低氣壓擊穿電壓物理實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告

1、低氣壓氣體直流擊穿特性及伏安特性大 連 理 工 大 學(xué)本科實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告課程名稱(chēng)： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 學(xué) 院： 化工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 化工與制藥（大類(lèi)）班 級(jí)： 化工1212 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 2014 年 04 月 15 日低氣壓氣體直流擊穿特性及伏安特性 低壓氬氣的直流擊穿特性摘要：氣體放電是指電場(chǎng)作用下氣體中產(chǎn)生載流子而導(dǎo)電的現(xiàn)象，是氣體原子或分子因?yàn)殡婋x產(chǎn)生帶電粒子的結(jié)果。不同電離過(guò)程產(chǎn)生的放電現(xiàn)象和特性不同。低氣壓氣體放電是研究最早、理論最成熟、應(yīng)用最廣泛的放電形式。根據(jù)維持機(jī)理的不同，低壓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(chēng)為氣體擊穿。1672 年，

2、Gottfried Wilhelm 首次在旋轉(zhuǎn)硫磺球上實(shí)現(xiàn)了人工電火花放電，揭示了氣體放電的物理本質(zhì)；1802 年彼得洛夫?qū)崿F(xiàn)了電弧放電；1889 年前后，物理學(xué)家帕邢（Paschen）對(duì)低氣壓氣體擊穿過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)前人的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了關(guān)于擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，稱(chēng)為帕邢定律（Paschens Law），低氣壓氣體擊穿規(guī)律的研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1903 年英國(guó)物理學(xué)家湯森（Townsend）提出了湯森擊穿機(jī)制，建立了湯森擊穿判據(jù)，在解釋帕邢定律（Paschens Law）方面獲得巨大成功，至今，仍然是氣體放電理論的基礎(chǔ)。通過(guò)低氣壓直流輝光放電發(fā)生裝置，研究了氬氣的氣壓與擊穿電

3、壓的關(guān)系，了解低氣壓的實(shí)現(xiàn)和維持方法，掌握氣體壓強(qiáng)的測(cè)量方法。了解低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象，掌握氣體擊穿的判定方法，研究放電條件與擊穿電壓的關(guān)系，體會(huì)實(shí)驗(yàn)探索物理規(guī)律的研究過(guò)程。探索帕邢定律（Paschens Law）的局限性在放電極板間隙及極板和材質(zhì)不變的情況下，得到了氬氣的帕邢曲線(xiàn)，給出了氬氣的最小擊穿電壓和最佳擊穿條件。 理解湯森擊穿理論，掌握帕邢曲線(xiàn)的物理意義，認(rèn)識(shí)帕邢曲線(xiàn)的普遍性。關(guān)鍵詞：湯森擊穿判據(jù)、帕邢定律、放電擊穿、擊穿電壓、直流輝光放電。一、實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)原理常態(tài)下氣體是絕緣體，不導(dǎo)電，但是如果有一定的外界條件，使氣體中性粒子發(fā)生電離，并且數(shù)量達(dá)到一定的比例，在外加電場(chǎng)

4、的情況下就會(huì)導(dǎo)電產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。其中又分為自持放電和非自持放電。放電電極間的電場(chǎng)增加時(shí)，放電電流隨之增加，當(dāng)電壓增至一定值時(shí)，放電電流突然迅速增加，放電轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿址烹姡瑲怏w發(fā)生擊穿。臨界電壓稱(chēng)為氣體擊穿電壓。氣體擊穿后，放電模式與電極形狀、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 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(chēng)為帕邢參數(shù)，Paschens 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)

5、的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，稱(chēng)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(xiàn)性的，但在另外一些區(qū)間是非線(xiàn)性的；并且在特定的Pd 值時(shí)，擊穿電壓有極小值；對(duì)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(xiàn)具有相似性，這就是Paschen 定律定律的普適性。 Paschen 定律定律可以利用Townsend 理論加以解釋。根據(jù)擊穿條件1-1 式，和直接決定擊穿電壓，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(chǎng)可以視為均勻的。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)是氣壓P 和場(chǎng)強(qiáng)（V/d）的函數(shù)：其中和為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。是與電極材料和離子能量有關(guān)的，在確定電極材料

6、條件下，離子能量是唯一決定因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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，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，與離子能量幾乎無(wú)關(guān)。在氣體擊穿現(xiàn)象發(fā)生的放電條件附近，離子能量遠(yuǎn)大于臨界能量，因此可以認(rèn)為為常數(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)，而且隨Pd 的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)帕邢曲線(xiàn)定性一致，因此Townsend 機(jī)制一定程度上可以解釋Paschen 定律。同時(shí)由于 A、B 和等常數(shù)與氣體種類(lèi)和電極材料有關(guān)，因此實(shí)驗(yàn)研究不同氣體的帕邢曲線(xiàn)仍有具有重要意義。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 實(shí)現(xiàn)低氣壓氣體直流擊穿過(guò)程。測(cè)量氬氣的帕邢曲線(xiàn)。2、

