氣體的自持放電

1、氣體的自持放電 self-sustaining process of gas2005級(jí).三班王亞楠(0510355) 自持放電的概述 summarizationn氣體導(dǎo)電的現(xiàn)象。又稱氣體導(dǎo)電。氣體通常由中性分子或原子組成，是良好的絕緣體，并不導(dǎo)電。氣體的導(dǎo)電性取決于其中電子、離子的產(chǎn)生及其在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。加熱、照射(紫外線、X射線、放射性射線）等都能使氣體電離，這些因素統(tǒng)稱電離劑。在氣體電離的同時(shí)，還有正負(fù)離子相遇復(fù)合為中性分子以及正負(fù)離子被外電場(chǎng)驅(qū)趕到達(dá)電極與電極上異號(hào)電荷中和的過程。這3個(gè)過程中，電離、復(fù)合二者與外電場(chǎng)無關(guān)，后者則與外電場(chǎng)有關(guān)。隨著外電場(chǎng)的增強(qiáng)，離子定向速度加大，復(fù)合逐漸減

2、少以致不起作用，因電離產(chǎn)生的全部離子都被驅(qū)趕到電極上，于是電流達(dá)到飽和。飽和電流的大小取決于電離劑的強(qiáng)度。一旦撤除電離劑，氣體中離子很快消失，電流中止。這種完全靠電離劑維持的氣體導(dǎo)電稱為被激導(dǎo)電或非自持導(dǎo)電。n 當(dāng)電壓增加到某一數(shù)值后，氣體中電流急劇增加，即使撤去電離劑，導(dǎo)電仍能維持。這種情形稱為氣體自持導(dǎo)電或自激放電。氣體由被激導(dǎo)電過渡到自持導(dǎo)電的過程，通常稱為氣體被擊穿或點(diǎn)燃，相應(yīng)的電壓叫做擊穿電壓。撤去電離劑后，仍有許多帶電粒子參與導(dǎo)電。首先，正負(fù)離子特別是電子在電場(chǎng)中已獲得相當(dāng)動(dòng)能，它們與中性分子碰撞使之電離，這種過程連鎖式地發(fā)展下去，形成簇射，產(chǎn)生大量帶電粒子。其次，獲得較大動(dòng)能的正

3、離子轟擊陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射。此外，當(dāng)氣體中電流密度很大時(shí)，陰極會(huì)因溫度升高產(chǎn)生熱電子發(fā)射。n 氣體自持放電的特征與氣體的種類、壓強(qiáng)、電極的材料、形狀、溫度、間距等諸多因素有關(guān)，而且往往有發(fā)聲、發(fā)光等現(xiàn)象伴隨發(fā)生。自持放電因條件不同，而采取不同的形式。見輝光放電，弧光放電，火花放電，電暈放電。 輝光放電 glow dischargen低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象。在置有板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓（約幾毫米汞柱）氣體或蒸氣，當(dāng)兩極間電壓較高（約1000伏）時(shí)，稀薄氣體中的殘余正離子在電場(chǎng)中加速，有足夠的動(dòng)能轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射過程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使氣體導(dǎo)電。輝光放電的特征是電流

4、強(qiáng)度較小（約幾毫安），溫度不高，故電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)，呈現(xiàn)瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象。 輝光放電時(shí)，在放電管兩極電場(chǎng)的作用下，電子和正離子分別向陽極、陰極運(yùn)動(dòng)，并堆積在兩極附近形成空間電荷區(qū)。因正離子的漂移速度遠(yuǎn)小于電子，故正離子空間電荷區(qū)的電荷密度比電子空間電荷區(qū)大得多，使得整個(gè)極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區(qū)域內(nèi)。這是輝光放電的顯著特征，而且在正常輝光放電時(shí)，兩極間電壓不隨電流變化。 在陰極附近，二次電子發(fā)射產(chǎn)生的電子在較短距離內(nèi)尚未得到足夠的能使氣體分子電離或激發(fā)的動(dòng)能，所以緊接陰極的區(qū)域不發(fā)光。而在陰極輝區(qū)，電子已獲得足夠的能量碰撞氣體分子，使之電離或激發(fā)發(fā)光。其余暗區(qū)和輝區(qū)的形成也主

