低压气体直流击穿特性实验论文.docx
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低压气体直流击穿特性实验论文
低压气体直流击穿特性实验论文
低压气体直流击穿特性实验论文
班级：
电信1302姓名：
李彤学号：
201383081
摘要：
本次实验使用低气压直流辉光放电发生装置，通过观察二极管压降判断气体击穿，测量了氩气在电极间隙为8.40cm，气压在10-100Pa内均匀分布的气体直流击穿电压和气压在10-4Pa内均匀分布的气体击穿电压数据（每组数据含三次偏差不大于5%击穿电压测量值），绘制出了氩气的帕邢曲线，并在曲线上找出了最佳击穿条件和最小击穿电压。
从实验中进一步认识了低气压气体直流击穿现象，进一步掌握了汤森击穿理论和帕邢曲线的物理意义。
关键词：
低气压；直流击穿；帕邢曲线
一、实验目的与原理
1.实验目的
（1）了解真空条件的实现和低气压获得方法，掌握测量击穿电压的电路技术。
（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿电压的关系，体会探索物理规律的实验研究过程。
（3）掌握帕邢定律和帕邢曲线。
2.实验原理
（1）低气压气体击穿现象
电场驱动而迁移，形成电流，电流密度很低并且空间分布均匀，电流强度随电压线性增加，并逐渐趋于饱和。
这是一种暗放电，因为带电粒子的定向运动没有引起电离和发光过程，放电区域不发光。
随着电场的继续增加，电子逐渐获得了更高能量从而发生电子碰撞电离使电子数量进一步提高，导致电流迅速增长。
同时，电子碰撞过程也产生原子分子的激发而发光，放电便不再是暗放电。
光子照射阴极表面发生光电效应，产生阴极电子发射，使得电子密度进一步增加。
电离过程也产生离子，并向阴极加速移动。
随着电场增强，离子撞击阴极的能量也增加。
当电场达到足够强时，离子轰击可在阴极诱导二次电子发射，这一过程称为γ过程。
γ过程极大提高了阴极发射电子能力。
若阴极发射足够强，气体放电便自持而发生击穿。
由此，建立起汤森（Townsend）击穿条件，如下[1]：
（34-1）
其中α和γ是α过程和γ过程的汤森（Townsend）系数，也称为汤森（Townsend）第一电离系数和第三电离系数，d是放电电极间隙。
（3）帕邢（Paschen）定律与帕邢（Paschen）曲线
放电电极间的电场增加时，放电电流随之增加，当电压增至一定值时，放电电流突然增加，放电转变为自持放电，气体发生击穿。
临界电压称为气体击穿电压。
气体击穿后，放电特性与电极形状、间距、气压和外电路特性有关，可以呈现火花、电弧、电晕和辉光放电等不同放电模式。
1889年，Paschen通过实验系统研究了低气压放电击穿现象，发现：
在平行板电极条件下，低气压气体的击穿电压Vs是气压和电极间隙之积Pd（称为帕邢参数，Paschen’sFactor）的一元函数，并找到了多种气体的击穿电压最小值。
由此，Paschen建立了击穿电压与帕邢参数的实验规律，称为Paschen定律。
Paschen定律指出：
击穿电压与Pd的函数规律在一定区间内是线性的，但在另外一些区间是非线性的；并且在特定的Pd值时，击穿电压有极小值；对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd值的函数曲线具有相似性，这就是Paschen定律定律的普适性。
Paschen定律可以一定条件下利用Townsend理论加以解释。
根据击穿条件34-1式，α和γ决定击穿电压，此二者都与放电气体和电极材料有关。
在平行板电极位型中，放电间隙内的电场可以视为均匀的．实验研究发现α是气压P和场强（V/d）的函数：
（34-2）
其中A和B为实验常数．
γ与电极材料和离子能量有关，在确定电极材料条件下，离子能量是唯一决定因素。
实验发现γ与离子能量的关系表现出阶段性，在二次电子发射的临界离子能量附近，γ与离子能量的关系很敏感，但是一旦离子能量远离了临界值，γ与离子能量几乎无关。
在气体击穿电压的幅值量级内，离子能量远大于临界能量，因此在讨论气体击穿规律时可以认为γ为常数，这样击穿条件可表示为：
（34-3）
这一结果表明击穿电压仅是Pd的函数，这一结论与Paschen定律一致。
由于A、B和γ等常数与气体种类和电极材料有关，因此研究不同气体的帕邢曲线很有意义。
二、实验内容与方法
1.实验内容
（1）设定电极间隙在8-9cm之间，测量氩气气压在（4-100Pa）范围的击穿电压数据。
（2）计算帕邢参数，绘制氩气的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件。
2.实验仪器的组成和功能
（1）低气压直流辉光放电发生装置：
提供气体放电的场所，为气体放电提供电压。
（2）氩气的控制与调节系统：
为实验提供氩气，调节放电管的气压。
（3）直流数字电压表：
读取二极管两端和气体两端电压。
（4）多量程电流计：
测量通过气体的电流。
3.测量方法和要求
极板间隙的测量可借助放电管上的刻度，或者用尺子测量，单次测量即可。
测量击穿电压分两个部分测量，以10Pa为分隔。
测量右半支时，5Pa为间隔，测量左半支时，2Pa为间隔。
为提高测量效率，可在正式测量前通过快速快速升高电压，直至气体发生击穿，确定气体击穿电压的大概值，然后降低电压至零，将电压快速增至略低于之前确定的击穿电压，然后缓慢升高电压，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数，直至发生击穿，读取击穿时的电压。
记录气压和电压的数值。
然后，把电压降至50V以下。
为下一次测量做好准备。
为减小误差，每个气压下需要进行三次击穿电压测量，且三次测量结果的误差不超过5%。
每次测量前，要等待气压稳定，接近击穿时,电压调节要缓慢。
注意在击穿瞬间读取击穿电压，并且每次测量都应使放电管内气体回到稳定状态，读取电压结束后，立即降低电压至50V以下。
三、实验步骤与数据
1.实验步骤
（1）测量极板间距
通过放电管上刻度即可读取电极间距，单次测量。
（2）测量不同气压下击穿电压
打开保护开关，打开电源开关，开启循环水泵，检查循环水是否正常。
打开真空计开关，并开启机械泵，抽真空至2Pa左右。
此后在实验结束之前不能关闭机械泵。
以确保试验正常进行.
