1、气体放电物理气体放电物理 主讲：张家良主讲：张家良 物理学院物理学院 三束三束4 4号楼号楼406406房间房间 学习安排学习安排 p 课程课程32学时学时 p 讲课讲课32学时学时 p 成绩计算：平时考勤（成绩计算：平时考勤（10），作业），作业 （10），期末考试（），期末考试（80） 授课教材： 1 1气体放电物理气体放电物理，徐学基，复旦大学出版社，徐学基，复旦大学出版社 2 2气体电子学气体电子学, , 丘军林丘军林 , , 华中理工大学出版社华中理工大学出版社 参考书籍： 1. 等离子体放电原理与材料处理等离子体放电原理与材料处理，科学出版社，科学出版社 2. Fundamenta
2、ls of Gaseous Ionization and Plasma Electronics, Wiley-Interscience 课程构成 1.1. 气体的状态与运动气体的状态与运动-气体学气体学 2.2. 气体中带电粒子的运动气体中带电粒子的运动-放电放电 气体电子学气体电子学 3.3. 气体与带电粒子的作用气体与带电粒子的作用气体击气体击 穿和导电穿和导电 研究大量带电粒子在气体中的各种研究大量带电粒子在气体中的各种 集体运动形式及其规律的学科集体运动形式及其规律的学科与与 真空电子学真空电子学相对相对 气体电子学气体电子学 1.1. 研究对象：研究对象：气体中的运动电子群。不是真气
3、体中的运动电子群。不是真 空中的单个电子。空中的单个电子。 2.2. 研究范围：研究范围：气体中电子群的运动形式、现气体中电子群的运动形式、现 象、规律和效应。象、规律和效应。 3.3. 内容：内容：气体和电子群的共存条件（放电气气体和电子群的共存条件（放电气 体）；电子群的运动形式及其规律；电子体）；电子群的运动形式及其规律；电子 群与气体的相互作用。群与气体的相互作用。 课程内容要求课程内容要求 气体放电物理气体放电物理 1. 带电粒子在气体中的基本运动形式带电粒子在气体中的基本运动形式 2. 击穿理论击穿理论 3. 帕邢定律帕邢定律 4. 辉光放电过程辉光放电过程 5. 电晕放电过程电晕
4、放电过程 6. 介质阻挡放电过程介质阻挡放电过程 研究范围：大量带电粒子的集体 研究内容：气体中带电粒子的运动，即各类气 体放电现象的过程和物理规律 研究对象：放电气体的各类宏观物理现象：电 流、电离、击穿、电磁场、发光等。 研究方法：掌握放电气体的宏观物理现象，研 究微观过程，把宏观现象和微观过程关联起来 ，找到放电现象的规律。 课程概况 学科基础 气体放电过程，包括：分子或者原子状态的变化 ，带电粒子的产生和消失，带电粒子的运动。因 此内容包括：原子、分子的结构问题，带电粒子 与原子、分子的作用问题。带电粒子的集体运动 原子、分子结构及其状态，服从量子力学规律。 原子物理学提供了一套简明半
5、经验的方法， 物理图像清晰。 与原子、分子的作用过程是量子力学和电动力学 的学科范围。对于非量子化过程，采用经典力学 和电磁学的方法处理，以求概念清晰。 集体运动: 系综过程，热力学和统计力学范围。 学科的名称及其含义 为什么称为气体放电物理？ 物理学中的课程都不称为XXX物理学 其他学科的课程才称为 XX物理 物理学科：研究范围清晰，概念清晰，模 型清晰，逻辑清晰，理论体系严谨统一。 适用性广但是也有限。 称为物理学的学科：不具备以上特点，使 用范围狭窄，极其有限。 气体放电物理 请大家思考： 气体放电的物理？还是放电气体的物理？ 二者什么差别？ 气体放电是什么？气体放电是什么？ 气体放电物
6、理气体放电物理-研究带电粒子在气体中在电磁场研究带电粒子在气体中在电磁场 作用下的运动、现象和规律。作用下的运动、现象和规律。 内容丰富，应用广泛，不断发展内容丰富，应用广泛，不断发展 放电形式多种多样：电晕放电，辉光放电，电弧放电形式多种多样：电晕放电，辉光放电，电弧 放电，火花放电，真空放电，高频放电，激光放放电，火花放电，真空放电，高频放电，激光放 电电 存在方式五花八门：日光灯，霓虹灯，闪电，等存在方式五花八门：日光灯，霓虹灯，闪电，等 离子体，聚变，核反应，极光，电离层，恒星。离子体，聚变，核反应，极光，电离层，恒星。 理论层次繁多，不统一：电子崩理论；空间电荷理论层次繁多，不统一：
