Post By：2010-5-6 13:44:03
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气体放电中带电粒子运动的基本形式—迁移运动
青岛法兰克(Frank)微电子有限公司
合同能源管理机制推进事业部
高频光源事业部
高频光源设计工程师 韩俭荣
1360 630 6833
一、概述
气体放电中的带电粒子的基本运动共分三大类，即：热运动、迁移运动和扩散运动。扩散运动中，又包含自由扩散运动和双极性扩散运动两种运动形式。带电粒子的热运动和扩散运动中的自由扩散运动，属无电场空间里的运动。迁移运动和扩散运动中的双极性扩散运动，属有电场空间里的运动。
二、带电粒子在电场空间里的迁移运动特性分析
在荧光灯管两端加有电场时，荧光灯管内部就是一个有电场存在的空间。在有电场存在的空间中，带电粒子的运动不再是单一的运动，而是在热运动的基础上，又叠加上一个沿电场方向的定向运动的复合运动。带电粒子沿电场方向的定向运动称之为：带电粒子的迁移运动（亦称漂移运动）。
A、带电粒子分有：带正电的带电粒子和带负电的带电粒子。在电场的作用下，正负带电粒子分别作定向运动，带正电的带电粒子向阴极运动，带负电的带电粒子向阳极运动。
B、荧光灯管内部带电粒子的迁移运动，在放电回路形成电流。放电电流，正比于带电粒子的迁移运动速度。并且，使电极表面上的电荷密度发生变化。
C、带电粒子在迁移运动中，会与周围的各种粒子发生碰撞。每一次碰撞都会损失能量，和在电场方向上损失一部分速度，并且改变运动方向。
D、带电粒子在迁移运动中，形成电流的迁移运动速度，指的是沿电场方向测得的平均迁移运动速度。
E、带电粒子迁移运动中，其平均迁移运动速度，直接与电场强度有关，也与气体的热运动的速度有关。电场强度是主导因素。
F、为描述带电粒子的迁移运动状态，我们引入迁移率的概念。迁移率表征的是：在单位强度的电场作用下，带电粒子的迁移运动速度。这表明迁移运动速度与电场强度之间，存在着简单的比例关系。亦表明带电粒子的迁移运动状态，是可以通过电场强度这个物理量实现控制的。
J、概括的讲，在气体放电中，带电粒子的迁移运动速度，正比于电场强度和迁移率，反比于其质量和平均热运动速度。（青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有人将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。）
在气体放电中，带正电的带电粒子是正离子，带负电的带电粒子有电子和负离子。在有电场存在的空间中，正负带电粒子的运动特性有较大差异。我们应该把握的主要矛盾是：谁是气体放电回路中，形成电流的主要贡献者？进而把握电场强度与其作用的本质规律。
（一）、离子的迁移运动特性分析
在电场作用下，离子既可以在同种气体中做迁移运动，又可以在其它气体中做迁移运动。这两种情况下，电场与离子的作用规律是有差异的。所以，如果是要进行量化分析计算，就应该分别进行分析讨论。但是，两种情况下的基本规律是相同的。
1、在电离气体中，离子的迁移运动，直接与电场强度有关，也与平均热运动的速度、离子的平均自由程、质量等因素有关。电场强度的作用仍然占主导地位。
2、为描述离子的迁移运动状态，我们根据迁移率的概念，引入离子迁移率的概念。
在外加电场很弱（E/P很小）的条件下，离子迁移率是离子平均自由程、平均热运动速度、离子质量的函数。离子迁移率：与离子平均自由程成正比，反比于平均热运动速度和离子质量。
3、这表明：在外加电场很弱（E/P很小）的条件下，离子迁移率与电场强度无关。但是在实际中，外加电场多数情况下不是很弱（E/P很小）的。当外加电场不是很弱（E/P很小）的时候，离子迁移率就是一个与电场强度有关的物理量。
离子迁移率就变成是：
电场强度、离子平均自由程、平均热运动速度、离子质量的函数。这其中，离子平均自由程和平均热运动速度是和气体压力有关的物理量。当空间和温度一定时，离子平均自由程和平均热运动速度决定于气体压力。
4、在实际生产中，电场强度（E）和气体压力（P）是两个紧密关联的物理量。通常将电场强度（E）和气体压力（P）的比值=E/P作为一个综合因子，来分析它对离子迁移运动状态的作用规律。（青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有人将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。）
