低壓氣體直流擊穿特性DC?breakdown?characteristics?of?low?pressure?gas

學(xué)

院（系）：

建設(shè)工程學(xué)部

專

業(yè)：

土木工程

學(xué)

生

姓

名：

學(xué)

號：

任

課

教

師：

完

成日

期：

2016

XX大學(xué)

XXof

Technology

【引言】

氣體放電是指電場作用下在氣體中產(chǎn)生載流子并定向運動而導(dǎo)電的現(xiàn)象，其中，氣體原子或者分子等由于各種激勵作用過程而發(fā)生電離產(chǎn)生正負(fù)帶電粒子。不同激勵過程導(dǎo)致的氣體放電現(xiàn)象和特性不同。低氣壓氣體放電是研究最早、理論最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的放電形式。根據(jù)電離過程發(fā)生頻度的不同，氣體放電分為非自持放電和自持放電兩種模式，從非自持模式到自持模式的轉(zhuǎn)變稱為氣體擊穿。

1672年，Gottfried

Wilhelm首次在旋轉(zhuǎn)硫磺球上實現(xiàn)了人工條件下的電火花放電，揭示了氣體放電的本質(zhì)是氣體的導(dǎo)電過程；1802年彼得洛夫發(fā)現(xiàn)了電弧放電模式；1889年前后，物理學(xué)家帕邢（Paschen）對低氣壓氣體擊穿現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并在總結(jié)前人的大量實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了擊穿電壓與氣壓和電極間隙的實驗規(guī)律，稱為帕邢定律（Paschen’s

Law），至此，低氣壓氣體擊穿規(guī)律的研究獲得了實質(zhì)性進(jìn)展。1903年英國物理學(xué)家湯森（Townsend）提出了氣體擊穿的湯森機制，建立了湯森擊穿判椐。這一成果在解釋低氣壓氣體擊穿實驗規(guī)律方面獲得了巨大成功，至今，這一理論仍然是氣體放電理論的基礎(chǔ)。

【實驗摘要】

通過低氣壓直流輝光放電發(fā)生裝置，研究了氦氣的擊穿電壓與氦氣氣壓的關(guān)系，控制放電極板間隙及極板材質(zhì)不變，得到了氦氣的帕邢曲線，給出了氦氣的最小擊穿電壓和最佳擊穿條件，并討論最小電壓的成因。

【實驗原理與內(nèi)容】

1.實驗?zāi)康模?）了解真空條件的實現(xiàn)和低氣壓獲得方法，掌握測量擊穿電壓的電路技術(shù)。

（2）認(rèn)識低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象，研究放電條件與氣體擊穿電壓的關(guān)系，體會探索物理規(guī)律的實驗研究過程。

（3）

掌握帕邢定律和帕邢曲線。

2.實驗內(nèi)容

（1）認(rèn)識低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象．測量氬氣氣壓在（4-100Pa）范圍的擊穿電壓數(shù)據(jù)，繪制氬（氮）氣擊穿的帕邢曲線，找出最小擊穿電壓和最佳擊穿條件。

（2）了解湯森擊穿理論，理解帕邢曲線的物理意義，認(rèn)識帕邢曲線的普遍性．

3.實驗原理

（1）低氣壓氣體擊穿現(xiàn)象

常態(tài)下氣體是絕緣體，沒有載流能力。如果采用一定的激勵方式，使氣體中性粒子發(fā)生電離而形成正負(fù)帶電粒子，并且電離數(shù)量達(dá)到一定比例，氣體就具有了導(dǎo)電能力。如果同時施加電場，氣體中的帶電粒子就會定向遷移形成電流，即發(fā)生氣體放電現(xiàn)象。

低壓氣體放電分為自持放電和非自持放電兩種模式。非自持放電是指存在外在電離因素才能維持的放電，例如：用紫外光或者放射線照射氣體，使氣體電離而具有導(dǎo)電能力。如果撤去外電離因素，帶電粒子就會很快復(fù)合消失，放電便熄滅。自持放電是指沒有外電離因素，能夠在導(dǎo)電電場的支持下自主維持下去的放電過程。

在外電離因素支持下，氣體中會存在一定量的背景電離過程，因而含有一定濃度的帶電粒子，可以在外加電場作用下形成導(dǎo)電電流。隨著電場的增加，電流強度逐漸增加，當(dāng)電場強至一定值，氣體中的放電電流會突然迅速增加，即使撤去外電離源，放電仍能維持，即轉(zhuǎn)化成了自持放電，這種從非自持放電到自持放電的過度現(xiàn)象，即氣體的擊穿。氣體發(fā)生擊穿所需要的電場強度稱為擊穿場強，相應(yīng)的放電電壓稱為擊穿電壓。