7、电子崩理论；空间电荷 理论；流光理论。理论；流光理论。 气体放电物理的研究对象：气体中的带电粒子群体气体放电物理的研究对象：气体中的带电粒子群体 气体在正常情况下气体在正常情况下导电率很小导电率很小，为良绝缘，为良绝缘 体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝体。但气体间隙上的电压过高时，气体会由绝 缘状态转变为良导体，这种现象称为缘状态转变为良导体，这种现象称为气体击穿气体击穿。 一旦电压解除后一旦电压解除后, ,气体电介质能自动恢复绝缘气体电介质能自动恢复绝缘 状态，且不存在老化现象。状态，且不存在老化现象。 气体放电的由来 什么是放电？什么是放电？ 与充电相对应，电容、电池的充放电 放电
8、时发生什么？ 储存的电荷放掉，导线是通道。还有其他事件发生吗？气体可否 是通道？ 什么是气体放电？ 如果电荷放掉发生在气体中，就发生气体放电。 怎样发生？ 气体变为导体，或者类似于导体。 怎么样变为导体？变为导体过程中还发生什么事件？ 气体放电现象 导电现象: 载流子在电场中的迁移， 形成电流。 发光现象: 发光是什么原理？ 五颜六色：为什么？ 不均匀：电流在金属中均匀分布。 不同区域的颜色不同？ 伴随着导电现象发生的众多过程，伴随着导电现象发生的众多过程， 使得气体放电丰富多彩使得气体放电丰富多彩 气体放电的定义气体放电的定义 气体通常条件下是绝缘体气体通常条件下是绝缘体 在一定条件下，气体
9、具有一定的导电能力：在一定条件下，气体具有一定的导电能力：存在带存在带 电粒子电粒子 气体导电的物理过程就是气体导电的物理过程就是气体放电气体放电。 前提：气体的电离产生带电粒子并存在电场前提：气体的电离产生带电粒子并存在电场 气体的气体的击穿击穿：电离方式之一。：电离方式之一。气体从绝缘体变为导气体从绝缘体变为导 体体，导电能力与金属可比。，导电能力与金属可比。 导电是绝对的，但是却要导电能力足够导电是绝对的，但是却要导电能力足够 气体放电的气体放电的概念扩展概念扩展：能够使气体具有导电能力的：能够使气体具有导电能力的 过程都称为气体放电，并不一定有电流存在过程都称为气体放电，并不一定有电流
10、存在 气体放电气体放电: 气体中流通电流的各种形式。气体中流通电流的各种形式。 因气体压力、电源功率、电极形状等因素的因气体压力、电源功率、电极形状等因素的 影响，放电具有多种形式：影响，放电具有多种形式： 辉光放电辉光放电：气压较低：气压较低(远小于远小于1大气压大气压)，电源，电源 功率很小时，放电充满整个间隙。功率很小时，放电充满整个间隙。 火花放电火花放电：大气压下，电源功率很小时，间：大气压下，电源功率很小时，间 隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。 电弧放电电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放：大气压下，电源功率较大时，放 电具有明亮、持
11、续的细致通道。电具有明亮、持续的细致通道。 电晕放电电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电：极不均匀电场中，高电场强度电 极附近出现发光薄层。极附近出现发光薄层。 刷状放电刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断：由电晕电极伸出的明亮而细的断 续的放电通道。续的放电通道。 气体放电现象气体放电现象 电晕放电电晕放电 直流低气压气体放电：氮气中，直流低气压气体放电：氮气中，100Pa 辉光放电辉光放电 直流低气压气体放电中的电极现象直流低气压气体放电中的电极现象 氮气中，氮气中，100Pa 直流低气压气体放电中的电极现象直流低气压气体放电中的电极现象 氮气中，氮气中，100Pa 气体导电电流增加
12、H2D2N2 O2 NeAr 介质阻挡介质阻挡(DBD)(DBD)放电放电 介质阻挡介质阻挡(DBD)(DBD)放电放电 电弧放电射流炬电弧放电射流炬 氧气氮气空气 微波放电炬微波放电炬 星云中的气体放电星云中的气体放电 太阳中的气体放电太阳中的气体放电 闪电闪电 极光极光 地球电离层及中高层大气地球电离层及中高层大气 核聚变反应核聚变反应 D + T = n + 4He D + T = p + 3He 聚变中的放电现象聚变中的放电现象 受控热核聚变受控热核聚变 G 10克氘15克氚 人一生所需能源 A 500升海水含10克氘 B 无环境污染及长寿命放 射性废料 聚变需要亿度高温，加热实现放电