5、要取決于電子到達(dá)該區(qū)的動(dòng)能以及氣體的壓強(qiáng)（電子與氣體分子的非彈性碰撞會(huì)失去動(dòng)能）。 輝光放電de應(yīng)用 glow dischargen輝光放電的主要應(yīng)用是利用其發(fā)光效應(yīng)（如霓虹燈、日光燈） 以及正常輝光放電的穩(wěn)壓效應(yīng)（如氖穩(wěn)壓管）。n輝 光 球 操作：用手指輕觸玻璃球的表面，球內(nèi)產(chǎn)生彩色的輝光。 原理：玻璃球內(nèi)充有某種單一氣體或混合氣體，球內(nèi)電極接高頻高壓電源，手指輕輕觸摸玻璃球表面，人體即為另一電極，氣體在極間電場(chǎng)中電離、復(fù)合，而發(fā)生輝光。玻璃球內(nèi)所充的氣體不同，球內(nèi)壓強(qiáng)不同（即不同的真空度），所產(chǎn)生的輝光的顏色也不同。而“輝光球”是低壓氣體（或叫稀疏氣體）在高頻強(qiáng)電場(chǎng)中的輝光放電現(xiàn)象。 圖1

6、 輝光放電_輝光球 弧光放電 arc dischargen呈現(xiàn)弧狀白光并產(chǎn)生高溫的氣體放電現(xiàn)象。無論在稀薄氣體、金屬蒸氣或大氣中，當(dāng)電源功率較大，能提供足夠大的電流（幾安到幾十安），使氣體擊穿，發(fā)出強(qiáng)烈光輝，產(chǎn)生高溫（幾千到上萬度），這種氣體自持放電的形式就是弧光放電。通常產(chǎn)生弧光放電的方法是使兩電極接觸后隨即分開，因短路發(fā)熱，使陰極表面溫度陡增，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射使碰撞電離及陰極的二次電子發(fā)射急劇增加，從而使兩極間的氣體具有良好的導(dǎo)電性?；」夥烹姷奶卣魇请妷翰桓?，電流增大的兩極間電壓反而下降，有強(qiáng)烈光輝。 還有一種弧光放電叫做冷陰極弧光放電，陰極由低熔點(diǎn)材料（如汞）做成。陰極表面蒸發(fā)

7、出的蒸氣被電離，在陰極表面附近堆積成空間正電荷層，此電荷層與陰極間極為狹窄區(qū)域內(nèi)形成的強(qiáng)電場(chǎng)引起場(chǎng)致發(fā)射，使電流劇增，產(chǎn)生電弧。 弧光放電de應(yīng)用 arc dischargen弧光放電應(yīng)用廣泛。可用作強(qiáng)光光源，在光譜分析中用作激發(fā)元素光譜的光源，在工業(yè)上用于冶煉、焊接和高熔點(diǎn)金屬的切割，在醫(yī)學(xué)上用作紫外線源（汞弧燈），等等。但是大電流電路開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的弧火極其有害，應(yīng)采取滅弧措施。n熒 光 燈 原理：燈絲導(dǎo)電加熱，陰極發(fā)射出電子，與（燈管內(nèi)充裝的）惰性氣體碰撞而電離，汞液化為汞蒸氣，在電子撞擊和兩端電場(chǎng)作用下，汞離子大量電離，正負(fù)離子運(yùn)動(dòng)形成氣體放電，即弧光放電，同時(shí)釋放出能量并產(chǎn)生紫外線，

8、玻璃管內(nèi)壁上的熒光粉吸收紫外線的能量后，被激發(fā)而放出可見光。故熒光燈全稱為：低壓汞（水銀）蒸氣熒光放電燈（屬于氣體放電燈的一種） 圖2 弧光放電_熒光燈構(gòu)造圖圖3 弧光放電_熒光燈工作電路 火花放電 spark dischargen高電壓電極間的氣體被擊穿，出現(xiàn)閃光和爆裂聲的氣體放電現(xiàn)象。在通常氣壓下，當(dāng)在曲率不太大的冷電極間加高電壓時(shí)，若電源供給的功率不太大，就會(huì)出現(xiàn)火花放電，火花放電時(shí)，碰撞電離并不發(fā)生在電極間的整個(gè)區(qū)域內(nèi)，只是沿著狹窄曲折的發(fā)光通道進(jìn)行，并伴隨爆裂聲。由于氣體擊穿后突然由絕緣體變?yōu)榱紝?dǎo)體，電流猛增，而電源功率不夠，因此電壓下降，放電暫時(shí)熄滅，待電壓恢復(fù)再次放電。所以火花放

9、電具有間隙性。雷電就是自然界中大規(guī)模的火花放電?；鸹ǚ烹娍捎糜诮饘偌庸?，鉆細(xì)孔。火花間隙可用來保護(hù)電器設(shè)備，使之在受雷擊時(shí)不會(huì)被破壞。n火花放電在生活中常會(huì)遇到.干燥的冬天,身穿毛衣和化纖衣服,長(zhǎng)時(shí)間走路之后,由于摩擦，身體上會(huì)積累靜電荷.這時(shí)如果手指靠近金屬物品,你會(huì)感到手上有針刺般的疼痛感。這就是火花放電引起的.如果事先拿一把鑰匙,讓鑰匙的尖端靠近其他金屬體,就會(huì)避免疼痛.在光線較暗的地方試一試，在鑰匙尖端靠近金屬體的時(shí)候,不但會(huì)聽到響聲,還會(huì)看到火花. 圖4 火花放電_閃電圖5 火花放電_閃電 電暈放電 corona dischargen氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電。最常見的一種