（2）湯森（Townsend）放電理論

對氣體從非自持放電到自持放電的整個過程及現(xiàn)象，1903年前后，湯森（Townsend）首先進(jìn)行了詳細(xì)觀察分析研究，并提出了湯森（Townsend）放電和擊穿機制，建立了放電理論，這一類服從湯森（Townsend）放電機制的放電過程被總稱為湯森（Townsend）放電。湯森（Townsend）機制認(rèn)為：氣體放電的發(fā)生是氣體分子或原子被電離產(chǎn)生電子和離子的結(jié)果。在外加電場作用下，電離產(chǎn)生的電子可以被加速，獲得能量的電子又可以增強氣體的電離，從而發(fā)生雪崩電離產(chǎn)生電子倍增過程，而離子在獲得能量后可以轟擊陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射以補足電子的損耗。氣體擊穿就是二次電子發(fā)射和電子雪崩電離共同發(fā)生而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。湯森（Townsend）引入了a過程和g

過程描述電子雪崩電離和二次電子發(fā)射。

根據(jù)湯森（Townsend）理論，氣體擊穿過程包括以下步驟：由于宇宙射線的作用，氣體中總存在一定量電離事件，即背景電離。當(dāng)外加電場較小時，只是背景電離能夠產(chǎn)生載流子，并被外加電場驅(qū)動而遷移，形成電流，電流密度很低并且空間分布均勻，電流強度隨電壓線性增加，并逐漸趨于飽和。這是一種暗放電，因為帶電粒子的定向運動沒有引起電離和發(fā)光過程，放電區(qū)域不發(fā)光。隨著電場的繼續(xù)增加，電子逐漸獲得了更高能量從而發(fā)生電子碰撞電離使電子數(shù)量進(jìn)一步提高，導(dǎo)致電流迅速增長。同時，電子碰撞過程也產(chǎn)生原子分子的激發(fā)而發(fā)光，放電便不再是暗放電。光子照射陰極表面發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生陰極電子發(fā)射，使得電子密度進(jìn)一步增加。電離過程也產(chǎn)生離子，并向陰極加速移動。隨著電場增強，離子撞擊陰極的能量也增加。當(dāng)電場達(dá)到足夠強時，離子轟擊可在陰極誘導(dǎo)二次電子發(fā)射，這一過程稱為g

過程。g

過程極大提高了陰極發(fā)射電子能力。若陰極發(fā)射足夠強，氣體放電便自持而發(fā)生擊穿。

由此，建立起湯森（Townsend）擊穿條件，如下

[1]：

其中a和g是a過程和g過程的湯森（Townsend）系數(shù)，也稱為湯森（Townsend）第一電離系數(shù)和第三電離系數(shù)，d是放電電極間隙。

（3）帕邢（Paschen）定律與帕邢（Paschen）曲線

放電電極間的電場增加時，放電電流隨之增加，當(dāng)電壓增至一定值時，放電電流突然增加，放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿址烹?，氣體發(fā)生擊穿。臨界電壓稱為氣體擊穿電壓。氣體擊穿后，放電特性與電極形狀、間距、氣壓和外電路特性有關(guān)，可以呈現(xiàn)火花、電弧、電暈和輝光放電等不同放電模式。

1889年，Paschen通過實驗系統(tǒng)研究了低氣壓放電擊穿現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)：在平行板電極條件下，低氣壓氣體的擊穿電壓Vs是氣壓和電極間隙之積Pd（稱為帕邢參數(shù)，Paschen’s

Factor）的一元函數(shù)，并找到了多種氣體的擊穿電壓最小值。由此，Paschen建立了擊穿電壓與帕邢參數(shù)的實驗規(guī)律，稱為Paschen定律。

Paschen定律指出：擊穿電壓與Pd的函數(shù)規(guī)律在一定區(qū)間內(nèi)是線性的，但在另外一些區(qū)間是非線性的；并且在特定的Pd值時，擊穿電壓有極小值；對于所有的氣體，在低氣壓范圍內(nèi)，其擊穿電壓與Pd值的函數(shù)曲線具有相似性，這就是Paschen定律定律的普適性。

