动能低于,发生的几率很小一般非弹性碰撞,导电不发光所以被激,电流很小且放电。、加热或射线照射等电离剂可以是紫外线。极产生电子可以照射阴,产生正、负带电粒子也可以照射放电气体,--紫外线的空间电离我们着重研究后者-。积单位时间内假设单位体, (5-1-2) 且各处带电粒子数都相等由于短波辐射产生的正、负带电粒子数为:,为均匀电场所加电场E。场和强电场两种特殊情况下面分别着重讨论弱电。以空间复合为主(电极上的复合可以忽略)弱电场情况: 假设带电粒子的消失主要,与复合消失达到平衡时当空间带电粒子的产生,: 有,子复合系数)(R—带电粒,电场情况下可见在弱,加电场强度E无关带电粒子浓度与外。1-3) 因为外加电场为弱场由此可以得到电流密度: 5-,与E无关所以均,被激导电伏-安特性的直线部分由此可以得到电流密度与E成线。间电压U升高② 随着极,电电流I都会增大电场强度E和放,复合与空间电荷复合可以比拟时当E增大到带电粒子在电极上的,(电极表面上的带电粒子复合使j↓)电流密度j不再与带电粒子浓度成正比,速率小于线性变化速率j随E的增大而增大的;子运动速度足够大(电子运动速度太大③ 当外加电场强度E强到使带电粒,时间短)相互作用,间电荷复合时以至不产生空,电荷全部达到电极上则电离剂产生的空间,和电流形成饱,安特性曲线的饱和段这就是被激导电伏-。间距为d若电极,面积上的带电粒子数为单位时间达到电极单位,生放电理论 气体放电过程应包括:启始放电和稳定放电则饱和电流密度为: (5-1-4) §5.2 汤。nsend)在1910年第一个提出了“雪崩”气体放电理论气体放电是如何形成的呢?英国物理学家汤生(J.S.Tow,暗放电区及过渡区适用范围是非自持;1932年1931~,荷使放电间隙中电场发生畸变罗果夫斯基在考虑了空间电,做了重要补充对汤生理论,持暗放电和辉光放电区使适用范围扩展到了自。论称为汤生--罗果夫斯基理论所以人们通常把电子雪崩放电理。的汤生实验 在1901~1903年一、非自持放电的汤生理论 1、著名,托夫实验基础上汤生在斯托列,的汤生实验完成了著名。如图5.5实验装置。节极间距的平行平板电极系统组成是由一个大直径放电室中的可调。导电膜的石英圆平板阳极板A为一块镀有,射紫外光即可以透,为放电电极有可以作;可调节的金属圆平板阴极C为放电间隔,了放电系统A、C组成,范围5~20mm放电间隔d可调节。片P、A照射到阴极C上紫外光可以通过石英窗,面发射电子使阴极C表。3~665Pa气体压强P=1,=0~400V电源电压VD。P=101Pa固定实验条件:,kV/cmE=25,电间隔d只改变放,.6的实验结果得到了如图5。随放电间隔d的增大而呈指数增大从实验曲线可以看出: 放电电流,成线时即与d,紫外线单纯。1) 所加电场强度E与气压的比(E/P)值不同汤生根据实验结果建立了经验公式: (5-2-,小也不同值的大,且。本概念 汤生对实验分析后2、汤生电子雪崩理论的基,电场的运动过程中认为:电子在均匀,场获得能量从外加电,变为高能电子由低能电子,引起电离()而损失能量高能电子与气体粒子碰撞。条件下在平衡,量等于碰撞损失的能量电子从电场中获得的能;电场获得能量新电子又从,碰撞电离进一步。的1个电子这样初始,运动过程中在向阳极的,获得能量从电场,子碰撞电离与气体粒,个电子变成2,又获得能量这2个电子,撞电离继续碰,个电子变成4,8个电子进而变成,电子…16个。走越多电子越,一样增长像雪崩,(电子繁流或电子浪)所以称为电子雪崩放电。图如图5.7所示电子雪崩放电示意。场作用下定向运动占优势的情况电子雪崩理论适用于电子在电。电子雪崩的规律为了具体计算,电离系数引入三个,电离过程来描述。子在从阴极向阳极方向运动过程中电子对气体的体电离系数:一个电,离(1cm)经过单位距,生的自由电子(或正离子)个数电子与气体粒子碰撞电离所产,-离子对或电子;离子在从阳极向阴极方向运动过程中正离子对气体的体电离系数:一个正,1cm)内单位距离(,发生碰撞电离的次数正离子与气体粒子;一个正离子轰击阴极表面正离子的表面电离系数:,出的次电子个数使阴极表面逸。能量大于气体原子的电离能时只有当电子从电场中获得的,碰撞电离才会发生。然显,碰撞电离几率电场强度 。子动能较小通常正离,体电离系数很小所以正离子的,略的作用一般忽。