一种气溶胶带电粒子的转化与衰减过程

技术领域

本发明涉及带电粒子的转化与衰减过程技术领域，具体为一种气溶胶带电粒子的转化与衰减过程。

背景技术

经过电场加速的快电子碰撞中性粒子会产生电子和正离子，而这些带电粒子经过电场加速获取能量，继续与中性粒子碰撞又产生电子和正离子，这样会导致带电粒子浓度越来越大，直至完全电离。而事实并非如此，一定还有另一种过程使带电粒子减少，这就是带电粒子的衰减过程，带电粒子的的衰减过程包括：正、负带电粒子相互碰撞发生复合；带电粒子与放电电极或管壁碰撞，导致带电粒子的消失，除此之外，电子与中性原子或中性分子碰撞还会形成负离子。

放电过程中，气溶胶除了有电子、正离子之外，还会有负离子存在，负离子的形成与原子的亲合势的大小紧密相关，亲合势是指中性原子基电子态与相应的负离子基电子态的能量差，即为原子对电子的亲合势Wa，单位一般取eV。

如果某原子的亲合势为正值，且数值越大，则形成负离子时放出的能量越多，发生该过程的几率越大，且所形成的负离子越稳定；

卤族元素最外层有7个电子，比封闭壳层只少一个电子，最容易俘获一个电子形成稳定壳层，所以卤族元素的电子亲合势均为相当大的正值，所以卤族原子极易形成负离子。

惰性气体的原子最外层为封闭的电子壳层，原子核的电场被外壳层的电子完全屏蔽，致使附加电子根本不受核电场的吸引作用，所以惰性气体原子很难形成负离子。

第I族元素的原子最外层只有一个电子，可以形成负离子，但是，原子核对所附加的电子引力作用很小，亲合势为比较小的正值，所形成的负离子极不稳定。

实验证明，除了N原子、惰性气体以及元素周期表中第II族元素外，所有的元素都可以形成负离子，因此气溶胶也可以形成负离子。

目前，关于带电粒子的转化与衰减过程的研究较少，因此，提供一种气溶胶带电粒子的转化与衰减过程，为后续气压放电提供理论基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气溶胶带电粒子的转化与衰减过程，

(1)、气溶胶带电粒子的转化过程，

由于带电粒子占比例最大的是正离子和电子，所以带电粒子的电荷转移主要是正离子的电荷转移，其特征在于，离子的电荷转移主要包括平衡谐振电荷转移和非平衡谐振电荷转移两种，其中：

A、平衡谐振电荷转移：正离子与同类中性粒子碰撞发生电荷转移，加速的正离子从同类中性粒子中获得一个电子，形成高速运动的中性粒子，而中性粒子失去一个电子变成慢速正离子,由于二者具有相同的电离能，电荷转移不需要吸收或放出能量，容易满足符合能量守恒和动量守恒，所以发生电荷转移的几率大，正离子与同类中性粒子碰撞的电荷转移截面积达10

其中能量守恒是指正离子与同类中性粒子发生碰撞时，发生电荷转移的几率往往比弹性碰撞的几率大，从而导致放电等离子体中中性粒子的平均速度与同类正离子的平均速度接近，即同类中性粒子与正离子气体温度相同，电荷转移不需要吸收或放出能量。

B、非平衡谐振电荷转移：正离子与不同类型的中性粒子碰撞，也可能发生电荷转移，但是由于两粒子的电离能不相同，必须吸收或放出一定能量，这种电荷转移过程称为非平衡谐振电荷转移，

(2)、气溶胶带电粒子的衰减过程：

带电粒子的衰减过程主要有带电粒子的空间复合和带电粒子在电极或器壁上的消失，具体为：

C、带电粒子的空间复合：指空间两种不同符号的带电粒子发生电荷复合碰撞，转变为中性粒子的过程，主要包括：电子复合--电子与正离子的复合；离子复合--正、负离子的复合；

D、带电粒子在电极和管壁上的消失：

其中带电粒子在电极上的消失是指在气溶胶中的正离子在放电过程中向阴极运动，电子向阳极运动，二者消失在电极上，形成放电电流；

电子进入阳极并释放出能量，所释放的能量包括电子本身的动能和阳极的逸出功，从而导致阳极温度升高；

正离子轰击阴极，从阴极上拉出电子与其复合成中性粒子，放出其电离能，从阴极上拉出电子需要克服逸出功，多余的能量可加热阴极或引起次电子发射，其中次电子发射是气体放电中一个非常重要的自由电子产生过程。

带电粒子在管壁上消失是指放电熄灭后的瞬间，由于电极间所加电场已消失，带电粒子不再受电场的作用，正离子与电子会从放电空间向管壁或电极表面扩散，并且会在管壁上复合，属于三体碰撞过程，在正常放电情况下，由于扩散，同样存在管壁复合；