缓慢调节流量计的通气流量，至放电管内气压增加至10Pa。
选择击穿电压测量档，打开高压电源开关。
为提高测量效率，可在正式测量前通过快速快速升高电压，直至气体发生击穿，确定气体击穿电压的大概值，然后降低电压至零，将电压快速增至略低于之前确定的击穿电压，然后缓慢升高电压，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数，直至发生击穿，读取击穿时的电压。
记录气压和电压的数值。
然后，把电压降至50V以下。
为下一次测量做好准备。
在该气压下，重复三次测量。
结束之后依次增加气体流量，每次增加5Pa左右，重复上述测量步骤，直至气压达到100Pa。
在测量左半支时，减小气体流量，使气压至10Pa左右，重复上述测量步骤。
依次减小气压，每隔2Pa左右重复一次测量，直至4Pa。
实验完毕后，调节气体流量控制旋钮至最小位置，调节电压至最小值，按照先开后关的原则依次关闭电压、机械泵、冷却水，电源开关。
2.实验数据及分析
放电间隙d=8.40cm
实验数据以及根据测量结果计算的帕邢参数如下表：
气体压强/（pa）
4
6
8
10
10
15
帕邢参数/（Pa*cm）
33.6
50.4
67.2
84
84
126
击穿电压1/（V）
672
559
514
429
445
423
击穿电压2/（V）
697
552
519
436
477
425
击穿电压3/（V）
701
566
519
444
477
429
击穿电压平均值/（V）
690.00
559.00
517.33
436.33
466.33
425.67
气体压强/（pa）
20
25
30
35
40
45
帕邢参数/（Pa*cm）
168
210
252
294
336
378
击穿电压1/（V）
445
490
532
568
619
680
击穿电压2/（V）
453
491
532
569
618
669
击穿电压3/（V）
455
492
532
570
631
664
击穿电压平均值/（V）
451.00
491.00
532.00
569.00
622.67
671.00
气体压强/（pa）
50
55
60
65
70
帕邢参数/（Pa*cm）
420
462
504
546
588
击穿电压1/（V）
709
750
811
860
910
击穿电压2/（V）
693
746
820
858
898
击穿电压3/（V）
689
747
815
857
905
击穿电压平均值/（V）
697.00
747.67
815.33
858.33
904.33
四、实验结论与讨论
1.根据数据绘制出的帕邢曲线如下图：
2.帕邢曲线分析
根据绘制出的曲线可得，帕邢参数为126Pa*cm时有最低击穿电压425.7V。
即最佳击穿条件为126Pa*cm，最小击穿电压为425.7V。
3.帕邢曲线成因分析
气体被击穿时满足汤森击穿条件：
。
其中α和γ是α过程和γ过程的汤森系数，d是放电电极间隙。
γ是与电极材料和离子能量有关的，与压强P无关。
α是气压P和场强（V/d）的函数：
其中A和B为实验常数。
因此，由汤森击穿条件可知，在本实验中α达到一个定值时，气体就会发生击穿。
从而得到：
五、思考题
击穿电压是气体击穿发生的电压，想一想放电的熄灭电压为什么与击穿时的电压不同。
答：
熄灭电压是击穿之后再减小电压，直到放电结束的那个电压，而击穿电压是放电从非自持状态过度到自持的那个电压，熄灭电压的环境是存在了很多很多的电子离子，而击穿过程发生在电子数不断增加的过程，因而需要电压不断增高，以积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场，故击穿电压要高于熄灭电压。
六、实验体会
通过本次实验，我更加直观的认识了低气压气体在直流电场作用下的击穿现象，由实验数据和帕邢曲线可以看出低压气体在直流电场下的击穿特性符合帕邢定律：
击穿电压与Pd的函数规律在一定区间内是线性的，但在另外一些区间是非线性的；并且在特定的Pd值时，击穿电压有极小值。
本次实验中需要注意的是测量击穿电压时要认真观察电压的变化情况，尤其是当电压值在击穿电压附近时。
待读取数据一闪即逝，所以实验过程中应认真谨慎。
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