算 为了定量分析3、电子雪崩的计,带电粒子以定向运动为主将放电条件简化为:① ;空间碰撞电过程()② 忽略正离子的;匀电场(E=常数)③ 放电电极间为均。的空间复合及管壁复合效应且不考虑空间光电离和电荷。紫外光照射等原因假设阴极C由于,发射有个电子单位面积上,离阴极处这样在距,的电子数为单位面积,处在,数为电子。加因素是碰撞电离且认为电子的增,-2) 即个电子则有: (5-2,了次碰撞电离在距离内发生。条件:由边界,(E=常数)且为均匀电场。况下电子雪崩或电子繁流的增长规律(5-2-3) 这就是均匀电场情。-5) 到达阳极的电子流密度 (5-2-6) 因为在上述过程中写成电子密度有: (5-2-4) 到达阳极的电子数: (5-2,界刺激阴极产生的有个电子是由外,5-2-7) 那么同样也产生了个正离子所以空间电子雪崩产生的电子数为: (,又会引起个次电子发射这些正离子轰击阴极;阴极光电子和正离子轰击阴极所引起的次电子发射后一时刻阴极发射的电子应包括紫外光照射引起的。的电子总数为:第一轮阴极发射;的电子总数为:第二轮阴极发射;电子总数为: 第三轮发射的;n+1轮阴极发射的电子数相等)达到稳定状态后(即第n轮与第,数为: (5-2-9) 到达阳极的电子流密度为: (5-2-10) 上式表明在气体放电中取单位时间、单位阴极面积上发射的电子数为: (5-2-8) 这样单位时间内到达阳极的电子,占主导地位的情况下当电子的定向运动,雪崩放电过程放电为电子。界引起的电子发射的电子流密度大几个量级到达阳极的电子流密度要比阴极表面由外,且。的是电流I实际上测量,阴极发射的电流大小以表示稳态情况下,11) 与汤生实验结果符合的很好则到达阳极的电流为: (5-2-。与气体的碰撞电离系数都不能忽略()若电子与气体的碰撞电离系数和正离子,密度为: (5-2-12) 而一般情况下由汤生电子雪崩理论推出到达阳极的电子流,,变为(5-2-10)(5-2-12)就。是否适用汤生理论,P值足够大主要是E/,向运动为主电子以定。有一个更清楚的理解为了对电子雪崩放电,列表于表5.1将电子增长过程。与气体碰撞产生的带电粒子对 到达阳极的电子数 1 1 2 3 4 在汤生电子雪崩放电中表5.1 电子雪崩放电中的电子增长过程 循环 到达阴极的正离子数 阴极发射电子数 电子,阴极表面的电离系数是两个非常重要的参数电子与气体的碰撞电离系数和正离子轰击,给予讨论下面分别。、汤生电离系数的测量 根据二、第一汤生电离系数 1,量出若测,测量容易,直接测量而很难。8)式可得:由(5-2-,()当。在阴极上引起的光电流来代替所以可以直接测量由紫外光,量得到的电流值该值应是在处测。()(d=0~0.8cm可调) 调节极间电压由此得到: (5-2-13) 实验过程为:,随d变化)保持(E;状态下在真空,使,极光电流测量阴;kPa的Ar充入4.9,变改,系列值测得一;验曲线描绘实。以看出:当时从实验曲线可,线性关系与d成,汤生电离系数其斜率既为;时当,满足不再,电子发射过程已不能忽略正离子轰击阴极表面的次,线向上弯曲所以实验曲。/P值条件不同的E,系数也不同汤生电离,现:并非E或P的单值函数改变E和P条件测量值发,单值函数而是的,即。如图5.10一般的规律。较小时当值,大而增大随的增,大时当很,一常数值趋近于某,体不同放电气,数值也不同所趋近的常。面的讨论中所以在后,放电条件进行比较一般以E/P值为。推导 对于下面的推导2、汤生电离系数的,以定向运动为主(雪崩放电过程的依据)做以下假设: 电子在放电气体中的运动,向运动忽略乱,沿电场方向运动也就说电子主要;(自由程)满足(---电离电位)时电子与气体原子碰撞前所运动的距离,几率为1碰撞电离,足时当满,几率为0碰撞电离;原子碰撞时电子与气体,聚的所有能量电子失去积,碰撞后即每次,动初速度都为0电子的定向运;撞激发忽略碰。运动的平均自由程为若电子在放电气体中,所经历的碰撞次数为则电子运动单位距离,布规律可知由自由程分,于的几率为自由程大。率)为: 取电子在133Pa(1Toor) 压强下平均自由程为这样一个电子运行单位距离(1cm)所发生的碰撞电离次数(电离几,则,5-2-14) 显然上式可表示为: (,的单值函数不是E或P, 从(5-2-14)可以看出而应满足: (5-1-15),大而增大()随增,和于且饱。