管壁复合的过程中，由于电子运动速度大于正离子运动速度，所以电子最先到达管壁，并形成负电性表面，吸引正离子，最终形成中性粒子。由于管壁附近的带电粒子的相对运动速度较小，而复合放出的能量可以直接被管壁吸收，因此复合极易发生。

最典型的放电电极形式，一种是平行平板电极，即板电极直径远大于电极间距，另一种是放电电极间距很大的放电管，即荧光灯管或霓虹灯管。

综上，在高气压放电，由于空间带电粒子浓度高，复合就以空间复合为主；

低气压放电，由于空间带电粒子浓度低，复合就以表面复合为主。

在高频放电中，有时为了加速放电气体中带电粒子的消失，加入少量酒精或氧气、氯气等电负性气体，形成负离子，以促进正、负离子复合，以提高放电频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过对带电粒子的转化和衰减进行研究，证明了除电场加速的快电子碰撞中性粒子会产生电子和正离子，而这些带电粒子经过电场加速获取能量，继续与中性粒子碰撞又产生电子和正离子，这样会导致带电粒子浓度越来越大，直至完全电离之外，还有另一种过程使带电粒子减少，为后续如高气压放电和低气压放电提供研究方向。

附图说明

图1是电子复合种带电粒子数n随时间的变化情况图；

图2是行平板电极间的放电电极结构示意图；

图3是带电粒子随时间浓度的变化示意图；

图4是带电粒子浓度空间分布图；

图5是带电粒子浓度空间r向分布图。

具体实施方式

如附图所示，本发明提供的1)、气溶胶带电粒子的转化过程，

由于带电粒子占比例最大的是正离子和电子，所以带电粒子的电荷转移主要是正离子的电荷转移，其特征在于，离子的电荷转移主要包括平衡谐振电荷转移和非平衡谐振电荷转移两种，其中：

A、平衡谐振电荷转移：正离子与同类中性粒子碰撞发生电荷转移，加速的正离子从同类中性粒子中获得一个电子，形成高速运动的中性粒子，而中性粒子失去一个电子变成慢速正离子,由于二者具有相同的电离能，电荷转移不需要吸收或放出能量，容易满足符合能量守恒和动量守恒，所以发生电荷转移的几率大，正离子与同类中性粒子碰撞的电荷转移截面积达10

其中能量守恒是指正离子与同类中性粒子发生碰撞时，发生电荷转移的几率往往比弹性碰撞的几率大，从而导致放电等离子体中中性粒子的平均速度与同类正离子的平均速度接近，即同类中性粒子与正离子气体温度相同，电荷转移不需要吸收或放出能量。

B、非平衡谐振电荷转移：正离子与不同类型的中性粒子碰撞，也可能发生电荷转移，但是由于两粒子的电离能不相同，必须吸收或放出一定能量，这种电荷转移过程称为非平衡谐振电荷转移，如:

H

此过程为吸热过程，H电离能13.5eV，He电离能24.5eV，所以该过程需吸收ΔW＝11eV的能量方能满足电荷转移条件；

Ne+Ar→Ar

此过程为放热过程，Ne电离能21.6eV，Ar电离能15.7eV，所以在碰撞电荷转移过程中需放出ΔW＝0.59eV的能量，根据能量守恒，这部分能量转变为二粒子的平动动能。

显然，放出能量ΔW的碰撞电荷转移几率比吸收能量的碰撞电荷转移过程几率大；但是放出能量也需要一定的条件和机遇，所以放出能量的电荷转移过程的几率仍然小于平衡谐振电荷转移过程的几率，且需要放出的能量ΔW越小，碰撞电荷转移截面积q越大。

(2)、气溶胶带电粒子的衰减过程：

带电粒子的衰减过程主要有带电粒子的空间复合和带电粒子在电极或器壁上的消失，具体为：

C、带电粒子的空间复合：指空间两种不同符号的带电粒子发生电荷复合碰撞，转变为中性粒子的过程，主要包括：电子复合--电子与正离子的复合；离子复合--正、负离子的复合；

①、电子复合

电子与正离子复合时，正离子吸收一个电子结合成一个中性粒子，所放出的能量等于电子动能与电离能之和。

设电子质量为m

由碰撞前后的动量守恒：

由碰撞前后的能量守恒：

由式1得：

此过程无解，也就是说，电子与正离子复合，直接将电离能转变为平动动能的结合过程是不可能发生的。

实际的电子复合有如下两种过程：

c1、复合发光过程：

复合过程中剩余的能量可以以光辐射的形式放出来，则整个过程满足动量守恒和能量守衡，一般情况下，复合发光过程发生的几率是非常小的。

c2、三体碰撞复合：

在电子与正离子复合过程中，一个比较重要的过程是三体碰撞复合，电子与正离子复合所放出的能量由第三个碰撞粒子吸收，这样容易满足能量守恒和动量守恒；

其中第三个碰撞体可以是分子或原子，也可以是器壁，研究表明：三体碰撞的复合几率远大于发光复合几率，所以在电子复合中，主要的复合过程是三体碰撞的电子复合过程，电粒子在器壁和电极上的符合就属于三体碰撞复合；

