低气压下气体放电相似性研究(精)/清华大学优秀博士学位论文丛书

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第1章 引言 低气压下气体放电气体放电相似性研究第1章引言〖1〗1.1气体放电气体放电的相似性〖*1〗1.1.1气体放电相似性放电相似性简介如果两个气隙的几何形状相似并且所有线性尺度成比例，则称这两个气隙为几何相似几何相似气隙，并把线性尺度的比例系数k称为缩比系数缩比系数。例如：图1.1是两个几何相似几何相似的平行平板气隙，其中p1、p2为气隙气体压强，L1、L2为放电管长度，D1、D2为放电管直径，r1、r2为电极半径，d1、d2为平行平板电极间距。两气隙的线性尺度包括放电管长度L、电极间距d、电极半径r、放电管直径D。在几何相似几何相似气隙中，这些线性尺度满足相同的比例关系：L1=k·L2，D1=k·D2，r1=k·r2，d1=k·d2。 图1.1两个几何相似几何相似的平行平板气隙 对于两个几何相似几何相似气隙，如果它们的气压p与气隙长度d的乘积是相同的，即p1d1=p2d2，并且它们的约化电场约化电场（reduced field）在对应点（p1x1=p2x2）的数值也相同，即E1(p1x1)/p1=E2(p2x2)/p2，那么这两个气隙的放电特性很可能是相似的，并且对应的物理量满足特定的比例关系，我们将这种特性相似的放电称为相似放电或气体放电气体放电的相似性[13]。这两个放电气隙被称为相似放电气隙或相似气隙。 在两个相似放电的气隙中，同一气体放电气体放电参量C应满足以下相似关系相似关系[4]： C1=kmC2(11)其中，下标1和2分别表示气隙1和2；C可以为电压、电流、电场、粒子密度、电流密度、电子温度电子温度等参量；k为缩比系数缩比系数,k=d1/d2；m是整数，m=0，±1，±2，±3，…。 表1.1给出了放电相似时，两气隙对应放电参量之间应该满足的比例关系。需要指出的是,p1d1=p2d2和E1(p1x1)/p1=E2(p2x2)/p2只是相似放电的必要条件。至于相似放电的充分条件，我们将在本节*后给出。〖=G〗表1.1相似放电参量的比例关系[3,57]〖=G1〗序号〖〗物理量〖〗数量关系SL1〖〗电位〖〗U1=U2SL2〖〗电流〖〗I1=I2SL3〖〗电场〖〗E1=E2/kSL4〖〗时间间隔〖〗dt1=k·dt2SL5〖〗迁移率〖〗μ1=k·μ2SL6〖〗电离系数〖〗α1=α2/kSL7〖〗电子密度电子密度〖〗ne1=ne2/k2SL8〖〗离子密度离子密度〖〗ni1=ni2/k2SL9〖〗亚稳态粒子密度〖〗nm1=nm2/k2SL10〖〗空间电荷密度〖〗ρ1=ρ2/k2SL11〖〗电流密度〖〗J1=J2/k2SL12〖〗电子温度电子温度〖〗Te1=Te2〖=X〗1.1.2相似放电必要条件的物理含义 气体放电气体放电涉及许多宏观参量，如气隙参量（气隙长度d、气体种类、气压p和温度T）、电极参量（材料及半径r）、电参量（外加电压U及波形、电场E及其分布）等等，这使得气体放电气体放电研究**复杂。但是，人们发现，上述参量的某些组合恰好分别描述了气体放电气体放电的某些重要性质。若采用这些组合参量，将使气体放电气体放电研究大大简化。 在气体放电气体放电中，电子在气体中的平均自由程λ是一个重要的物理量，它反比于气体粒子数密度n。在温度不变的条件下，n正比于气压p。因此，我们可以用便于测量的宏观参量p来表示λ，即λ∝1/p。显然，pd正比于从阴极出发的一个电子跨越整个气隙期间所发生的平均碰撞次数Nc，而E/p正比于电子在一个自由程内从电场获得的平均能量，它也表征了电子每次碰撞引起各种后果（如电离、激发等）的能力。 现在我们分析相似放电必要条件的物理含义：p1d1=p2d2表明两个气隙中电子碰撞气体原子的总次数Nc是相同的，E1(p1x1)/p1=E2(p2x2)/p2表明两个气隙中对应点（p1x1=p2x2）电子每次碰撞引起的各种后果是相同的。显然，这两个必要条件意味着两个气隙中电子碰撞的总效果是相同的。为了进一步说明这一点，我们对气隙中单个电子雪崩产生的电子倍增数Ne进行定量计算[8]： Ne=exp∫d0α(x)dx=exp∫d0α(x)〖〗ppdx=exp∫pd0α(px)〖〗pd(px)(12) 其中，α是碰撞电离系数碰撞电离系数，d为气隙长度。 由文献[1]可知：α(x)〖〗p=A·exp－B〖〗E(px)/p(13)其中，对于确定的气体而言，A和B是常数。 “清华大学**博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级**博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科***的博士学位论文的水平，反映了相关领域*新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的**参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*新进展以及创新思路的有效途径。