气体放电物理知识要点总结2014-6-6

1气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。即6.原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。2主量子数n(n=1,2,3…),它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。轨道磁量子数ml,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。碰撞激发：若电子动能比原子的电离能小，但比原子激发能大，则电子与原子碰撞时，可使得原子激发。碰撞电离：若电子动能比原子的电离能大很多，那么在非弹性碰撞之后，除了电子传递给原子一部分能量外，仍保留一部分动能，它以较低速度继续运动，并且原子被电离释放出一个电子。分级电离：若被激发的原子再次与电子碰撞，那么电子的动能也可传3递给激发态原子，使之电离。光电离：当光子的能量大于原子的电离能时，它就会发生光电离。热电离：对气体粒子体系加热，温度较高时，快速运动粒子的数目增大，这些高能运动粒子之间的相互作用可使它们的动能转化为它们的势能，于是气体粒子被激发或电离，即热激发或热电离。3.电离度：电离气体中电子或离子的浓度与中性气体原子原来的浓度之比。4.气体平均自由程：相继两次碰撞之间的平均距离。平均自由程与气体的粒子数密度成反比，与碰撞截面成反比。5.碰撞时的能量转移。当弹性碰撞发生在电子与重粒子（原子或者离子）之间时，电子只给粒子很少一部分能量，而在非弹性碰撞中，电子与重粒子碰撞时可能交出全部能量，变为重粒子的势能，使重粒子激发或电离，而在重粒子之间碰撞时，重粒子只交出动能的一半来激发或者电离其它重粒子，其效率比电子低得多。6.带电粒子在气体中的运动形式：（1）热运动（在无场空间里，与中性粒子的热运动相同），自由程反映粒子间的碰撞概率。自由程分布函数n=n0exp(-x/)，（2）扩散运动：由于气体分子空间浓度的不均匀而在浓度梯度作用下靠杂乱无章的热运动而导致的结果。扩散系数表征粒子的流量速率与其浓度梯度之间的比例系数。D=(3)带电粒子的漂移运动（在有电场的情况下发生）：离子的漂移运动，电子的漂移运动，带电粒子的双极性扩散运动7．迁移率：用单位强度电场作用下的粒子漂移速度来表征它的运动4状态。8.带电粒子的消失（或者复合）两种途径：空间复合或扩散到电极及器壁上再复合。复合是电离的逆过程。放电空间的复合主要是电子与正离子的复合，称为电子复合，正离子与负离子的复合，称为离子复合。电子复合又包括辐射复合，离解复合和双电子的复合的两体过程及三体复合。第三章气体放电等离子体概论1．物质存在的四种状态：固态，液态，气态，等离子体态。2．在一定温度和压力下，物质的存在状态取决于构成物质的分子间力和无规则热运动这两种对立因素的相互作用。或者说取决于分子间的结合能与其热运动的竞争。3．等离子体定义：包含足够多的电荷数量近似相等的正，负带电粒子的物质聚集状态。4.1928年朗缪尔等人引入等离子体概念，1879年克鲁克斯把放电管中物质的状态称为物质的第四态。5。组成等离子体的基本成分是：电子，离子和中性粒子。等离子体在宏观上保持电中性。6．等离子体特征：气体高度电离，等离子体内带正电荷带负电的粒子浓度近似相等，具有导体的特征，等离子体具有振荡特性；等离子体具有加热气体特征（高温）。7．等离子体分类：按照电离度分，（1）低温等离子体（电离度小于50.01）（包含热等离子体（近局域热力学平衡），冷等离子体（非平衡），燃烧等离子体）；（2）高温等离子体（完全热平衡）（电离度大于0.01）。非热力学平衡等离子体拥有高的电子能量及较低的离子及气体温度这一非平衡特性在工业上应用最广泛。8．等离子体基本参量：等离子体粒子密度，等离子体温度，等离子体电离度9．等离子体基本长度：德拜屏蔽长度是等离子体物理中具有决定意义的长度20nekTeD，它是等离子体具有电中性的空间尺度下限，10．电子走完一个振幅（等于德拜长度）所需的时间可看做等离子体存在的时间下限eeDpmkT/11．等离子体鞘层：当等离子体与容器或电极，探针等固体表面接触时，表现出与普通气体截然不同的性质，在两者之间形成一层负电位的过度区域，它把等离子体包围起来，称为等离子体鞘层。在鞘层内的粒子不具有电中性。鞘层厚度具有德拜屏蔽长度的量级。等离子体振荡:若在等离子体的某一局部区域内，由于扰动，某瞬间出现正负电荷分离时，库仑力将使得其返回原状，但由于惯性，返回的粒子将越过平衡位置向相反方向偏离，此时静电恢复力再次起作用，从而形成等离子体内部带电粒子群的集体运动，即等离子体振荡。电子的振荡频率远大于离子的振荡频率。12．等离子体判据:（1）德拜长度远小于等离子体系统的特征长度L；6（2）以德拜长度为半径的球内包含的带电粒子数远大于1；（3）等离子体的频率大于电子和中性粒子的碰撞频率。这表明电子不可能通过与中性粒子的碰撞来消耗振荡能量，以使等离子体振荡维持。13．气体放电的相似性（略)第四章汤森放电与气体击穿1.低气压气体放电的伏安特性曲线：p63画出伏安特性曲线，并对每个区的特点进行分析说明2.什么是自持放电，非自持放电？