低压气体直流击穿特性

低压气体直流击穿特性DC breakdown characteristics of low pressure gas

学

院（系）：

建设工程学部

专

业：

土木工程

学

生

姓

名：

学

号：

任

课

教

师：

完

成日

期：

2016

XX大学

XXof

Technology

【引言】

气体放电是指电场作用下在气体中产生载流子并定向运动而导电的现象，其中，气体原子或者分子等由于各种激励作用过程而发生电离产生正负带电粒子。不同激励过程导致的气体放电现象和特性不同。低气压气体放电是研究最早、理论最为成熟、应用最为广泛的放电形式。根据电离过程发生频度的不同，气体放电分为非自持放电和自持放电两种模式，从非自持模式到自持模式的转变称为气体击穿。

1672年，Gottfried

Wilhelm首次在旋转硫磺球上实现了人工条件下的电火花放电，揭示了气体放电的本质是气体的导电过程；1802年彼得洛夫发现了电弧放电模式；1889年前后，物理学家帕邢（Paschen）对低气压气体击穿现象进行了系统研究，并在总结前人的大量实验数据基础上，建立了击穿电压与气压和电极间隙的实验规律，称为帕邢定律（Paschen’s

Law），至此，低气压气体击穿规律的研究获得了实质性进展。1903年英国物理学家汤森（Townsend）提出了气体击穿的汤森机制，建立了汤森击穿判椐。这一成果在解释低气压气体击穿实验规律方面获得了巨大成功，至今，这一理论仍然是气体放电理论的基础。

【实验摘要】

通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氦气的击穿电压与氦气气压的关系，控制放电极板间隙及极板材质不变，得到了氦气的帕邢曲线，给出了氦气的最小击穿电压和最佳击穿条件，并讨论最小电压的成因。

【实验原理与内容】

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.实验内容

（1）认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气气压在（4-100Pa）范围的击穿电压数据，绘制氩（氮）气击穿的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件。

（2）了解汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性．

3.实验原理

（1）低气压气体击穿现象

常态下气体是绝缘体，没有载流能力。如果采用一定的激励方式，使气体中性粒子发生电离而形成正负带电粒子，并且电离数量达到一定比例，气体就具有了导电能力。如果同时施加电场，气体中的带电粒子就会定向迁移形成电流，即发生气体放电现象。

低压气体放电分为自持放电和非自持放电两种模式。非自持放电是指存在外在电离因素才能维持的放电，例如：用紫外光或者放射线照射气体，使气体电离而具有导电能力。如果撤去外电离因素，带电粒子就会很快复合消失，放电便熄灭。自持放电是指没有外电离因素，能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。

在外电离因素支持下，气体中会存在一定量的背景电离过程，因而含有一定浓度的带电粒子，可以在外加电场作用下形成导电电流。随着电场的增加，电流强度逐渐增加，当电场强至一定值，气体中的放电电流会突然迅速增加，即使撤去外电离源，放电仍能维持，即转化成了自持放电，这种从非自持放电到自持放电的过度现象，即气体的击穿。气体发生击穿所需要的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。

（2）汤森（Townsend）放电理论

对气体从非自持放电到自持放电的整个过程及现象，1903年前后，汤森（Townsend）首先进行了详细观察分析研究，并提出了汤森（Townsend）放电和击穿机制，建立了放电理论，这一类服从汤森（Townsend）放电机制的放电过程被总称为汤森（Townsend）放电。汤森（Townsend）机制认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离产生电子和离子的结果。在外加电场作用下，电离产生的电子可以被加速，获得能量的电子又可以增强气体的电离，从而发生雪崩电离产生电子倍增过程，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射以补足电子的损耗。气体击穿就是二次电子发射和电子雪崩电离共同发生而产生的一种现象。汤森（Townsend）引入了a过程和g

过程描述电子雪崩电离和二次电子发射。

根据汤森（Townsend）理论，气体击穿过程包括以下步骤：由于宇宙射线的作用，气体中总存在一定量电离事件，即背景电离。当外加电场较小时，只是背景电离能够产生载流子，并被外加电场驱动而迁移，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g

过程。g

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]：

其中a和g是a过程和g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’s

Factor）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，a和g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a是气压P和场强（V/d）的函数：

其中A和B为实验常数。

gg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g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，g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，g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g为常数，这样击穿条件可表示为：

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g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。

【实验仪器设备及功能】

1.低气压直流辉光放电发生装置：该装置有四个功能部分构成：（1）放电管：用于实现氩气的击穿和放电。（2）放电电源：可以提供0-1000V的可调电压输出，为放电管提供电场。（3）氩气的送气与调节系统，以及气压测量。（4）基于二极管导通特性的击穿电压测量系统。除此之外，为了保持放电管的温度恒定，必须对放电电极实施冷却，装置还附带了循环水冷却系统。

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。

【实验方法与步骤】

1.总体方法

本次实验主要是测量氩气在4-100Pa气压下所对应的击穿电压，用所测得数据进行描点，然后拟合出帕邢曲线。测量时，将气压稳定在一个值，然后不断增大两极的电压，直至显示二极管两端的电压发生突变，记下突变前的两极电压，即作为该气压下氩气的击穿电压，每一个气压对应测量三次，取平均值即为该气压下氩气的击穿电压。

2.实验步骤

【1】测量两电极间距.【2】检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠；电源调压旋扭是否最小位置；气体流量调节旋扭是否最小位置．