10、氣體放電形式。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對(duì)穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場(chǎng)間隙擊穿過程中的早期發(fā)展階段。圖6 電暈放電_極光 電暈放電 corona dischargen電暈放電的形成機(jī)制因尖端電極的極性不同而有區(qū)別 ，這主要是由于電暈放電時(shí)空間電荷的積累和分布狀況不同所造成的。在直流電壓作用下，負(fù)極性電暈或正極性電暈均在尖端電極附近聚集起空間電荷。在負(fù)極性電暈中，當(dāng)電子引起碰撞電離后，電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離尖端電極的空間，并形成負(fù)離子，在靠近電極表面則聚集

11、起正離子。電場(chǎng)繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)，正離子被吸進(jìn)電極，此時(shí)出現(xiàn)一脈沖電暈電流，負(fù)離子則擴(kuò)散到間隙空間。此后又重復(fù)開始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過程。如此循環(huán)，以致出現(xiàn)許多脈沖形式的電暈電流。電暈電流這一現(xiàn)象是G.W.特里切爾于1938年發(fā)現(xiàn)的，稱為特里切爾脈沖。若電壓繼續(xù)升高，電暈電流的脈沖頻率增加、幅值增大，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)輝光放電。圖7 電暈放電_極光電壓再升高，出現(xiàn)負(fù)流注放電，因其形狀又稱羽狀放電或稱刷狀放電。當(dāng)負(fù)流注放電得以繼續(xù)發(fā)展到對(duì)面電極時(shí)，即導(dǎo)致火花放電，使整個(gè)間隙擊穿。正極性電暈在尖端電極附近也分布著正離子，但不斷被推斥向間隙空間，而電子則被吸進(jìn)電極，同樣形成重復(fù)脈沖式電暈電流。電壓繼續(xù)升高時(shí)，出

12、現(xiàn)流注放電，并可導(dǎo)致間隙擊穿。 電暈放電de應(yīng)用 corona dischargen利用電暈放電可以進(jìn)行靜電除塵、污水處理、空氣凈化等。地面上的樹木等尖端物體在大地電場(chǎng)作用下的電暈放電是參與大氣電平衡的重要環(huán)節(jié)。海洋表面濺射水滴上出現(xiàn)的電暈放電可促進(jìn)海洋中有機(jī)物的生成，還可能是地球遠(yuǎn)古大氣中生物前合成氨基酸的有效放電形式之一。針對(duì)不同應(yīng)用目的研究，電暈放電是具有重要意義的技術(shù)課題。圖8 電暈放電_極光 自持放電de應(yīng)用前景 applicationn低溫等離子體 輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體：輝光放電是化學(xué)等離子體實(shí)驗(yàn)的重要工具，但因其受低氣壓的限制，工業(yè)應(yīng)用難于連續(xù)化生產(chǎn)且應(yīng)用成本高昂，而無法廣泛

13、應(yīng)用于工業(yè)制造中。目前的應(yīng)用范圍僅局限于實(shí)驗(yàn)室、燈光照明產(chǎn)品和半導(dǎo)體工業(yè)等。電暈放電產(chǎn)生低溫等離子體：輝光放電只能在低氣壓下工作，而電暈放電可以在大氣壓下工作，但需要足夠高的電壓以增加電暈部位的電場(chǎng)。一般在高壓和強(qiáng)電場(chǎng)的工作條件下，不容易獲得穩(wěn)定的電暈放電，亦容易產(chǎn)生局部的電弧放電(arc)。為提高穩(wěn)定性可將反應(yīng)器做成非對(duì)稱(asymmetric)的電極形式。電暈放電反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要參考電源的性質(zhì)而有所不同，有直流電暈放電(DC corona)和脈沖式(pulsed corona)電暈放電。由于電暈放電的范圍小、能量低、放電的能量不均勻，通常應(yīng)用范圍僅局限于實(shí)驗(yàn)室。滑動(dòng)電弧放電產(chǎn)生低溫等離子體：滑動(dòng)電弧放電等離子體通常應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解。電源在兩電極上施加高壓引起電極間流動(dòng)的氣體在電極最窄部分電擊穿。一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強(qiáng)力電弧的大電流，電弧在電