验结果完全一致这种规律与实,实际情况有所不同但由于假设条件与,系不完全符合所以定量关。描述实际情况为了能准确的,6) 这就是能正确描述实际放电情况的经验公式将(5-2-14)式改写成: (5-2-1,电气体有关的常数其中A、B为与放,过实验可以通,求得常数A、B从直线关系中。常数值见表5.2常用气体的A、B。2O 0.096 2.18 1.50~4.50 Hg 0.15 2.78 0.15~1.13(0.023~0.075) He 0.023 0.26(0.19) 0.75~4.50 Ne 0.099 1.84 0.75~4.50 Ar 0.09 1.35 2.30~7.50 Kr 0.038 0.99 从上表可以看出表5.2 常用气体的 A、B实验常数值 气体 A (cm.Pa)-1 B V/(cm.Pa) 使用范围E/P V/(cm.Pa) N2 0.09 2.57 0.75~4.5 H2 0.033 0.98 1.13~4.5 空气 0.113 2.74 0.75~6.0 CO2 0.15 3.50 3.75~7.50 H,体不同放电气,B值也不同常数A、,值只能实验测得所以常数A、B。所推导的公式可知由汤生放电理论,度E不变时若电场强,P的变化只取决于,随P变化的极大值由此我们可以求得。,: 令,点应对应曲线) 此时最大由此可知~P曲线上的极值,线的最大相应的曲。过原点的切线在曲线上做通,满足极值条件切点M正好;的最小相应,所需的加速电场E最小即引起一次碰撞电离,为最有利选取点所以把M点称。都有一曲线每一种气体,有利选取点M也就有一个最,值为斯托列夫常数相应的 E/P。子雪崩式电离过程前面主要讨论了电,确实是电子雪崩放电过程实验也证明了气体击穿。电的经迹照片就清楚的表明为一彗星状在云雾室内所拍摄的单个电子雪崩放。电子雪崩放电过程表明气体击穿为一。电离系数又称为正离子表面电离系数三、第二汤生电离系数 第二汤生,面上所引起的次级电子发射个数表示平均每个正离子打到阴极表。射的能量来源于电离能正离子引起次级电子发,到阴极上正离子打,合成中性粒子时拉出电子与其复,电离能放出,出要消耗逸出功而电子从阴极逸。验和理论根据实,下关系: 放电气体的电离能越大可以得到第二汤生电离系数的如,逸出功越小阴极材料的,系数越大表面电离。如比,和,大于Ne的电离能因为He的电离能,系数大于的系数所以轰击阴极的;数也具有很大影响正离子的动能对系,图5.12影响规律见。能较小时正离子动,增大而快速增大随正离子动能的,增大到一定程度当正离子动能,一最大值值达到,能的增大反而变小而后随正离子动,同曲线也不同且气体种类不,规律一致但其变化;的E/P值有关值与阴极表面,现极小值且会出。/P值较大时这是因为E,获得的能量随E/P值的增大而增大正离子在一个平均自由程内从电场,极的动能增大正离子轰击阴,值增大导致;P较小时而当E/,E/P值的减小而减小虽然正离子的动能随,减小导致,同时但,程内从电场获得的能量减小由于电子在一个平均自由,离几率降低使碰撞电,几率增大碰撞激发,子和激发态原子数量增多从而使得阴极附近的光,值增大导致。随E/P变化出现极小值综合两方面的原因会导致。1到0.15之间系数一般在0.0。从气体放电的V-A特性曲线)可以看出:随着所加到两电极间的电压U从0逐渐增大§5.3 气体击穿及巴邢定律 一、气体击穿---非自持放电到自持放电的过渡 ,在10-12A量级放电电流一直保持,---非自持放电即气体绝缘状态。到Ub时当U增大,渡到自持放电----气体击穿气体放电突然从非自持放电过。到气体放电的着火此时很容易观察。极间电压Ub就称为气体击穿电压或着火电压气体放电由非自持放电向自持放电过渡所加的。过渡到自持放电由非自持放电,电:放电过程中发出不同颜色的辉光(不同放电气体辉光颜色不同)自持放电有多种形式(由电极形状和外电路参数决定): 辉光放,般为mA量级放电电流一,电压为高,流放电小电;放电弧光;眼的白光(例如电焊)弧光放电发出明亮耀,低电压特点是,流放电大电;电电流μA量级电晕放电:放,发出晕光放电区。--小曲率半径电极或尖电极电晕放电中电场极不均匀-;亮又响的放电火花火花放电:出现又,压或尖端放电一般是高气。者说电场分布和放电电路中所加限流电阻R的大小决定由非自持放电过渡到哪种自持放电形式?由电极形状或。