Paschen定律可以一定條件下利用Townsend理論加以解釋。根據(jù)擊穿條件34-1式，a和g決定擊穿電壓，此二者都與放電氣體和電極材料有關(guān)。在平行板電極位型中，放電間隙內(nèi)的電場可以視為均勻的．實驗研究發(fā)現(xiàn)a是氣壓P和場強（V/d）的函數(shù)：

其中A和B為實驗常數(shù)。

gg與電極材料和離子能量有關(guān)，在確定電極材料條件下，離子能量是唯一決定因素。實驗發(fā)現(xiàn)g與離子能量的關(guān)系表現(xiàn)出階段性，在二次電子發(fā)射的臨界離子能量附近，g與離子能量的關(guān)系很敏感，但是一旦離子能量遠(yuǎn)離了臨界值，g與離子能量幾乎無關(guān)。在氣體擊穿電壓的幅值量級內(nèi)，離子能量遠(yuǎn)大于臨界能量，因此在討論氣體擊穿規(guī)律時可以認(rèn)為g為常數(shù)，這樣擊穿條件可表示為：

這一結(jié)果表明擊穿電壓僅是Pd的函數(shù)，這一結(jié)論與Paschen定律一致。

由于

A、B

和g等常數(shù)與氣體種類和電極材料有關(guān)，因此研究不同氣體的帕邢曲線很有意義。

【實驗儀器設(shè)備及功能】

1.低氣壓直流輝光放電發(fā)生裝置：該裝置有四個功能部分構(gòu)成：（1）放電管：用于實現(xiàn)氬氣的擊穿和放電。（2）放電電源：可以提供0-1000V的可調(diào)電壓輸出，為放電管提供電場。（3）氬氣的送氣與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及氣壓測量。（4）基于二極管導(dǎo)通特性的擊穿電壓測量系統(tǒng)。除此之外，為了保持放電管的溫度恒定，必須對放電電極實施冷卻，裝置還附帶了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

2.氬氣的控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)：為實驗提供氬氣，調(diào)節(jié)放電管的氣壓。

3.直流數(shù)字電壓表：讀取二極管兩端和氣體兩端電壓。

4.多量程電流計：測量通過氣體的電流。

【實驗方法與步驟】

1.總體方法

本次實驗主要是測量氬氣在4-100Pa氣壓下所對應(yīng)的擊穿電壓，用所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行描點，然后擬合出帕邢曲線。測量時，將氣壓穩(wěn)定在一個值，然后不斷增大兩極的電壓，直至顯示二極管兩端的電壓發(fā)生突變，記下突變前的兩極電壓，即作為該氣壓下氬氣的擊穿電壓，每一個氣壓對應(yīng)測量三次，取平均值即為該氣壓下氬氣的擊穿電壓。

2.實驗步驟

【1】測量兩電極間距.【2】檢查放電管與電源之間的電路連接是否可靠；電源調(diào)壓旋扭是否最小位置；氣體流量調(diào)節(jié)旋扭是否最小位置．

【3】打開電源開關(guān)；開啟循環(huán)水泵，檢查循環(huán)水是否正常

【4】打開真空計開關(guān)．

【5】開啟機械泵，抽真空至2Pa左右，大約需要15分鐘．

【6】調(diào)節(jié)減壓閥，使得流量計前氣壓在0-1大氣壓之間．

【7】調(diào)節(jié)流量計的通氣流量，至放電管內(nèi)氣壓增加至20Pa．

【8】功能選擇開關(guān)調(diào)至《擊穿電壓》測量檔

【9】打開高壓電源開關(guān)。

【10】調(diào)節(jié)電源的電壓輸出，可以快速快速升高電壓，直至氣體發(fā)生擊穿，確定氣體擊穿電壓的大概值。

然后降低電壓至零，再次升高電壓，可以將電壓快速增至略低于之前確定的擊穿電壓，可以低于20-30V，然后緩慢升高電壓，直至發(fā)生擊穿，讀取擊穿時的電壓。記錄氣壓和電壓的數(shù)值。然后，把電壓降至50V以下。為下一次測量做好準(zhǔn)備。

注意：(a)

增加電壓的過程中，密切觀察放電管電壓表頭和擊穿電壓表頭的示數(shù)。

(b)

每個氣壓下，至少要重復(fù)3次測量，以三次擊穿電壓測量值之間的偏差不大于5%可認(rèn)為是成功測量，以得到可靠擊穿電壓。

(c)