5、以荧光灯管中常用的工作气体氩（Ar）为例，其离子的迁移率与E/P的作用个规律，在E/P的很小的范围内是常数。但是在E/P超过一定值后，是成反比关系的。即：E/P越大，离子的迁移率就越小。其作用规律的曲线，是一条沿某指数规律下降的曲线。
6、在了解了离子迁移率的物理意义后，对离子的迁移运动状态的分析就相对简要的多。在电离气体中，离子的迁移运动速度：正比于外加电场强度和离子迁移率。这个结论已经为实验所验证。
7、这个结论告诉我们：在荧光灯管的实际生产中，完全可以通过控制离子迁移率，实现对离子的迁移运动状态的控制。进而控制荧光灯管的宏观技术特性和技术品质。
8、这个结论告诉我们：在荧光灯的实际生产中，完全可以通过控制外加电场强度，实现对离子的迁移运动状态的控制。进而控制荧光灯的宏观技术特性和技术品质。
（二）、电子的迁移运动特性分析
电子在电场中的迁移运动，因电子自身特性的因素表现出一系列的特点。
第一、电子的质量比离子的质量小很多，在同等温度条件下，电子的平均热运动速度，比原子和离子大几个数量级。如电子是氢原子的43倍，为汞原子的600倍。
第二、在电子与原子和离子做弹性碰撞时，每次碰撞电子只是损失一小部分动能，电子仍具有很大的动能。
第三、电子从电场获得能量，会远远大于它的平均热运动能量。
第四、因此，电子在电场的作用下，在每次碰撞后继续运动时，电子的能量就会积累起来。
第五、在电场的作用下，电子的迁移运动速度，将远远大于它的平均热运动速度，也远远大于离子的迁移运动速度。
第六、电子与原子和离子的碰撞截面，与离子与原子的碰撞截面相比较是有很大差异的。这种碰撞截面的差异，对电子的迁移运动速度有很大的影响。
第七、因此，电子在迁移运动中，电子与原子和离子的发生碰撞，就不能简单地看作仅是弹性碰撞。
第八、在电离气体中，电子的迁移运动，直接与电场强度有关，也与平均热运动的速度、平均自由程等因素有关。电场强度的作用仍然占主导地位。
第九、为描述电子的迁移运动状态，我们根据迁移率的概念，引入电子迁移率的概念。电子迁移率是：电子平均自由程和电场强度的函数。
第十、电子平均自由程是和气体压力有关的物理量。当空间和温度一定时，平均自由程决定于气体压力。在实际生产中，电场强度（E）和气体压力（P）是两个紧密关联的物理量。通常将电场强度（E）和气体压力（P）的比值=E/P作为一个综合因子，来分析它对电子迁移运动状态的作用规律。
第十一、电子迁移率是一个与电场强度有密切关系的物理参量，即便是在E/P很小的条件下，电子迁移率不再是一个常数。有实验验证：电子迁移率随E/P增大而减小。电子迁移率是一个随电场强度变化范围很大的一个函数。（青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有人将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。）
第十二、在E/P很高的条件下，电子在迁移运动中，会与其它离子和原子发生非弹性碰撞。发生非弹性碰撞时，电子的动能、离子和原子的内能都变化很大，电子的迁移率亦会降低。
第十三、在了解了电子迁移率的物理意义后，对电子的迁移运动状态的分析就相对简要的多。在实际的电离气体中，电子的迁移运动速度：随E/P增大而增大；随电子迁移率增大而增大。
第十四、这个结论告诉我们：在荧光灯管的实际生产中，完全可以通过控制电子迁移率，实现对电子的迁移运动状态的控制。进而控制荧光灯管的宏观技术特性和技术品质。
这个结论告诉我们：在荧光灯的实际生产中，完全可以通过控制外加电场强度，实现对电子的迁移运动状态的控制。进而控制荧光灯的宏观技术特性和技术品质。
三、气体放电回路中形成电流的主要贡献者----电子的迁移运动
电子在电场的作用下，在每次碰撞后继续运动时，电子的能量是积累起来。导致电子的迁移运动速度，远远大于它的平均热运动速度，也远远大于离子的迁移运动速度。
因此，电子的迁移运动----是气体放电回路中形成电流的主要贡献者。
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