13、聚变需要亿度高温，加热实现放电 Lawson 判据（Q1） T 10keV （1亿度） nt 3x1020m-3s 实现聚变的三种途径实现聚变的三种途径 主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW ITER：我们的我们的托卡马克聚变实验堆托卡马克聚变实验堆 中国惯性约束聚变装置中国惯性约束聚变装置 神光神光II、星光、星光II 气体放电的传统应用气体放电的传统应用 化学过程化学过程 刻蚀刻蚀 化学气相沉积（成膜）化学气相沉积（成膜
14、） 材料处理材料处理 表面改性表面改性 灭菌消毒灭菌消毒 表面冶金表面冶金 光源光源 冷光源（节能，线光谱）冷光源（节能，线光谱） 气体激光器气体激光器 等离子体显示器等离子体显示器 电子能量（电子能量（eV） 远大于远大于 分子键能分子键能 （0.1eV） ?非热平衡体系，背景温度低，电子 温度高，存在大量的活性粒子 纳米尺度上 针尖状表面 特征类金刚石表面制造特征类金刚石表面制造 非平衡薄膜表面制造的研究，成功地制 备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝 状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表 面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直 接形成的。（J. Chem.Phys. 116, 104
15、58， 2002） 纳米尺度上 波纹状表面 树枝状表面 大面积正弦表面 毫米级厚金刚石片制备研究毫米级厚金刚石片制备研究 应用PCVD方法可以稳定地制备高质量毫米 量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金 刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(kcm)，可 用于大功率电子器件。（ Physics of Plasma, 5, 1541, 1998、 J. Phys. D, 31, 3327, 1998、J. Vac. Sci. Tech. A，20, 941, 2002） 纯金刚石片 （直径30mm） 半透纯金刚石 热沉片10 x10 mm2 带Si衬底的金刚石厚膜 金刚石质量表征 热平衡气体放
16、电的常规应用热平衡气体放电的常规应用 高温加热高温加热 冶金、焊接、切割冶金、焊接、切割 材料合成、加工材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源光源 强光源（近黑体连续辐射）强光源（近黑体连续辐射） ?热平衡体系，电子、离子、原子同样的温度，热量大热平衡体系，电子、离子、原子同样的温度，热量大 ?通常是高气压（大气压或更高的气压，为什么？）通常是高气压（大气压或更高的气压，为什么？） ?电弧、等离子体炬电弧、等离子体炬 现代及高技术应用现代及高技术应用 军事应用军事应用 等离子体天线等离子体天线 等离子体雷达隐身等离子体雷达隐身 飞行器减阻飞行器减阻 假目标及诱饵
17、假目标及诱饵 高技术高技术 大功率微波器件大功率微波器件 强强X X射线源及射线源及X X射线激光射线激光 强流束技术强流束技术 等离子体推进等离子体推进 磁流体发电磁流体发电 等离子体离子推进器等离子体离子推进器 等离子体推进技术等离子体推进技术 通讯应用通讯应用-天线天线 四、气体放电的认识及物理历程四、气体放电的认识及物理历程 n 远古时代，人们对于闪电的认识，自然崇拜阶段。远古时代，人们对于闪电的认识，自然崇拜阶段。 n 16721672年，威廉（年，威廉（Gottfield Wilhem)Gottfield Wilhem)首次实现人工放电，解首次实现人工放电，解 释了气体放电的秘密。
18、释了气体放电的秘密。 n 旋转硫磺球上的电火花：容易汽化；硫原子电离容易；摩擦旋转硫磺球上的电火花：容易汽化；硫原子电离容易；摩擦 起电；火花产生。起电；火花产生。 n 18021802年，俄国人彼得罗夫发现了电弧放电。化学电池已经发年，俄国人彼得罗夫发现了电弧放电。化学电池已经发 明，可以提供稳定电源。明，可以提供稳定电源。 n 18351835年，法拉第（年，法拉第（M. FaradayM. Faraday），研究了气体放电基本现象，），研究了气体放电基本现象， 发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域 18791879年，克鲁克斯（年，克鲁克斯（W.