在氣壓較高時，擊穿后，放電管的電壓會有明顯下降，這是因為回路電流增加后，電源輸出電壓下降所致。所以擊穿瞬間的放電管電壓為氣體擊穿電壓。

【11】增加氣體流量，使氣壓升高至30Pa左右,重復(fù)【10】的測量。

【12】依次增加氣體流量，每次增加10Pa左右，重復(fù)【10】。直至氣壓達(dá)到100Pa。得到9組實驗數(shù)據(jù)即可。

【13】減小氣體流量，使氣壓至20Pa左右，重復(fù)【10】，對比兩次測量的擊穿電壓的差別。

【14】依次減小氣壓，每隔2Pa左右重復(fù)一次測量，直至4Pa。只要測得8組數(shù)據(jù)即可。

【15】實驗完畢后，調(diào)節(jié)氣體流量控制旋鈕至最小位置，調(diào)節(jié)電壓至最小值，依次關(guān)閉電壓、機械泵、冷卻水，電源開關(guān)。

【實驗數(shù)據(jù)與分析】

兩極間距d=6.8cm

氬氣擊穿U-P*d數(shù)據(jù)表（4-20V）

氬氣擊穿U-P*d數(shù)據(jù)表（20-80V）

備注：本次實驗中，由于初期考慮不周，未對質(zhì)量流量計的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行檢驗，所以到后期無法將氣壓調(diào)節(jié)到80pa以上，不得不調(diào)節(jié)隔膜閥，來達(dá)到調(diào)節(jié)壓強的目的，但是調(diào)節(jié)隔膜閥會對實驗結(jié)果造成一定的影響，以至于后兩組數(shù)據(jù)（90V、100V）無法使用。

氬氣帕邢曲線（散點圖）

氬氣帕邢曲線（曲線圖）

【實驗結(jié)果與討論】

1.根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出的帕邢曲線（如圖）

2.帕邢曲線分析

由圖得，P*d=61.2時有最低擊穿電壓311V，此時氣體電壓為9Pa。即，最佳擊穿條件為P=9Pa，最小擊穿電壓為311V。

3.帕邢曲線成因分析

1.物理分析:

這個實驗過程中控制d不變。

當(dāng)P特別小時，電子在電極問飛過發(fā)生碰撞次數(shù)太少，因電離次數(shù)太少，放大倍數(shù)也太少，為實現(xiàn)擊穿，極間電壓必須特別大。在前期P從極小開始增加，一方面帶電粒平均自由程縮短，另一方面帶電粒子在兩電極間渡越時所發(fā)生碰撞次數(shù)增多，有利于放電，擊穿電壓值逐漸減小，因此存在最低點Vmin

P繼續(xù)增大時，粒子密度增大，粒子在極間運動，發(fā)生彈性碰撞次數(shù)太多，電子損失能量過多，也不利于產(chǎn)生碰撞電離，極間電子雪崩增長更少，所以擊穿電壓增大。

2數(shù)學(xué)分析：

氣體被擊穿時滿足湯森擊穿條件：

1+γ=γeαd。

其中α和γ是α過程和γ過程的湯森系數(shù)，d是放電電極間隙。γ是與電極材料和離子能量有關(guān)的，與壓強P無關(guān)。α是氣壓P和場強（V/d）的函數(shù)：

α=AΡe-BPd/V

其中A和B為實驗常數(shù)。

因此，由湯森擊穿條件可知，在本實驗中α達(dá)到一個定值時，氣體就會發(fā)生擊穿。從而得到：

Vs=BPdln?(APdln?(1+1/γ))

由函數(shù)單調(diào)性可以推斷出：擊穿電壓先隨著pd增大而減小，直到達(dá)到極小值，再隨著pd增大而增大。

【思考題】

1.擊穿電壓是氣體擊穿發(fā)生的電壓，放電的熄滅電壓為什么與擊穿電壓不同？

答：熄滅電壓是擊穿之后再減小電壓，直到放電結(jié)束的那個電壓，而擊穿電壓是放電從非自持狀態(tài)過度到自持的那個電壓，熄滅電壓的環(huán)境是存在了很多很多的電子離子，而擊穿過程發(fā)生在電子數(shù)不斷增加的過程，因而需要電壓不斷增高，以積累足夠電荷，以至電荷產(chǎn)生的電場影響了外加電場，故擊穿電壓要高于熄滅電壓。

