抵押氣體擊穿特性

1、 低壓氣體直流擊穿特性大連理工大學(xué)大物實(shí)驗(yàn)報(bào)告（論文）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： 張一鳴 學(xué) 號(hào)： 201451014 任 課 教 師： 楊楠楠 完 成 日 期： 2016.4.16 大連理工大學(xué)Dalian University of Technology【引言】氣體放電是指電場(chǎng)作用下在氣體中產(chǎn)生載流子并定向運(yùn)動(dòng)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(lì)作用過(guò)程而發(fā)生電

2、離產(chǎn)生正負(fù)帶電粒子。不同激勵(lì)過(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)律，稱為帕邢定律（Paschens L

3、aw），至此，低氣壓氣體擊穿規(guī)律的研究獲得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1903年英國(guó)物理學(xué)家湯森（Townsend）提出了氣體擊穿的湯森機(jī)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(shí)驗(yàn)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)?！緦?shí)驗(yàn)摘要】通過(guò)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?！緦?shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容】1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解真空條件的實(shí)現(xiàn)和低氣壓獲得方法，掌握測(cè)量擊穿電壓的電路技術(shù)。（2）認(rèn)識(shí)低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象，研究放電條件與氣體擊穿電

4、壓的關(guān)系，體會(huì)探索物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程。（3） 掌握帕邢定律和帕邢曲線。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）認(rèn)識(shí)低氣壓氣體直流擊穿現(xiàn)象測(cè)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(shí)帕邢曲線的普遍性3.實(shí)驗(yàn)原理（1）低氣壓氣體擊穿現(xiàn)象常態(tài)下氣體是絕緣體，沒(méi)有載流能力。如果采用一定的激勵(lì)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(shí)施加電場(chǎng)，氣體中的帶電粒子就會(huì)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

5、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(huì)很快復(fù)合消失，放電便熄滅。自持放電是指沒(méi)有外電離因素，能夠在導(dǎo)電電場(chǎng)的支持下自主維持下去的放電過(guò)程。在外電離因素支持下，氣體中會(huì)存在一定量的背景電離過(guò)程，因而含有一定濃度的帶電粒子，可以在外加電場(chǎng)作用下形成導(dǎo)電電流。隨著電場(chǎng)的增加，電流強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)至一定值，氣體中的放電電流會(huì)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(guò)度現(xiàn)象，即氣體的擊穿。氣體發(fā)生擊穿所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)，相應(yīng)的放電

6、電壓稱為擊穿電壓。（2）湯森（Townsend）放電理論對(duì)氣體從非自持放電到自持放電的整個(gè)過(guò)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(jī)制，建立了放電理論，這一類(lèi)服從湯森（Townsend）放電機(jī)制的放電過(guò)程被總稱為湯森（Townsend）放電。湯森（Townsend）機(jī)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(chǎng)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(qiáng)氣體的電離，從而發(fā)生雪崩電離產(chǎn)生電子倍增過(guò)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(bǔ)足電子的損耗。氣體擊

7、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(guò)程和g 過(guò)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(guò)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(chǎng)較小時(shí)，只是背景電離能夠產(chǎn)生載流子，并被外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)而遷移，形成電流，電流密度很低并且空間分布均勻，電流強(qiáng)度隨電壓線性增加，并逐漸趨于飽和。這是一種暗放電，因?yàn)閹щ娏Ｗ拥亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)沒(méi)有引起電離和發(fā)光過(guò)程，放電區(qū)域不發(fā)光。隨著電場(chǎng)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(zhǎng)。同時(shí)，電子碰撞

8、過(guò)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(guò)程也產(chǎn)生離子，并向陰極加速移動(dòng)。隨著電場(chǎng)增強(qiáng)，離子撞擊陰極的能量也增加。當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到足夠強(qiáng)時(shí)，離子轟擊可在陰極誘導(dǎo)二次電子發(fā)射，這一過(guò)程稱為g 過(guò)程。g 過(guò)程極大提高了陰極發(fā)射電子能力。若陰極發(fā)射足夠強(qiáng)，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(guò)程和g過(guò)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（Pasch

9、en）曲線放電電極間的電場(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(guò)實(shí)驗(yàn)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)，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)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，稱為Paschen定律。Paschen定律指出：擊穿

10、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(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(chǎng)可以視為均勻的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)a是氣壓P和場(chǎng)強(qiáng)（V/d）的函數(shù)： 其中A和B為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)g與離子能量的關(guān)系表現(xiàn)出階段性，

11、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(wú)關(guān)。在氣體擊穿電壓的幅值量級(jí)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(shí)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(lèi)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?！緦?shí)驗(yàn)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(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)

12、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)。除此之外，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)。2.氬氣的控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)：為實(shí)驗(yàn)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(jì)：測(cè)量通過(guò)氣體的電流?！緦?shí)驗(yàn)方法與步驟】1.總體方法本次實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量氬氣在4-100Pa氣壓下所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，用所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)，然后擬合出帕邢曲線。測(cè)量時(shí)，將氣壓穩(wěn)定在一個(gè)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(gè)氣壓對(duì)應(yīng)測(cè)量三次，取