流电阻)和火花放电(小限流电阻)非均匀电场容易形成电晕放电(大限;流电阻)和弧光放电(小限流电阻)均匀电场容易形成辉光放电(大限。之总,哪种自持放电无论过渡到,态转变为或强或弱的导电状态着火时都是气体从完全绝缘状,气体击穿所以又叫。巴邢定律 1889年二、巴邢定律 1、,电极间距d的实验时得到了Ub=f(Pd) 曲线----巴邢曲线巴邢(F.Paschen)通过测量击穿电压Ub随气体压强P和,了巴邢定律由此总结出。板电极上加以直流电压后巴邢定律:在两个平行平,成均匀电场电极间形,材料、气体温度都确定若放电气体成分、电极,气压P两者乘积(Pd)的函数则着火电压Ub是电极间距d与,个变量的单值函数而不是P或d两,Pd值时且改变,b有一极小值击穿电压U。或不同的阴极材料采用不同的气体,曲线形状相似所测得的巴邢,重合但不。就说也,料、气体成分有关巴邢曲线与阴极材,及对应的Pd值也不同击穿电压Ub的极小值。如例,情况下铁阴极,对应的空气的;的对应的而He气。e 275 100 O2 Fe 450 93 空气 Fe 330 76 H2 Pt 295 166 Hg W 425 239 Hg Fe 520 266 Na Fe 335 5.3 2、巴邢曲线的讨论 对于巴邢曲线右支二者的巴邢曲线给出了几种阴极材料情况下几种常用气体的巴邢曲线 巴邢曲线的值及对应的值 气体 阴极材料 (V) (Pa cm) He Fe 150 333 Ne Fe 244 400 Ar Fe 265 200 N2 F,极间电压突然降低着火时的现象是,流增大放电电,辉光放电和弧光放电区)并出现气体发光(对应;Pd值很小时)而左支(特别是,电电流增大特点是放;定的适用范围巴邢曲线有一,限为时右支极,到火花放电着火后过渡;为:当时左支极限,真空击穿击穿属于。太小而d,00~500kV/cm时阴极前面的场强E达到2,场致发射就会出现,巴邢曲线破坏了。电压Ub的主要因素有: 1、Pd值的影响 巴邢定律表明三、影响着火电压Ub的因素 从巴邢定律可以看出影响着火,因素不变若其它,压Ub的大小起决定作用Pd值的变化对着火电,放电中在气体,的Pd值选取合适,火电压Ub可以降低着;压Ub影响 对于单一纯气体2、气体种类和成分对着火电,离电位Ui越低放电气体的电,Ub越低击穿电压;杂气体对于搀,的电离电位Ui(或亚稳态激发电位Um)高若基本气体的亚稳态激发电位Um比杂质气体,压Ub比基本气体的击穿电压Ub低则含有杂质气体的放电气体击穿电,宁电离造成的这是由于潘。He例如,Um=19.8eV第一亚稳态激发电位,Ui=15.7eV而Ar的电离电位,纯He或纯Ar气体的击穿电压低所以He+Ar的击穿电压Ub比;体(例如He、Ne等)具有亚稳态的基本原子气,分子杂质气体加入双原子,压Ub升高会使击穿电,非电离碰撞能量份额增大原因就是振转激发使得;亚稳态原子碰撞时当双原子分子与,子的亚稳态容易破坏原,子又不易电离而双原子分,电压Ub升高从而使击穿。的影响 阴极材料通过系数来影响着火电压Ub3、电极材料与电极表面状态对击穿电压Ub,即;面越清洁阴极表,压越稳定击穿电。极结构和极性决定了放电电极间的电场分布4、电场分布对击穿电压Ub的影响 电,的电离系数、起决定作用而电场分布对汤生放电,Ub有很大影响因此对着火电压。场情况下均匀电,板交换极性两电极极,线完全重合两巴邢曲;匀电场情况而对于非均,系统或针-板电极系统特别是同轴圆筒电极,正极性时针电极接,电场弱(α小)由于阴极附近,电压高着火,极接负极性反之针电,强度大(α大)阴极附近的电场,电压低着火。界电离剂(紫外线照射阴极或加热阴极等)5、外界电离源对着火电压的影响 加入外,离剂着火电压低比不加外界电。面介绍的都是非自持放电或过渡放电§5.4 自持放电的理论分析 前,自持放电下面讨论。的电子流密度公式: 非自持放电阳极电流 (5-4-1) I0—外界电离剂引起的阴极电子发射电流汤生放电理论的自持放电条件 1、自持放电条件 由平行平板电极系统非自持放电推导所得到的到达阳极。然显,不变当d,Ua逐渐升高随着极间电压,增大、也,。放电条件 (5-4-2) 此时当Ua增大到使得或---自持,界电离剂)即使(无外,,有外界电离剂这就意味着没,常放电仍能正。电发生的条件这就是自持放,放电的着火电压Ub相应的极间电压为。电条件可知由自持放,可以取任意值放电电流Ia,源电压和限流电阻共同决定的实际上放电电流Ia是由电。