19、CrookesW. Crookes）提出用）提出用“物质第四态物质第四态”来描述气来描述气 体放电产生的电离气体体放电产生的电离气体 18891889年，帕邢（年，帕邢（Paschen)Paschen)提出了气体放电实验定律提出了气体放电实验定律 19021902年，克尼理（年，克尼理（A. E. KenneallyA. E. Kenneally）和赫维塞德（）和赫维塞德（O. HeavisideO. Heaviside） 提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象 19031903年，汤森（年，汤森（Townsend)Townsend)提出雪
20、崩电离理论，提出雪崩电离理论，19101910年发表击穿判年发表击穿判 据。至今这一理论仍然被广泛应用。据。至今这一理论仍然被广泛应用。 19231923年，德拜（年，德拜（P. DebyeP. Debye）提出等离子体屏蔽概念）提出等离子体屏蔽概念 19251925年，阿普勒顿（年，阿普勒顿（E. V. AppletonE. V. Appleton）提出电磁波在电离层中传播）提出电磁波在电离层中传播 理论，并划分电离层理论，并划分电离层 19281928年，朗缪尔（年，朗缪尔（I. LangmuirI. Langmuir）提出集体振荡等重要概念）提出集体振荡等重要概念 19291929年，朗
21、缪尔与汤克斯（年，朗缪尔与汤克斯（L. TonksL. Tonks）首次提出）首次提出“PlasmaPlasma”一词一词 19301930年，罗果夫斯基发展了空间电荷理论，完善了汤森的理论。年，罗果夫斯基发展了空间电荷理论，完善了汤森的理论。 19371937年，阿尔芬（年，阿尔芬（H. AlfvenH. Alfven）指出等离子体与磁场的相互作用在）指出等离子体与磁场的相互作用在 空间和天文物理学中起重要作用空间和天文物理学中起重要作用 19391939年，雷特年，雷特(H.Raether)(H.Raether)根据云雾室实验现象，提出流光放电的根据云雾室实验现象，提出流光放电的 概念。同
22、年，概念。同年， 迈克（迈克（Mike)Mike)基于空间电荷理论提出流光理论基于空间电荷理论提出流光理论 19461946年，朗道（年，朗道（L. LandauL. Landau）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼，）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼， 即朗道阻尼即朗道阻尼 19521952年，美国受控热核聚变的年，美国受控热核聚变的“SherwoodSherwood”计划开始，英国、法国、计划开始，英国、法国、 苏联也开展了相应的计划苏联也开展了相应的计划 19581958年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展 广泛的国际
23、合作广泛的国际合作 1950-19801950-1980年代，受控热核聚变研究和空间等离子体的研究使现代年代，受控热核聚变研究和空间等离子体的研究使现代 等离子体物理学建立起来等离子体物理学建立起来 作业题 1，写出下列常数 光速c； 真空中的的介电常数0 真空中的的磁导率0 1/ 的值 电子电荷e； 电子质量m 质子质量mp 用开氏温度表示1eV的温度 常态下空气的粒子数密度 常态下大气压强的值，单位为 Torr和Pa； 常态下水的粒子数密度（m-3） 氢原子的电离电位； 2，科学估算以下数据 （1）氘氚原子核尺寸大 约为1fm,若要两个核互 相靠近发生聚合反应， 仅考虑电作用力，需至 少多
24、大动能？ （2）使用同等质量的氩 气，同样的功率消耗， 利用两种原理产生推力 。一是加热使之热膨胀 ，二是使之部分电离并 加速。哪一种方法能够 获得更大的推力？ 气体放电物理气体放电物理 主讲：张家良主讲：张家良 物理学院物理学院 三束三束4 4号楼号楼406406房间房间 学习安排学习安排 p 课程课程32学时学时 p 讲课讲课32学时学时 p 成绩计算：平时考勤（成绩计算：平时考勤（10），作业），作业 （10），期末考试（），期末考试（80） 授课教材： 1 1气体放电物理气体放电物理，徐学基，复旦大学出版社，徐学基，复旦大学出版社 2 2气体电子学气体电子学, , 丘军林丘军林 , ,