13、平均值即為該氣壓下氬氣的擊穿電壓。2.實(shí)驗(yàn)步驟【1】測(cè)量?jī)呻姌O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(kāi)電源開(kāi)關(guān)；開(kāi)啟循環(huán)水泵，檢查循環(huán)水是否正?！?】打開(kāi)真空計(jì)開(kāi)關(guān)【5】開(kāi)啟機(jī)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(jì)前氣壓在0-1大氣壓之間【7】調(diào)節(jié)流量計(jì)的通氣流量，至放電管內(nèi)氣壓增加至20Pa【8】功能選擇開(kāi)關(guān)調(diào)至擊穿電壓測(cè)量檔【9】打開(kāi)高壓電源開(kāi)關(guān)?！?0】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

14、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(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。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5%可認(rèn)為是成功測(cè)量，以得到可靠擊穿電壓。(c) 在氣壓較高時(shí)，擊穿后，放電管的電壓會(huì)有明顯下降，這是因?yàn)榛芈冯娏髟黾雍螅娫摧敵鲭妷合陆邓?。所以擊穿瞬間的放電管電壓為氣體擊穿電壓?！?1】增加氣體流量，使氣壓升高至30Pa左右, 重復(fù)【10】的測(cè)量。【12】依次增加

15、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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可?！?3】減小氣體流量，使氣壓至20Pa左右，重復(fù)【10】，對(duì)比兩次測(cè)量的擊穿電壓的差別?！?4】依次減小氣壓，每隔2Pa左右重復(fù)一次測(cè)量，直至4Pa。只要測(cè)得8組數(shù)據(jù)即可?！?5】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)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析】?jī)蓸O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(shí)驗(yàn)中，由于初期考慮不周，未對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行檢驗(yàn)，所以到后期無(wú)法將氣壓調(diào)節(jié)到80pa以上

16、，不得不調(diào)節(jié)隔膜閥，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)壓強(qiáng)的目的，但是調(diào)節(jié)隔膜閥會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響，以至于后兩組數(shù)據(jù)（90V、100V）無(wú)法使用。氬氣帕邢曲線（散點(diǎn)圖）氬氣帕邢曲線（曲線圖）【實(shí)驗(yàn)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(shí)有最低擊穿電壓311V，此時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制d不變。當(dāng)P特別小時(shí)，電子在電極問(wèn)飛過(guò)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(shí)現(xiàn)擊穿，極間電壓必須特別大。在前期P從極小開(kāi)始增加，一方面帶電粒平均自由程縮短，另一方

17、面帶電粒子在兩電極間渡越時(shí)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(diǎn)VminP繼續(xù)增大時(shí)，粒子密度增大，粒子在極間運(yùn)動(dòng)，發(fā)生彈性碰撞次數(shù)太多，電子損失能量過(guò)多，也不利于產(chǎn)生碰撞電離，極間電子雪崩增長(zhǎng)更少，所以擊穿電壓增大。2數(shù)學(xué)分析：氣體被擊穿時(shí)滿足湯森擊穿條件： 1+=ed。其中和是過(guò)程和過(guò)程的湯森系數(shù)，d是放電電極間隙。是與電極材料和離子能量有關(guān)的，與壓強(qiáng)P無(wú)關(guān)。是氣壓P和場(chǎng)強(qiáng)（V/d）的函數(shù)：=Ae-BPd/V其中A和B為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。因此，由湯森擊穿條件可知，在本實(shí)驗(yàn)中達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，氣體就會(huì)發(fā)生擊穿。從而得到：Vs=BPdln(APdln(1+1/)由函數(shù)單調(diào)性可

18、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?！舅伎碱}】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(gè)電壓，而擊穿電壓是放電從非自持狀態(tài)過(guò)度到自持的那個(gè)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(guò)程發(fā)生在電子數(shù)不斷增加的過(guò)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(chǎng)影響了外加電場(chǎng)，故擊穿電壓要高于熄滅電壓。 2. 簡(jiǎn)述判斷擊穿的方法。你對(duì)提高實(shí)驗(yàn)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(guò)的電流迅速增大，電壓表示數(shù)顯著增大從而判斷擊

19、穿?？蛇M(jìn)行多次測(cè)量，舍去不合理數(shù)據(jù)，所測(cè)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(qiáng)下的擊穿電壓。 個(gè)人建議：因?yàn)闅怏w擊穿后電路中形成電流，使二極管流過(guò)的電路迅速向增大，可使兩人同時(shí)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(kāi)始測(cè)量？而且為什么首先向氣壓較高方向繼續(xù)測(cè)量？答：20Pa左右將出現(xiàn)最低擊穿電壓，往高氣壓測(cè)量是為了稀釋空氣的同時(shí)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(cè)量時(shí)，擊穿電壓變化幅度較小，為了精確測(cè)量，不能大幅度改變氣壓。5、重復(fù)測(cè)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(shí)驗(yàn)后都將留下已經(jīng)電離出來(lái)的離子，影響接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)。6、較高氣壓時(shí)，氣體擊穿后放電管電壓為什么會(huì)突然下降？答：擊穿后電流自動(dòng)增加，放電電壓借助回路自動(dòng)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(lèi)似自感現(xiàn)象。7、每次重復(fù)測(cè)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?！緦?shí)驗(yàn)心得與感悟】本次實(shí)驗(yàn)中，由于初期考慮不周，未對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行檢驗(yàn)，