光放电例如辉,压上kV电源电,kΩ到几百kΩ限流电阻几十,Ia为mA量级使得放电电流。持放电的物理意义 从阴极发射出一个电子2、自持放电条件的物理意义 a) 自,发生碰撞电离在放电空间,正离子产生个,轰击阴极表面这些正离子,射一个次级电子使阴极表面发,撞电离过程重复上述碰。电的条件就是----因此产生和维持自持放。的的关系式与联立 (5-4-3) 在均匀电场情况下b) 巴邢定律的理论推导及物理意义 将汤生理论导出,火电压)(此时着,-4-4) 取为常数代入上式得: (5,5-4-5) 由上式可以看出由(5-4-4)可得: (,d乘积的函数击穿电压是P,即,d的单值函数而不是P或。都可以单独变化虽然P和d ,d值不变但只要P,不变值就。由放电气体决定实验常数A、B,成分一旦决定所以放电气体,也就确定了常数A、B。实验所获得的巴邢曲线的变化规律完全一致依据(5-4-5)所得出的变化规律与。生放电的电子雪崩理论与自持放电条件共同得到的变化规律与实验巴邢曲线的变化规律完全一致由(5-4-5)式对Pd求导---及对应的: (5-4-6) (5-4-7) 由汤,雪崩放电理论的正确性从而也证明了汤生电子,巴邢曲线存在值的原因且从物理机制上解释了。值甚小时当Pd,所发生的碰撞次数太少电子在放电电极间飞跃,大的电离次数太少导致电子雪崩放,现着火为了实,间电压Ub必须提高极;值太大时当Pd,数太多(一个自由程内获得的能量太小电子在电极间运动发生的弹性碰撞次,撞次数太多)导致弹性碰,动能降低导致电子,碰撞电离不利于,现着火为了实,极间电压Ub也必须提高。考虑综上,随Pd值变化击穿电压Ub,极小值出现必然会有。功的解释了气体放电的非自持放电向自持放电的过渡二、罗果夫斯基的空间电荷理论 汤生放电理论成,(从阴极发射一个电子得出了自持放电条件,极运动过程中该电子在向阳,正离子经过加速碰撞电离产生的,阴极轰击,新的次级电子)正好产生一个,了巴邢曲线的变化规律并成功的从理论上解释。是但,电条件可以看出从汤生自持放,时当,,情况不符这与实际。释气体放电的V-A实验曲线再者汤生放电理论也不能解。放电理论的基础上罗果夫斯基在汤生,当的补充进行了适。气体放电他认为:,在着空间电荷在两电极间存,然会引起电场畸变空间电荷的存在必,程与汤生理论不完全一致从而导致实际的放电过。电极的原形所得到的汤生方程由汤生放电的平行平板放电,荷的泊松方程再加上空间电,夫斯基放电理论模型就构成了汤生-罗果。极放电系统平行平板电,为一维形式可以简化。E—内建电场 (5-4-8) 其中空间电荷引起的非均匀电场分布为: ,密度和电子流密度、分别为正离子流,和电子的迁移率、分别为正离子。然虽,子流同时存在正离子流和电,呢? 虽然在碰撞电离中哪种带电粒子起主要作用,是成对出现的正离子和电子,子质量小但是电,定向迁移速率大在外电场作用下,子质量大而正离,移速率小定向迁,电荷效应比电子强所以正离子的空间,是说也就,的空间电荷效应总体表现为正,匀性--电场畸变导致电场的不均。自持放电和自持暗放电)若忽略空间电荷效应(非,布应为一直线极间电位分,场分布E2=常数外加电场为均匀电,自持放电和自持暗放电段)见图5.14的ⅰ(对应非;电和弧光放电段空间电荷效应明显)当考虑正的空间电荷效应(辉光放,方程可知由泊松,强了电场等效于加,曲线应向上凸所以电位分布,极C处靠近阴,强度E3>E2(相当于阳极从A移到了A’位置)外加电场E2与空间电荷形成的电场所合成的总电场,以有所;极A处靠近阳,小于E2合成电场,i导致系数也减小见图5.14的i。崩增长率应改写为这样极间电子雪。折线代替电位分布曲线罗果夫斯基以分布电位,崩增长率求电子雪,置A移到了虚线A’阳极就好象从实际位,变为了d3极间距d,率变为增长。到A区间而A’,~0E,电的正柱区—等离子体区)(对应辉光放电和弧光放。以解释气体放电的V-A特性曲线用罗果夫斯基的空间电荷理论可。A特性曲线区域我们选取V-,电压Ua↑随着电源,0→UbUa从,达到Ub时极间电压,电转变为自持暗放电放电系统从非自持放,电荷非常少此时空间,匀分布电场均,b)的E1、E2见图5.15(;4区域2→,Ua不再增高虽然电源电压,I自动增大但放电电流,I↑随着,上的压降IR↑由于限流电阻R,压下降极间电,渡到辉光放电4经过工作点3过,此区间由于在,效应明显↑空间电荷,可用罗果夫斯基折线此过程的电位分布。