25、 华中理工大学出版社华中理工大学出版社 参考书籍： 1. 等离子体放电原理与材料处理等离子体放电原理与材料处理，科学出版社，科学出版社 2. Fundamentals of Gaseous Ionization and Plasma Electronics, Wiley-Interscience 课程范畴 1.1. 气体的状态与运动气体的状态与运动-气体学气体学 2.2. 气体中带电粒子的运动气体中带电粒子的运动-放电放电 气体电子学气体电子学 3.3. 气体与带电粒子的作用气体与带电粒子的作用气体击气体击 穿和导电穿和导电 研究大量带电粒子在气体中的各种研究大量带电粒子在气体中的各种 集体运
26、动形式及其规律的学科集体运动形式及其规律的学科与与 真空电子学真空电子学相对相对 气体电子学气体电子学对比对比 1.1. 研究对象：研究对象：气体中的运动电子群。不是真气体中的运动电子群。不是真 空中的单个电子。空中的单个电子。 2.2. 研究范围：研究范围：气体中电子群的运动形式、现气体中电子群的运动形式、现 象、规律和效应。象、规律和效应。 3.3. 内容：内容：气体和电子群的共存条件（放电气气体和电子群的共存条件（放电气 体）；电子群的运动形式及其规律；电子体）；电子群的运动形式及其规律；电子 群与气体的相互作用。群与气体的相互作用。 气体放电物理学什么？气体放电物理学什么？ 带电粒子在
27、气体中的基本运动形式带电粒子在气体中的基本运动形式 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 包括：击穿模型、理论和帕邢定律包括：击穿模型、理论和帕邢定律 气体放电形态的形成和演化气体放电形态的形成和演化 辉光放电、电晕放电和介质阻挡放电辉光放电、电晕放电和介质阻挡放电 研究对象：大量带电粒子的集体 研究内容：气体中带电粒子的运动，即各类气 体放电现象的过程和物理规律 研究范畴：放电气体的各类宏观物理现象：导 电、电离、击穿、电磁场、光、热等。 研究方法：掌握放电气体的宏观物理现象，研 究微观过程，把宏观现象和微观过程关联起来 ，找到放电现象的规律。 气体放电物理做什么？ 学科基础 气体放电过
28、程，包括：分子或者原子状态的变化 ，带电粒子的产生和消失，带电粒子的运动。因 此内容包括：原子、分子的结构问题，带电粒子 与原子、分子的作用问题。带电粒子的集体运动 原子、分子结构及其状态，服从量子力学规律。 原子物理学提供了一套简明半经验的方法， 物理图像清晰。 与原子、分子的作用过程是量子力学和电动力学 的学科范围。对于非量子化过程，采用经典力学 和电磁学的方法处理，以求概念清晰。 集体运动: 系综过程，热力学和统计力学范围。 学科的名称及其含义 为什么称为气体放电物理？ 物理学中的课程都不称为XXX物理学 其他学科的课程才称为 XX物理 物理学科：研究范围清晰，概念清晰，模 型清晰，逻辑
29、清晰，理论体系严谨统一。 适用性广但是也有限。 称为物理学的学科：不具备以上特点，使 用范围狭窄，极其有限。 气体放电物理 请大家思考： 气体放电的物理？还是放电气体的物理？ 二者什么差别？ 气体放电物理什么样？气体放电物理什么样？ 气体放电物理气体放电物理-研究带电粒子在气体中在电磁场作研究带电粒子在气体中在电磁场作 用下的运动、现象和规律。用下的运动、现象和规律。 内容繁杂（内容繁杂（物理的方方面面物理的方方面面），应用广泛，不断），应用广泛，不断 发展发展 放电形态放电形态多种多样多种多样：电晕放电，辉光放电，电弧：电晕放电，辉光放电，电弧 放电，火花放电，真空放电，高频放电，热放电放电
30、，火花放电，真空放电，高频放电，热放电 存在方式存在方式五花八门五花八门：日光灯，霓虹灯，闪电，等：日光灯，霓虹灯，闪电，等 离子体，聚变，核反应，极光，电离层，恒星离子体，聚变，核反应，极光，电离层，恒星 理论层次理论层次繁多繁多，不统一：电子崩理论；空间电荷，不统一：电子崩理论；空间电荷 理论；流光理论理论；流光理论 气体在正常情况下气体在正常情况下导电率很小导电率很小，为良绝缘，为良绝缘 体。但加在气体间隙上的电压足够高时，气体体。但加在气体间隙上的电压足够高时，气体 可以由绝缘状态转变为良导体，发生导电，称可以由绝缘状态转变为良导体，发生导电，称 为为气体击穿气体击穿。 一旦电压解除后
31、一旦电压解除后, ,气体能自动恢复绝缘状态，气体能自动恢复绝缘状态， 且不存在老化现象。且不存在老化现象。 气体的导电能力是有条件的。气体的导电能力是有条件的。 气体导电什么特点？ 为什么 气体放电？ 什么是放电？什么是放电？ 与充电相对应，电容、电池的充放电 放电时发生什么？ 储存的电荷放掉，导线是通道。还有其他事件发生吗？气体可否 是通道？ 什么是气体放电？ 如果电荷放掉发生在气体中，便是气体放电。 怎样发生？ 气体变为导体，或者类似于导体 怎么样变为导体？击穿及后续维持 导体过程中还发生什么过程？电离、消失、发热、发光 气体导电伴生诸多现象 导电现象: 载流子在电场中的迁移， 形成电流。