7、 理解湯森擊穿理論，掌握帕邢曲線(xiàn)的物理意義，認(rèn)識(shí)帕邢曲線(xiàn)的普遍性。二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置該裝置是一臺(tái)輝光放電綜合實(shí)驗(yàn)裝置，可以完成 4 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此在實(shí)驗(yàn)前面板上設(shè)有“工作選擇”開(kāi)關(guān)，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)設(shè)定在“擊穿電壓測(cè)量”一檔。該裝置有四個(gè)功能部分構(gòu)成：（1）放電管：用于實(shí)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(chǎng)。（3）氬氣的送氣與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及氣壓測(cè)量。（4）基于二極管導(dǎo)通特性的擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)。此外，為了保持放電管的溫度恒定，必須對(duì)放電電極實(shí)施冷卻，裝置還附帶了循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、實(shí)驗(yàn)方法（1）測(cè)量

8、氬氣在電極間隙為4-8cm， 氣壓在（3-100Pa）范圍內(nèi)的擊穿電壓數(shù)據(jù)。（2）繪制氬氣的帕邢曲線(xiàn)，找出最小擊穿電壓和最佳擊穿條件。2、實(shí)驗(yàn)步驟（1）測(cè)量?jī)呻姌O之間的實(shí)際間距。（2）檢查放電管與電源之間的電路連接是否可靠；電壓調(diào)節(jié)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)；開(kāi)啟循環(huán)水泵，檢查循環(huán)水是否正常（4）打開(kāi)真空計(jì)開(kāi)關(guān)。（5）開(kāi)啟機(jī)械泵，抽真空至2-3Pa，大約需要15 分鐘。（6）調(diào)節(jié)減壓閥，使得流量計(jì)前氣壓在0-1 大氣壓之間（指導(dǎo)教師準(zhǔn)備）。（7）調(diào)節(jié)流量計(jì)的通氣流量，至放電管內(nèi)氣壓為20Pa。（8） 試驗(yàn)儀的功能選擇開(kāi)關(guān)調(diào)至擊穿電壓測(cè)量檔（9） 打開(kāi)高壓

9、電源開(kāi)關(guān)。（10）調(diào)節(jié)電源的電壓輸出，可以快速增至200V，然后繼續(xù)緩慢升高電壓，直至氣體發(fā)生擊穿現(xiàn)象。讀取擊穿時(shí)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(cè)量做好準(zhǔn)備。在減小電壓的過(guò)程中注意觀察放電熄滅電壓，并注意其與擊穿電壓的差別。注意：(a) 增加電壓的過(guò)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(gè)氣壓下，至少要重復(fù)3 次測(cè)量，以三次擊穿電壓測(cè)量值之間的偏差不大于10%為成功測(cè)量，以得到可靠擊穿電壓。(c) 在氣壓較高時(shí)，擊穿前后，放電管的電壓會(huì)有明顯下降。接近擊穿時(shí)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,

10、 重復(fù)（10）的測(cè)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8 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可。（13）減小氣壓回復(fù)至20Pa 左右，重復(fù)（10）。（14）依次減小氣壓，每隔2-3Pa 測(cè)量一組數(shù)據(jù)，直至3Pa。測(cè)得6-7 組數(shù)據(jù)即可。（15）實(shí)驗(yàn)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(jī)械泵、冷卻水，電源開(kāi)關(guān)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析d=8、7cm由數(shù)據(jù)可知當(dāng)氣壓大于20Pa時(shí)擊穿電壓Us隨著Pd值上升而上升。由數(shù)據(jù)可知當(dāng)氣壓小于20Pa時(shí)擊穿電壓Us隨著Pd值下降而先下降后上升，于5、8Pa時(shí)轉(zhuǎn)變。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)合數(shù)據(jù)和

11、帕邢曲線(xiàn)可知，氬氣的最小擊穿電壓為284。3V, 氬氣在電極間隙為8。7cm時(shí)的最佳擊穿條件為氣壓為5。8Pa時(shí)。造成最小擊穿電壓原因：氬氣壓強(qiáng)太大或太小都不利于氣體起輝，當(dāng)壓強(qiáng)較大時(shí)，放電管內(nèi)中性粒子束較多，當(dāng)電壓較小時(shí)，已電離的粒子碰撞中性粒子，由于粒子在單位路程內(nèi)碰撞的粒子束多，很難使中性粒子電離，因此必須提高極板電壓，而當(dāng)氣體壓強(qiáng)過(guò)小時(shí)，帶電粒子碰撞中性粒子的概率大大降低，也很難起輝。六、分析討論題5、 重復(fù)測(cè)量20Pa 的擊穿電壓，會(huì)有所不同，什么原因？真空機(jī)不斷地進(jìn)行抽氣，最開(kāi)始測(cè)量時(shí)氬氣內(nèi)含有較多的空氣雜質(zhì)，對(duì)測(cè)量有較大的誤差，而第二次測(cè)量時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的抽氣，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)空氣成分極少，對(duì)于測(cè)量的誤差較