<U2=Ub>U3>U4各工作点管压降满足U1,E1、E2、E3、E4对应的电场强度分别为,生系数为对应汤,长率写成电离增。形式及理论分析列于表5.4各工作点电离增长率、放电。在于考虑了空间电荷效应罗果夫斯基理论的精华就,空间电位分布的变化导致了放电过程中,电到自持放电对非自持放,能给予半定量解释以及过渡过程都。数值 1 非自持放电 空间电荷效应可以忽略 2 自持暗放电 空间电荷效应不明显表5.4 特殊工作点分析 工作点 电离增长率μ 放电形式 理论分析 表达式 ,V-A特性曲线过渡区不稳定工作点 3 ,I↑随,<UbUa,荷效应 4 正常辉光放电区并↓↓ 出现明显的空间电,最低Ua,定放电 能维持稳,.5 气体放电的着火时间 在气体放电中极间电位分布达到了稳定的最佳情况 §5,电压就同步的产生气体放电并不是在两电极间加上电源,的时间滞后而是有一定,的滞后时间大小这种气体放电,滞后时间称为着火。极间加一阶越电压如果在两放电电,出现时间滞后气体放电会,见图5.16常见时间波形。因素(外界紫外线照射电子发射、热电子发射等)原因就在于第一个阴极光电子的产生来自于外界,电离剂的随机性而符合统计规律且第一个电子的发射是依外界。火滞后时间图中表示着,电子发射的随机性由于第一个初始,也是个不确定的值所以着火滞后时间,离剂越强外界电,短越,越长反之;电压下降沿部分与此相连的放电,建立时间就是放电。到发展成稳定自持放电所需的时间放电建立时间是从第一个电子产生,上的涨落没有统计,带电粒子的渡越时间其大小主要决定于,的电极间隔对于给定,及电场强度给定的气压,定值为。情况下一般,~100ns放电滞后时间,放电的相似定律 在气体放电中~50ns §5.6 气体,种需要为了某,的电极形状有各种各样,性有所不同导致放电特。种放电电极即使是同一,任意值(例如平行平板电极放电电极间距d也可以取,改变)d可以,性也不同放电特。隔d、不同电极形状的放电特性为了研究不同气压、不同电极间,况都进行单独研究就应该对每一种情,常大的工作量这会是一个非,可穷尽的而且是不。存在着相似定律幸好气体放电中,这项工作可以简化。的推广 对于平行平板放电电极系统一、相似定律的概念 1、巴邢定律,了巴邢定律我们得到,来的1/a倍若d缩小到原,到原来的a倍气压P升高,有:则。几何尺寸为放电系统II的a倍广义的巴邢定律:放电系统I的,是系统I 压强P1的a倍时但当系统II的气体压强P2,电压Ub相同两系统的着火。极材料和放电气体几何尺寸:一是电,电极尺寸、电极间距d和平均自由程)再一个就是线性尺寸(包括电极形状、。相似的放电区间2、相似定律:,放电气体相同的,-A特性曲线具有相同的V。间具有相同的电极材料(相同)相似放电区间的含义:两放电区,电气体同种放,定的比例(也包括平均自由程)放电区间所有的线性尺寸保持一。:两个几何上相似的放电系统(相同的放电气体二、相似定律的具体内容 相似定律的具体内容,料和电极形状相同的电极材,Pd值)相同的,相同的电压当电极上加,的放电电流将产生同样;电系统中并且两放,分布在几何上相等电流分布及电位;点的电位相同放电空间对应;点具有相同的速度同类质点在对应。行平板放电系统I、II如图5.17所示的平。相同的放电电极若两系统具有,电气体同种放,小和电极间距d成比例的电极大,Pd值相同的,的电压U加相同,布、电流分布在几何上相等则系统I、II的电位分,2的电位相等()对应点x1、x,点的速度也相等()且相同粒子在对应。寸相似可知由几何尺,间距离d、平均自由程)均为系统II的a倍放电系统I的所有线性尺寸(电极尺寸、极,统具有相同的Pd值可知(5-6-1) 有两系,II的气压P2的1/a系统I的气压P1为系统,) 由于两系统相似即: (5-6-2,上加相同的电压Ua则在两系统的电极,电位相同相应点的,电场强度成比例所以对应点的,、(5-6-3)可得: (5-6-4) 即在相似的放电系统中对于x1、x2对应点有: (5-6-3) 由(5-6-1),程中获得的能量相同电子在一个平均自由。