32、 发光现象: 发光是什么原理？ 五颜六色：为什么？ 电流不均匀：电流在金属中均匀 不同区域的颜色不同？ 伴随着导电现象发生的众多过程，伴随着导电现象发生的众多过程， 使得气体放电丰富多彩使得气体放电丰富多彩 气体放电的定义气体放电的定义 气体通常条件下是绝缘体：气体通常条件下是绝缘体：但但存在带电粒子存在带电粒子 在一定条件下，气体可以具有足够导电能力在一定条件下，气体可以具有足够导电能力 气体导电过程就是气体导电过程就是气体放电气体放电。 电离产生带电粒子，并存在电场电离产生带电粒子，并存在电场 气体的气体的击穿击穿：气体从绝缘体变为导体气体从绝缘体变为导体。电离不一定。电离不一定 就发生击
33、穿就发生击穿 概念扩展概念扩展：导电气体就是：导电气体就是放电气体放电气体，使气体具有导，使气体具有导 电能力的过程都称为气体放电，不一定有电流存在电能力的过程都称为气体放电，不一定有电流存在 气体放电气体放电: 就是其他能量在气体中转化为电离、就是其他能量在气体中转化为电离、 激发、发光、流通电流等能量形式的过程。激发、发光、流通电流等能量形式的过程。 一般而言，初始能量是电能。气压、电功率、一般而言，初始能量是电能。气压、电功率、 电场分布的差别，使放电呈现多种形态：电场分布的差别，使放电呈现多种形态： 辉光放电辉光放电：气压较低：气压较低(远小于远小于1大气压大气压)，电源，电源 功率很
34、小时，放电充满整个间隙。功率很小时，放电充满整个间隙。 火花放电火花放电：大气压下，电源功率很小时，间：大气压下，电源功率很小时，间 隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。 电弧放电电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放：大气压下，电源功率较大时，放 电具有明亮、持续的细致通道。电具有明亮、持续的细致通道。 电晕放电电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电：极不均匀电场中，高电场强度电 极附近出现发光薄层。极附近出现发光薄层。 气体放电现象的存在气体放电现象的存在 高压设备的电晕放电高压设备的电晕放电 直流低气压气体放电：氮气中，直流低气压气体放电：氮气中
35、，100Pa 明亮发光、有结构和层次、稳定。明亮发光、有结构和层次、稳定。 低压气体中的辉光放电低压气体中的辉光放电 直流低压辉光放电中的电极现象直流低压辉光放电中的电极现象 明亮而有层次的电极发光区分布明亮而有层次的电极发光区分布 直流低压辉光放电形态的演变直流低压辉光放电形态的演变 氮气中，氮气中，100Pa 气体导电电流增加 H2D2N2 O2 NeAr 介质阻挡介质阻挡(DBD)(DBD)放电放电 介质阻挡介质阻挡(DBD)(DBD)放电放电 漂亮的大型辉光放电 电弧放电射流炬电弧放电射流炬 氧气氮气空气 微波放电炬微波放电炬 星云中的气体热放电星云中的气体热放电 太阳中的气体热放电太
36、阳中的气体热放电 闪电闪电自然界自然界 的火花放电的火花放电 极光极光自然界的辉光自然界的辉光 放电气体: 就是导电气体 导电气体不是常态，需要维持 导电气体的载流子不断产生和消失 放电气体的维持 需要能量的输入和输出，能量形式的转化 维持气体导电能力的过程就是气体放电 气体导电是维持气体放电的一类形式 电能驱动的放电，热能驱动的放电等 气体放电过程 不仅是导电，包括了所关联的所有过程 地球附近的放电气体分布地球附近的放电气体分布 核聚变反应核聚变反应 D + T = n + 4He D + T = p + 3He 聚变热放电聚变热放电 受控热核聚变受控热核聚变 G 10克氘15克氚 人一生所
37、需能源 A 500升海水含10克氘 B 无环境污染及长寿命放 射性废料 聚变需要亿度高温，加热实现放电聚变需要亿度高温，加热实现放电 Lawson 判据（Q1） T 10keV （1亿度） nt 3x1020m-3s 实现聚变的三种途径实现聚变的三种途径 主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW ITER：我们的我们的托卡马克聚变实验堆托卡马克聚变实验堆 中国惯性约束聚变装置中国惯性约束聚变装置 神光神光II、星光、星光II 气
38、体放电物理：放电气体 内容：气体放电过程的现象和规律。 放电气体是一个物理模型 比气体模型更具体，适用范围窄，不是基础物理 模型，抽象水平低，更靠近实际物理体系。所以气体 放电物理不是一般物理学，其理论意义不显著，主要 利用基础物理理论解决放电气体的运动问题，属于技 术物理范畴，面向技术原理。 气体放电物理，不是第一性原理类物理 范围涵盖力学、热学、电磁学和光学等现象 放电气体和气体放电有哪些应用？ 气体放电的传统应用气体放电的传统应用 化学过程化学过程 刻蚀刻蚀 化学气相沉积（成膜）化学气相沉积（成膜） 材料处理材料处理 表面改性表面改性 灭菌消毒灭菌消毒 表面冶金表面冶金 光源光源 冷光源