2.簡述判斷擊穿的方法。你對提高實驗中擊穿判斷精度還有什么建議。

答：氣體擊穿后電路中形成電流，使二極管流過的電流迅速增大，電壓表示數(shù)顯著增大從而判斷擊穿?？蛇M(jìn)行多次測量，舍去不合理數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)之間的差值要控制在數(shù)據(jù)的5%以內(nèi)，最后將合理的數(shù)據(jù)求平均，即為最后的該壓強下的擊穿電壓。

個人建議：因為氣體擊穿后電路中形成電流，使二極管流過的電路迅速向增大，可使兩人同時觀察電流表電壓表，增加判斷準(zhǔn)確性。

3、第一組數(shù)據(jù)為什么從20pa開始測量？而且為什么首先向氣壓較高方向繼續(xù)測量？

答：20Pa左右將出現(xiàn)最低擊穿電壓，往高氣壓測量是為了稀釋空氣的同時盡量排出空氣，減小空氣成分的影響，使管內(nèi)氣體盡量接近真空。

4、為什么在20pa以上氣壓范圍內(nèi)的增加間隔大于20Pa以下氣壓范圍的間隔？

答：20Pa以下測量時，擊穿電壓變化幅度較小，為了精確測量，不能大幅度改變氣壓。

5、重復(fù)測量20Pa的擊穿電壓，有所不同，什么原因？

答：真空泵不斷抽氣，氦氣的濃度和氣壓發(fā)生變化，并且每次實驗后都將留下已經(jīng)電離出來的離子，影響接下來的實驗。

6、較高氣壓時，氣體擊穿后放電管電壓為什么會突然下降？

答：擊穿后電流自動增加，放電電壓借助回路自動調(diào)整，特別是亞輝光放電模式下伏安特性呈現(xiàn)負(fù)阻性導(dǎo)致電壓降低，類似自感現(xiàn)象。

7、每次重復(fù)測量之前，為什么把電源電壓調(diào)至50V以下？

答：為了保證前一次擊穿放電熄滅，盡可能去除已經(jīng)電離的離子。

【實驗心得與感悟】

本次實驗中，由于初期考慮不周，未對質(zhì)量流量計的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行檢驗，所以到后期無法將氣壓調(diào)節(jié)到80pa以上，不得不調(diào)節(jié)隔膜閥，來達(dá)到調(diào)節(jié)壓強的目的，但是調(diào)節(jié)隔膜閥會對實驗結(jié)果造成一定的影響，以至于后兩組數(shù)據(jù)無法使用，造成了很大的遺憾。

第一組數(shù)據(jù)從20Pa開始測量，而且繼續(xù)測量氣壓較高的地方。因為剛開始空氣在管內(nèi)部仍有殘留，若從4Pa左右的氣壓條件開始測量，會造成氬氣不純，影響實驗結(jié)果。若從100Pa開始測量，會造成儀器打開不久就經(jīng)歷高壓發(fā)熱，易減損儀器壽命。而20Pa左右出現(xiàn)了最低擊穿電壓，繼續(xù)向高氣壓方向進(jìn)行是為了減小管內(nèi)氣體成分的影響，并在高氣壓實驗過程中把管內(nèi)空氣稀釋，盡量接近真空?？梢姡粋€實驗的步驟設(shè)計是要全方位，多因素考慮，不得有半點馬虎?？紤]不周，會造成很大的誤差。

在調(diào)節(jié)20-4Pa氣壓的時候難度比20-100Pa的大，所以需要更加耐心和認(rèn)真。調(diào)節(jié)氣壓穩(wěn)定后才可轉(zhuǎn)動電壓調(diào)節(jié)鈕，開始測量此時的擊穿電壓。

在測量20-4Pa氣壓所對應(yīng)的擊穿電壓時，每次讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都是一閃而過，所以一定要仔細(xì)，最好是兩人配合，一個人看二極管兩端電壓值，一個人看氣體兩端電壓值。在測量20-100Pa氣壓所對應(yīng)的擊穿電壓時，可直接憑借氣體兩端電壓的突變，讀出數(shù)值，可一人進(jìn)行讀數(shù)操作。

氣體擊穿的判斷，除二極管方法之外，也可以根據(jù)放電電流的突變進(jìn)行。氣體的擊穿和放電熄滅是不可逆的，擊穿之后，可以進(jìn)行熄滅電壓的測量，研究熄滅電壓與擊穿電壓的差別。

參考文獻(xiàn)：

[1]余虹,張家良,等.大學(xué)物理實驗.北京：科學(xué)出版社2011：195~199.[2]徐學(xué)基,氣體放電物理學(xué).上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2003.大lian理工大學(xué)大物實驗報告（論文）