知道我们,放电气体中在相同的,移速度u仅取决于带电粒子的定向迁,此因,的定向迁移速度及其温度T均相等相似系统的相应点处的带电粒子;知空间电荷密度和可得: (5-6-7) 对于每一种带电粒子都应满足上式(5-6-5) 由电极表面的电荷密度公式 (5-6-6) 由泊松方程可,8) 在系统I、II中所以有: (5-6-,定向迁移速率相等且相应点的带电粒子,6-10) 可见在几何尺寸相似的两放电系统中则有: (5-6-9) 而电极面积 (5-,流相同放电电。相似的放电空间由此可以得出,V-A特性具有相同的,火电压Ub和相同的着。相似系统中我们知道,子的定向迁移速率相应点处带电粒,率走过的距离为系统II中的a倍系统I中带电粒子以相同的迁移速,此因,渡越时间等过程)所经历的时间为系统II的a倍系统I中同一过程(如带电粒子的产生、消失、,似系统中即两个相,5-6-12) 由上述讨论可知同一过程所需的作用时间有: (,电系统中在相似放,电子雪崩放大倍率都是相同的放电参数Pd、E/P、、、。系统的放电参数所以研究了一个,似系统的参数也就知道了相。电系统中在相似放,加相同的电压Ua若在系统的电极间,和空间电荷分布具有相似的电位,为因,包括:电子的碰撞电离、体积光电离、带电粒子在电场作用下的空间定向迁移运动和扩散运动、带电粒子的空间复合过程所以带电粒子的浓度变化(带电粒子的产生和消失)满足下列关系: (5-6-13) 带电粒子的产生和消失过程。放电空间在相似,比例的带电粒子浓度的变化率每一种基本过程都给出了成,不同的基本过程比例系数q不同且满足: (5-6-14) ,电系统中相似放。粒子在电场作用下的定向迁移运动和扩散运动、电子附着满足的基本过程有:稳定放电中电子的一次电离、带电,、负离子的复合过程以及高气压条件下正;程(e+A→A-)、积累电离过程(A+e*→A*+e*→A+)、电子与正离子的复合过程(A++e→A)不满组的基本过程(非一次性过程)有:低气压条件下正、负离子的复合过程(A++B-→AB)、负离子形成过。 在相似的两个放电系统中纵上可以得出如下结论:,中获得的能量相同()电子在一个平均自由程;电系统中相似放,向迁移速度和温度相同()相应点处的带电粒子的定;电系统中相似放,V-A特性具有相同的,着火电压Ub且具有相同的;电系统中相似放,、E/P、、放电参数Pd,相同的都是;电系统中相似放,的带电粒子浓度的变化率()每一种过程都给出了成比例;粒子在电场作用下的定向迁移运动和扩散运动、电子附着满足的基本过程有:稳定放电中电子的一次电离、带电,、负离子的复合过程以及高气压条件下正;复合过程、积累电离过程、电子与正离子的复合过程不满足的基本过程有:低气压条件下正、负离子的。是否满足相似放电条件放电中某一基本过程,是否满足关键在于。撞电离满足相似放电条件例1:证明电子的一次碰。几何尺寸相似的两放电系统中(是否满足条件) 证明:在,尺寸是系统II的倍假设系统I的几何,有则,相同电压 两系统加,,I、II中所以系统,有相同的电离几率电子的每次碰撞具。统I中在系,碰撞次数是系统II的1/a一个电子单位时间内发生的,dt2/a即dt1=,有:所以,撞电离满足相似放电条件所以满足电子的一次碰。不满足相似放电条件例2:证明累积电离。子碰撞将原子激发到激发态(累积电离---第一次电,的过程) 证明:电子浓度为Ne激发态的粒子再与电子碰撞而电离,浓度为N*激发态粒子,(1) C---常数 在相似系统I、II中则电子与激发态原子碰撞引起的累积电离为: ,、 (2)应有: ;的累积电离过程不满足相似放电条件所以有: 所以电子碰撞激发原子。气压情况下作业:低,程不满足相似放电条件正离子与电子的复合过。及各区特点: 决定气体放电形式的条件: 一是电极形状关系式为: 本章小结: 气体放电V-A特性曲线分区,电晕放电和火花放电极不均匀电场导致;电路参数二是外。板电极放电对于平行平,限流电阻R的大小决定放电形式完全由外电路。5.3如图,(R1)R很大,10-10A—非自持放电交于非自持放电区A(I<;流I~m量级R决定放电电,、C点交于B,不稳定B点,----辉光放电最终过渡到C点;很小R,I~A导致,F 点----弧光放电交于E、F点最终过渡到。在均匀电场的运动过程中汤生电子雪崩概念 电子,场获得能量从外加电,变为高能电子由低能电子,引起电离()而损失能量高能电子与气体粒子碰撞。条件下在平衡,量等于碰撞损失的能量电子从电场中获得的能;电场获得能量新电子又从,碰撞电离进一步。