39、（节能，线光谱）冷光源（节能，线光谱） 气体激光器气体激光器 等离子体显示器等离子体显示器 电子能量（电子能量（eV） 远大于远大于 分子键能分子键能 （0.1eV） ?非热平衡体系，背景温度低，电子 温度高，存在大量的活性粒子 纳米尺度上 针尖状表面 特征类金刚石表面制造特征类金刚石表面制造 非平衡薄膜表面制造的研究，成功地制 备了纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝 状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表 面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直 接形成的。（J. Chem.Phys. 116, 10458， 2002） 纳米尺度上 波纹状表面 树枝状表面 大面积正弦表面 毫米级厚金刚石片制备
40、研究毫米级厚金刚石片制备研究 应用PCVD方法可以稳定地制备高质量毫米 量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金 刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(kcm)，可 用于大功率电子器件。（ Physics of Plasma, 5, 1541, 1998、 J. Phys. D, 31, 3327, 1998、J. Vac. Sci. Tech. A，20, 941, 2002） 纯金刚石片 （直径30mm） 半透纯金刚石 热沉片10 x10 mm2 带Si衬底的金刚石厚膜 金刚石质量表征 热平衡气体放电的常规应用热平衡气体放电的常规应用 高温加热高温加热 冶金、焊接、切割冶金、焊接、切割 材
41、料合成、加工材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源光源 强光源（近黑体连续辐射）强光源（近黑体连续辐射） ?热平衡体系，电子、离子、原子同样的温度，热量大热平衡体系，电子、离子、原子同样的温度，热量大 ?通常是高气压（大气压或更高的气压，为什么？）通常是高气压（大气压或更高的气压，为什么？） ?电弧、等离子体炬电弧、等离子体炬 现代及高技术应用现代及高技术应用 军事应用军事应用 等离子体天线等离子体天线 等离子体雷达隐身等离子体雷达隐身 飞行器减阻飞行器减阻 假目标及诱饵假目标及诱饵 高技术高技术 大功率微波器件大功率微波器件 强强X X射线源及射线源及X X射
42、线激光射线激光 强流束技术强流束技术 等离子体推进等离子体推进 磁流体发电磁流体发电 等离子体离子推进器等离子体离子推进器 等离子体推进技术等离子体推进技术 通讯应用通讯应用-天线天线 四、气体放电的认识及物理历程四、气体放电的认识及物理历程 n 远古时代，人们对于闪电的认识，自然崇拜阶段。远古时代，人们对于闪电的认识，自然崇拜阶段。 n 16721672年，威廉（年，威廉（Gottfield Wilhem)Gottfield Wilhem)首次实现人工放电，解首次实现人工放电，解 释了气体放电的秘密。释了气体放电的秘密。 n 旋转硫磺球上的电火花：容易汽化；硫原子电离容易；摩擦旋转硫磺球上的
43、电火花：容易汽化；硫原子电离容易；摩擦 起电；火花产生。起电；火花产生。 n 18021802年，俄国人彼得罗夫发现了电弧放电。化学电池已经发年，俄国人彼得罗夫发现了电弧放电。化学电池已经发 明，可以提供稳定电源。明，可以提供稳定电源。 n 18351835年，法拉第（年，法拉第（M. FaradayM. Faraday），研究了气体放电基本现象，），研究了气体放电基本现象， 发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域 18791879年，克鲁克斯（年，克鲁克斯（W. CrookesW. Crookes）提出用）提出用“物质第四态物质第四态”来描述气来描述气
44、体放电产生的电离气体体放电产生的电离气体 18891889年，帕邢（年，帕邢（Paschen)Paschen)提出了气体放电实验定律提出了气体放电实验定律 19021902年，克尼理（年，克尼理（A. E. KenneallyA. E. Kenneally）和赫维塞德（）和赫维塞德（O. HeavisideO. Heaviside） 提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象 19031903年，汤森（年，汤森（Townsend)Townsend)提出雪崩电离理论，提出雪崩电离理论，19101910年发表击穿判年发表击穿判 据。至今这一理论仍然