在三体碰撞复合中，电子运动速度越大，作用时间越短，碰撞截面也就越小。

②、正、负离子的复合：

当正离子与负离子发生碰撞复合时，放出的能量应等于电离能与原子的电子亲合势之差，应该放出的这部分能量可以变成两粒子的平动动能，也可以变为某个粒子的内能使其激发，或者复合发光。

由于正、负离子的相对运动速度较小，所以离子复合的几率比电子复合的几率大得多，在电负性气体中，往往是电子先与中性粒子结合成负离子，然后负离子与正离子发生空间复合；

③、复合系数

在放电气体中，碰撞等过程会产生带电粒子，同时也存在带电粒子的复合，只是二者达到了一种动态平衡，而在放电结束的瞬间，产生电离的条件不再存在，就只剩下复合过程。

其中电子复合系数，在放电结束的瞬间，分别取电子浓度为n

其中Re表示电子复合系数，代表复合几率的大小；

在放电等离子体中有，上式可以写成：

积分得：-1/n＝-R

如附图1所示，由此可以得到带电粒子数n随时间的变化情况；

实际测量结果表明：电子复合系数Re一般为10

其中离子复合系数与处理电子复合一样，可得到离子浓度随时间的变化关系：

只是n、n

实验表明：离子复合系数在10

D、带电粒子在电极和管壁上的消失：

其中带电粒子在电极上的消失是指在气溶胶中的正离子在放电过程中向阴极运动，电子向阳极运动，二者消失在电极上，形成放电电流；

电子进入阳极并释放出能量，所释放的能量包括电子本身的动能和阳极的逸出功，从而导致阳极温度升高；

正离子轰击阴极，从阴极上拉出电子与其复合成中性粒子，放出其电离能，从阴极上拉出电子需要克服逸出功，多余的能量可加热阴极或引起次电子发射，其中次电子发射是气体放电中一个非常重要的自由电子产生过程。

带电粒子在管壁上消失是指放电熄灭后的瞬间，由于电极间所加电场已消失，带电粒子不再受电场的作用，正离子与电子会从放电空间向管壁或电极表面扩散，并且会在管壁上复合，属于三体碰撞过程，在正常放电情况下，由于扩散，同样存在管壁复合；

管壁复合的过程中，由于电子运动速度大于正离子运动速度，所以电子最先到达管壁，并形成负电性表面，吸引正离子，最终形成中性粒子。由于管壁附近的带电粒子的相对运动速度较小，而复合放出的能量可以直接被管壁吸收，因此复合极易发生。

最典型的放电电极形式，一种是平行平板电极，即板电极直径远大于电极间距，另一种是放电电极间距很大的放电管，即荧光灯管或霓虹灯管。

d1、平行平板电极间的电极表面复合：

如附图2所示，设电极极板直径R远大于放电间隙d，可以认为带电粒子浓度分布在R向无明显变化，只考虑两放电电极间带电粒子的变化情况；

在放电熄灭的瞬间，由于电子和正离子的扩散所造成的内建电场作用，构成了不稳定的双极扩散，含时扩散方程为：

其中D

n

因为带电粒子在电极极板表面复合，所以有

上式表明：

如附图3所示，放电空间任何一点处带电粒子浓度都将以e指数衰减，即有n(t)＝n

放电电极极板处的带电粒子浓度为0，电极间隔中心处带电粒子浓度最高，带电粒子浓度空间分布如附图4所示；

①将

即衰减常数τ正比于电极间距d的平方，反比于双极扩散系数D

d2、放电间隔很大的圆筒型放电管：

如荧光灯管、霓虹灯、小功率气体激光器，在这种情况下，带电粒子在管壁上的复合占主要作用，所以在该类型的放电中，主要考虑管壁上的带电粒子复合；

当r＝R时，

类似于前面求消电离时间常数，得

即放电管半径R↑，带电粒子消失速率↓，消电离时间常数τ↑。同样放电管内任何一点处的带电粒子浓度都随时间做e指数衰减。带电粒子浓度随时间、空间的变化规律为：

由上式可得：r＝0,t＝0时，n(0,0)＝n

实际的气体放电是带电粒子的产生和消失两过程的动态平衡，且带电粒子的复合也是多种多样的,在处理问题时，要看哪种复合占主要地位，而忽略其它次要形式，从而进行合理的近似处理。

综上，在高气压放电，由于空间带电粒子浓度高，复合就以空间复合为主；

低气压放电，由于空间带电粒子浓度低，复合就以表面复合为主。

在高频放电中，有时为了加速放电气体中带电粒子的消失，加入少量酒精或氧气、氯气等电负性气体，形成负离子，以促进正、负离子复合，以提高放电频率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。