3.1903年，汤森第一个提出气体击穿理论－－－－电子雪崩理论，并于1910年发表“击穿判据”等。此理论开始用于非自持放电，自持暗放电及过渡区，后来罗果夫斯基修改和补充了该理论，扩展到辉光放电区。4.电子崩的形成（电子雪崩或电子繁流）阴极电极表面由于光电离产生电子（种子电子）在电场作用下向阳极运动过程中动能增大，并与气体粒子发生碰撞电离，产生新电子，新电子向阳极运动也会使得气体电离，于是电子数量增多，带电粒子像雪崩式的增殖，即电子雪崩或电子繁流。5.α系数—电子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数—电子崩过程（α过程）α称为电子碰撞电离系数（或电子对气体的体积电离系数）。7α与放电气体性质，气体压强及给定放电点的场强等有关。电离系数依赖于气体压强和电场强度。)/()/exp(PEfPEBAP6.γ系数（正离子的表面电离系数）—折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数—离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程（γ过程）。γ与气体性质，电极材料和离子能量等有关。7.汤逊理论的实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。适用范围：解释低气压、短气隙中的放电现象。8.影响系数的因素：（1）气体的电离电位高，阴极的逸出功低，则值就大；（2）正离子的动能大小也直接影响值大小，因为正离子被阴极吸收后的动能将变为零，这些动能同样被转化为逸出电子的能量；（3）值的大小还与阴极表面附近的E/P值有关。9.正离子引起次级电子发射的能量主要来源于电离能。10.自持放电条件可表达为:1)1(de11.击穿判据的物理意义：若最初从阴极逸出一个初始电子，设电子在加速同时不断碰撞电离，到达阳极时电子数目为de,产生的离子数为(de-1)，这些正离子最终通过作用，产生二次电子，若二次电子数de-1≥1，这些二次电子就可作为种子等初始电子一样产生连续8电流，从而使得放电持续进行。即仅由电子α作用产生初始电子时，电流在一个脉冲后会终止。但同时加上离子的作用，会不断从阴极补充种子电子使放电持续下去，此即自持放电含义。12.帕邢定律：击穿电位的表达式为：))/11ln(/ln(APdBPdVS13.影响击穿电压的因素：在其他条件不变条件下，击穿电压与气体性质有关，且随着电极材料，表面状况和电极结构（电场分布）而变。14.杂质气体对击穿电位的影响，如掺入低电离能的气体可降低击穿电压，相反，若掺入双原子分子气体，则着火电压要升高。15.电场分布对击穿电压的影响：（1）在均匀电场条件下测得的帕邢曲线，在正负电极反号前后，两条帕邢曲线重合。（2）同轴圆筒电极系统的电极间电场分布不均匀。当中心电极接正电位时，阴极附近电场相当弱，击穿电压较高；当中心电极接负电位时，阴极附近电场较强，击穿电压就低。16.罗果夫斯基空间电荷理论在汤森放电理论基础上，提出了在气体击穿过程中应考虑空间电荷对放电的影响。第五章辉光放电1.正常辉光放电时，沿着存在有电场的管轴方向，放电管发光空间呈现明暗相间的光层分布分为五个区域：（一）阴极区，（二）负辉区，（三）法拉第暗区，（四）正柱区，（五）阳极区。2.正常辉光放电的阴极区由三部分组成：阿斯顿暗区，阴极辉光区9克鲁克斯暗区。3.辉光放电发光强度排序：负辉区最亮，正柱区次之，阴极区最弱。4.辉光放电外貌与气体种类，压强，放电管尺寸，电极材料及形状，极间距等有关。改变电极间距，阴极区和负辉区不受影响（负辉区和克鲁克斯暗区保留），而最大正柱区，法拉第暗区可完全消失。5.正常辉光放电：放电电流只从阳极表面的一部分流过，随着电流增加，阴极被放电电流覆盖的面积也增加两者成正比，此时阴极位降与放电电流及气压无关。6.反常辉光放电：当放电电流大于某一值时，放电覆盖整个阴极表面，随后电流密度和阴极位降都增加，这种放电的阴极位降为反常阴极位降。7.辉光放电正柱区本质上就是等离子体区，空间宏观电荷密度为零，带电粒子以杂乱为主，不存在雪崩式的电离过程。正柱中电子的损失可认为主要是由在管壁的复合造成的。8.辉光放电中阳极仅仅起到搜集电子的作用。9.阴极溅射：当空心阴极放电时，放电空间的正离子向阴极移动，在阴极位降区的高场强作用下，正离子不断轰击阴极表面，使得阴极表面金属原子分解，产生的粒子附着在附近的管壁上，使之发黑。即阴极溅射。10.溅射率S0－－每个正离子能够从阴极表面溅射出的原子数。11.溅射率与阴极材料性质，离子能量与质量，气体压力，阴极表面10状况有关。12.阴极阻塞：当空心阴极放电下，若电极间距进一步缩短，则电压会增加，放电出现阻塞现象。13。空心阴极放电：在辉光放电时，当电极间距缩小到某一程度，阴极和阳极之间只出现负辉区，可得到没有正柱的放电。若将阴极制成平行平板，U字形或圆筒形，两个阴极面相对放置，则两个电子束彼此汇合，使得负辉区合并在一起，发光更明亮且较均匀。14.空心阴极放电装置见P9815.空心阴极放电主要特征：（1）放电维持电压降低；（2）阴极电流密度增加；（3）在某些条件下，放电电压-电流特性变为负；（4）阴极暗区长度缩短；（5）负辉区中高能和低能电子密度都变高。16.空心阴极放电产生条件：（1）一定气压下，空