45、被广泛应用。据。至今这一理论仍然被广泛应用。 19231923年，德拜（年，德拜（P. DebyeP. Debye）提出等离子体屏蔽概念）提出等离子体屏蔽概念 19251925年，阿普勒顿（年，阿普勒顿（E. V. AppletonE. V. Appleton）提出电磁波在电离层中传播）提出电磁波在电离层中传播 理论，并划分电离层理论，并划分电离层 19281928年，朗缪尔（年，朗缪尔（I. LangmuirI. Langmuir）提出集体振荡等重要概念）提出集体振荡等重要概念 19291929年，朗缪尔与汤克斯（年，朗缪尔与汤克斯（L. TonksL. Tonks）首次提出）首次提出“Pl
46、asmaPlasma”一词一词 19301930年，罗果夫斯基发展了空间电荷理论，完善了汤森的理论。年，罗果夫斯基发展了空间电荷理论，完善了汤森的理论。 19371937年，阿尔芬（年，阿尔芬（H. AlfvenH. Alfven）指出等离子体与磁场的相互作用在）指出等离子体与磁场的相互作用在 空间和天文物理学中起重要作用空间和天文物理学中起重要作用 19391939年，雷特年，雷特(H.Raether)(H.Raether)根据云雾室实验现象，提出流光放电的根据云雾室实验现象，提出流光放电的 概念。同年，概念。同年， 迈克（迈克（Mike)Mike)基于空间电荷理论提出流光理论基于空间电荷理
47、论提出流光理论 19461946年，朗道（年，朗道（L. LandauL. Landau）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼，）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼， 即朗道阻尼即朗道阻尼 19521952年，美国受控热核聚变的年，美国受控热核聚变的“SherwoodSherwood”计划开始，英国、法国、计划开始，英国、法国、 苏联也开展了相应的计划苏联也开展了相应的计划 19581958年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展 广泛的国际合作广泛的国际合作 1950-19801950-1980年代，受控热核聚变研究和空间等离子体
48、的研究使现代年代，受控热核聚变研究和空间等离子体的研究使现代 等离子体物理学建立起来等离子体物理学建立起来 基础模型 所谓放电气体，是一个基础物理模型， 基本物理模型：质点、刚体、热力学体系、统计系 综，导体，电磁场等。 放电气体涵盖多种过程，多种属性：导体、热力学 体系 等离子体：另一个基础物理模型， 有些属性与放电气体相同，但不等同 物质的第四相：热力学系统， 电中性：电性大于中性。电性集体运动属性 不突出电性成分的产生和消失 作业题 1，写出下列常数 光速c； 真空中的的介电常数0 真空中的的磁导率0 1/ 的值 电子电荷e； 电子质量m 质子质量mp 用开氏温度表示1eV的温度 常态下
49、空气的粒子数密度 常态下大气压强的值，单位为 Torr和Pa； 常态下水的粒子数密度（m-3） 氢原子的电离电位； 2，科学估算以下数据 （1）氘氚原子核尺寸大 约为1fm,若要两个核互 相靠近发生聚合反应， 仅考虑电作用力，需至 少多大动能？ （2）使用同等质量的氩 气，同样的功率消耗， 利用两种原理产生推力。 一是加热使之热膨胀， 二是使之部分电离并加 速。哪一种方法能够获 得更大的推力？ 第一章第一章 1. 气体粒子的结构特点回顾气体粒子的结构特点回顾 2. 放电气体中的碰撞放电气体中的碰撞 3. 碰撞传能碰撞传能 4. 几种碰撞传能效应几种碰撞传能效应 带电粒子在气体中的运动带电粒子在
50、气体中的运动 放电气体中的粒子 粒子种类：粒子种类： 电子，离子，分子、原子，激发态 粒子运动状态的描述：粒子运动状态的描述： 电子： 无内部结构；平动（动量和能量） 离子： 有内部结构；平动，量子能级 分子、原子：类似离子 激发态: 有寿命，有结构；动量不重要， 能级重要 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 放电气体中，分子、原子发生变化，涉及到 结构和状态，及电子的作用。 原子、分子结构及状态，服从量子力学。 原子物理学简明，图像清晰。 1. 原子和分子结构特点回顾原子和分子结构特点回顾 分子有结构：分子有结构： 有层次：转动、振动、电子能级，化学反应 原子简单：原子简单：电子能
