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1、1,大家好,气体放电分类及其特性,2,目录一、气体放电的分类1、气体放电过程的分类2、气体放电电极结构的分类3、气体放电按供电方式分类4、气体放电按电场均匀性分类5、气体放电各过程的特点及应用二、气体放电原理1、汤森理论2、流注理论三、电晕放电1、电晕放电的各过程的基本特性 2、不均匀电场中放电的极性效应四、1、稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点2、匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,3,气体放电过程的分类,（1）按气体放电形成条件来分非自持放电：依赖外界电离自持放电：电晕放电、辉光放电、火花放电、电弧放电。形成自持放电的条件可以通过汤森理论来确定。（2）按照气体放电明暗现象来分暗放电现
2、象：不发光的气体放电现象，包括汤森放电、电晕放电。光放电现象：发光的放电现象，比如辉光放电、火花放电、电弧放电。（3）按气体放电电压电流性质来分 1、按放电气体中电流密度的增加顺序 本底电离区、饱和区、汤森放电区、电 晕放电区、火花放电。2、按放电电极所加电压的增加顺序 脉冲放电、辉光放电、流注放电、火花放电。,典型的气体放电伏安特性,4,介质阻挡放电的电极结构,气体放电电极结构的分类,针板放电针针放电板板放电针筒放电介质阻挡放电,气体放电按电场均匀性分类,均匀电场和极不均匀电场示意图,极不均匀电场：（电晕放电）正电晕放电、负电晕放电均匀电场：平板放电稍不均匀电场,气体放电按供电方式分类,直流
3、放电交流放电：交流放电按频率又可分为低频和高频，微波放电通常采用的频率为2450MHz脉冲放电,电晕放电：极不均匀电场所特有的一种自持放电形式极性效应：放电过程与电极的极性有关,5,气体放电各过程的特点及应用,电晕放电：电晕放电的特征是伴有“嘶嘶”的响声，有时有微弱的辉光，发生在极不均匀电场中的强电场区，有棒板、线筒（板）电极等。可用于工业污染治理、除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器，负电晕放电可以产生负离子，可以做负离子机。辉光放电：在电晕放电基础下，放电电流大，电场分布均匀，大面积的均匀放电，发出柔弱的辉光，尤其适合于等离子体材料表面改性。火花放电：在电晕放电基础下，提高外加电压，而电源的功
4、率不太大时，高压电极间的气体在强电场的作用下被击穿，产生明亮、曲折、狭窄且有分叉的电火花，并伴随爆裂声，比如雷电。可以做日光灯的启辉器。电弧放电：电流密度大，温度高，电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。刷状放电（丝状放电、流注放电）：,大型DBD臭氧发生器,6,气体放电原理,通常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是，在强电场、光辐射、粒子轰击和高温加热等条件下，气体原子中的电子可从中获得能量，从而可从低能级提到高能级，这种原子称为受激原子。当所获得能量大到一定数值时，原子被电离成自由电子和正离子。如果许多原子都被电离，这时气体就成为电离气体。而此时，由大量电离气体产生出的可以自由
5、移动的带电粒子，在电场作用下形成电流，使绝缘的气体成为良好的导体。这种电流通过气体、绝缘气体成为良好导体的现象就被称为气体放电过程。,汤森理论,汤逊机理认为二次电子的来源是正离子撞击阴极，使阴极表面发生电子逸出（称二次电子发射），总电子数n0，电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩,总电子数n，自持放电条件是在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子来取代外电离因素产生的初始电子，即n=n0。汤森理论适用于气压比较低、气压与极距的乘积（Pd）比较小的情况，实验表明当 pd200Toorcm(1Toor=133.32Pa)时，主要是汤森机制起作用。,击穿电压,7,流注理论：pd值较大时的情
6、况,特点：由电子崩形成-会产生电离特强，发展速度更快的新放电区：流注放电；快一个数量级；有分支,形成条件：空间电荷到达一定数量引起电场畸变；复合产生光电离,流注形成示意图,电子崩空间电荷对原均匀电场的畸变。（a）电子崩示意图，（b）崩空间中的电荷浓度分布，（c）空间电荷的电场，（d）合成电场。,8,电晕放电的一般描述,电晕放电的概念,发生电晕放电现象的条件,电场极不均匀时，曲率大的电极附近很小范围内带电粒子已达相当数值时，间隙中大部分区域带电离子数值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大。电晕放电由于局部强场区的放电过程造成。,电晕放电
7、极不均匀电场所特有的一种自持放电现象；,9,正电晕起始流光辉光电晕流光电晕火花放电,负电晕特里切尔脉冲无脉冲电晕火花击穿,正电晕放电类型，从左向右为：起始流光、辉光电晕、流光电晕、火花放电。,负电晕放电类型，从左向右：特里切尔脉冲、无脉冲电晕、火花放电。,断断续续的随机电流脉冲,很薄的光晕层,流光频率和强度随电压不断升高,明亮的类似闪电的火花,电晕放电,电压持续升高导致火花击穿,电流脉冲逐渐减弱直至消失,电流脉冲具有周期性,电晕放电的各过程的基本特性,10,不均匀电场中放电的极性效应,负极性棒板间隙的电晕起始电压比正极性棒板电极低负极性棒板间隙击穿电压比正极性棒板电极高,11,正空间电荷（负极
8、性）,加强棒极附近电场,棒极附近易于形成流注，起始电晕电压低,削弱了正空间电荷外部朝向板极的电场,不利于流注向间隙深处发展，放电发展困难，故其击穿电压高,正空间电荷积聚，加强了电离,积聚的正空间电荷在间隙深处减弱电场,负极性（负棒正板）,12,半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系,稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点,放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同,放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压,放电过程不稳定，分散，属于过渡区,式中，U为极间电压；d为极间距离。,13,均匀电场中气体的伏安特性,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,I0,Ua,Ub
9、,Uc,U,I,加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的热运动，不产生电流；加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。,oa段 随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。,14,均匀电场中气体的伏安特性,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,ab段 电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极，电流I0大小取决于外电离因素与电压无关。,外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产生的带电
10、粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。I0饱和电流。,15,均匀电场中气体的伏安特性,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,电压升高,气体间的带电粒子运动速度加快,带电粒子能量（动能）增加,当能量大于极板间空气中原子的电离能,电子碰撞电离，产生大量带电粒子,电流急速增加,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,bc段 电流又再随电压的增大而增大。发生电子碰撞电离。,16,均匀电场中气体的伏安特性,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,c点 U=Uc，电流急剧增大。气体间隙被击穿进入导电状态（自持放电），不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。,c点处的临界
11、电压Uc就是击穿电压Ub，当电压达到Uc后气体即被击穿，由原来的绝缘体变成了导体。,17,不同特性电源放电实验下的正负离子浓度,J.Phys.D:Appl.Phys.37(2004)6473,纯CO2在负电晕放电中产生臭氧和一氧化碳。,在干燥的空气中负电晕放电的负离子主要是CO3-，如果在电晕放电中产生了足量的氮氧化物，主要的负离子是NO3-，臭氧浓度过大，可以完全抑制O2-的产生。,International Journal of Mass Spectrometry 233(2004)317324,在低压下，负电晕放电产生大量的CO3-离子，数量比O3-、O-、O4-大两个数量级。只比O2-少。,P.S.Gardiner,J.D.Craggs,J.Phys.D:Appl.Phys.10(1977)1003.,电源和空气湿度的影响,18,放电电压大时紫外区比较强,当放电电压较低时,情况有所不同,红外区辐射会比紫外区强。,尖一板电晕放电光谱分析,a,b,c,19,20,