的1个电子这样初始,运动过程中在向阳极的,获得能量从电场,子碰撞电离与气体粒,个电子变成2,又获得能量这2个电子,撞电离继续碰,个电子变成4,8个电子进而变成,电子…16个。走越多电子越,一样增长像雪崩,(电子繁流或电子浪)所以称为电子雪崩放电。的关系: 经验公式 A、B—气体常数 气体击穿过程 当外加极间电压U增大到着火电压Ub时汤生电子雪崩放电到达阳极的电子数: 到达阳极的电子流密度为: 汤生第一电离系数与P、E,持放电过渡到自持放电气体放电就会从非自,转变为或强或弱的导电状态放电气体也就从绝缘状态,为气体击穿过程这一过程就称。Ub即为着火电压或击穿电压对应发生着火时所加极间电压。板电极上加以直流电压后巴邢定律 在两个平行平,成均匀电场电极间形,材料、气体温度都确定若放电气体成分、电极,气压P两者乘积(Pd)的函数则着火电压Ub是电极间距d与,个变量的单值函数而不是P或d两,Pd值时且改变,b有一极小值击穿电压U。论公式: 当 巴邢定律的理,--或 物理意义:从阴极发射出一个电子自持放电条件及物理意义 自持放电条件-,发生碰撞电离在放电空间,正离子产生个,轰击阴极表面这些正离子,射一个次级电子使阴极表面发,就能维持稳定放电不需要外界电离剂。似的放电取间相似定律:相,放电气体相同的,-A特性曲线具有相同的V。似的放电系统两个几何上相,相同的电压当电极上加,的放电电流将产生同样;电系统中并且两放,分布在几何上相等电流分布及电位;点的电位相同放电空间对应;点具有相同的速度同类质点在对应。① 电极材料相同相似的放电系统:;体成分相同② 放电气;尺寸成比例③ 几何,括:包。图5.12 V-A特性曲线 Pd(Pa cm) 图5.13 铁阴极下空气和He气的 巴邢曲线(i) E(ii)=U3/d3 U3(ii) E(i)=U2/d2 C d3 A’ A x C d3 A’ A x d2 d2 图5.14 正空间电荷对电场的影响 Ua Ua Ei=Ui/di C d1=d2=d A d3 A’ U2=Ub d4 A’ E2 U3 2 5 E3 U1 1 3 4 E4 U4 I E=C 对应等离子体区 x (a ) V-A特性曲线及特殊工作点 (b)对应工作点电位分布的折线 V-A特性曲线特殊工作点电位分布折线 t 电源电压U时间波形 Ua 0 t (b)气体击穿的电压波形 图5.16 气体放电的时间滞后波形 d1 + - x1 I d2 + x2 - II 图5.17 相似平行平板放电区间 Ua(V) G 800 被激导电及 自持暗 过渡 准 反常 非自持放电区 放电区 区 辉光 辉光 过渡区 600 Ub B C 放电 正常辉光放电区 放电 400 D 区 区 紫外线 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 I(A) 图5.2 伏—安特性曲线 决定放电形式的负载线22 - C d + A P 图5.5 汤生实验装置-汤生放电瓶 (5-1-3) (5-1-4) ③ E足够强 ② ①E很小 E 图5.4 被激导电伏-安特性曲线quxian U Ea θ1 θ3 F B R3 A C R1 R2 E 图5.3 决定放电形式的负载线图 Ua(V) ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 800 被激导电及 自持暗 过渡 准 反常 非自持放电区 放电区 区 辉光 辉光 过渡区 600 Ub B C 放电 正常辉光放电区 放电 400 D 区 区 紫外线 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 I(A) 图5.2 伏—安特性曲线 Ea R - + V2 图5.1测量伏—安特性曲线 d(cm) 图5.6 随放电间隔d的变化曲线 阴极C ee 阳极A ee ee ee ee ee hν e ee ee ee ee ee ee 图5.7 电子雪崩放电示意图 D 光 n n+dn n0 x x+dx x 照 阴极C 阳极A 图5.8 电子空间增长示意图 3 2 1 0 d 0 0.2 0.4 0.6 0.8 cm 图5.9 ~d实验曲线 曲线 随正离子动能的变化 U Ub I 图

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