【3】打开电源开关；开启循环水泵，检查循环水是否正常

【4】打开真空计开关．

【5】开启机械泵，抽真空至2Pa左右，大约需要15分钟．

【6】调节减压阀，使得流量计前气压在0-1大气压之间．

【7】调节流量计的通气流量，至放电管内气压增加至20Pa．

【8】功能选择开关调至《击穿电压》测量档

【9】打开高压电源开关。

【10】调节电源的电压输出，可以快速快速升高电压，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，再次升高电压，可以将电压快速增至略低于之前确定的击穿电压，可以低于20-30V，然后缓慢升高电压，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。

注意：(a)

增加电压的过程中，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数。

(b)

每个气压下，至少要重复3次测量，以三次击穿电压测量值之间的偏差不大于5%可认为是成功测量，以得到可靠击穿电压。

(c)

在气压较高时，击穿后，放电管的电压会有明显下降，这是因为回路电流增加后，电源输出电压下降所致。所以击穿瞬间的放电管电压为气体击穿电压。

【11】增加气体流量，使气压升高至30Pa左右,重复【10】的测量。

【12】依次增加气体流量，每次增加10Pa左右，重复【10】。直至气压达到100Pa。得到9组实验数据即可。

【13】减小气体流量，使气压至20Pa左右，重复【10】，对比两次测量的击穿电压的差别。

【14】依次减小气压，每隔2Pa左右重复一次测量，直至4Pa。只要测得8组数据即可。

【15】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，依次关闭电压、机械泵、冷却水，电源开关。

【实验数据与分析】

两极间距d=6.8cm

氩气击穿U-P*d数据表（4-20V）

氩气击穿U-P*d数据表（20-80V）

备注：本次实验中，由于初期考虑不周，未对质量流量计的调节范围进行检验，所以到后期无法将气压调节到80pa以上，不得不调节隔膜阀，来达到调节压强的目的，但是调节隔膜阀会对实验结果造成一定的影响，以至于后两组数据（90V、100V）无法使用。

氩气帕邢曲线（散点图）

氩气帕邢曲线（曲线图）

【实验结果与讨论】

1.根据数据绘制出的帕邢曲线（如图）

2.帕邢曲线分析

由图得，P*d=61.2时有最低击穿电压311V，此时气体电压为9Pa。即，最佳击穿条件为P=9Pa，最小击穿电压为311V。

3.帕邢曲线成因分析

1.物理分析:

这个实验过程中控制d不变。

当P特别小时，电子在电极问飞过发生碰撞次数太少，因电离次数太少，放大倍数也太少，为实现击穿，极间电压必须特别大。在前期P从极小开始增加，一方面带电粒平均自由程缩短，另一方面带电粒子在两电极间渡越时所发生碰撞次数增多，有利于放电，击穿电压值逐渐减小，因此存在最低点Vmin

P继续增大时，粒子密度增大，粒子在极间运动，发生弹性碰撞次数太多，电子损失能量过多，也不利于产生碰撞电离，极间电子雪崩增长更少，所以击穿电压增大。

2数学分析：

气体被击穿时满足汤森击穿条件：

1+γ=γeαd。

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：

α=AΡe-BPd/V

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：

Vs=BPdln⁡(APdln⁡(1+1/γ))

由函数单调性可以推断出：击穿电压先随着pd增大而减小，直到达到极小值，再随着pd增大而增大。

【思考题】

1.击穿电压是气体击穿发生的电压，放电的熄灭电压为什么与击穿电压不同？

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。

2.简述判断击穿的方法。你对提高实验中击穿判断精度还有什么建议。

答：气体击穿后电路中形成电流，使二极管流过的电流迅速增大，电压表示数显著增大从而判断击穿。可进行多次测量，舍去不合理数据，所测数据之间的差值要控制在数据的5%以内，最后将合理的数据求平均，即为最后的该压强下的击穿电压。

个人建议：因为气体击穿后电路中形成电流，使二极管流过的电路迅速向增大，可使两人同时观察电流表电压表，增加判断准确性。

3、第一组数据为什么从20pa开始测量？而且为什么首先向气压较高方向继续测量？

答：20Pa左右将出现最低击穿电压，往高气压测量是为了稀释空气的同时尽量排出空气，减小空气成分的影响，使管内气体尽量接近真空。

4、为什么在20pa以上气压范围内的增加间隔大于20Pa以下气压范围的间隔？

答：20Pa以下测量时，击穿电压变化幅度较小，为了精确测量，不能大幅度改变气压。

5、重复测量20Pa的击穿电压，有所不同，什么原因？

答：真空泵不断抽气，氦气的浓度和气压发生变化，并且每次实验后都将留下已经电离出来的离子，影响接下来的实验。

6、较高气压时，气体击穿后放电管电压为什么会突然下降？

答：击穿后电流自动增加，放电电压借助回路自动调整，特别是亚辉光放电模式下伏安特性呈现负阻性导致电压降低，类似自感现象。

7、每次重复测量之前，为什么把电源电压调至50V以下？

答：为了保证前一次击穿放电熄灭，尽可能去除已经电离的离子。

【实验心得与感悟】

本次实验中，由于初期考虑不周，未对质量流量计的调节范围进行检验，所以到后期无法将气压调节到80pa以上，不得不调节隔膜阀，来达到调节压强的目的，但是调节隔膜阀会对实验结果造成一定的影响，以至于后两组数据无法使用，造成了很大的遗憾。

第一组数据从20Pa开始测量，而且继续测量气压较高的地方。因为刚开始空气在管内部仍有残留，若从4Pa左右的气压条件开始测量，会造成氩气不纯，影响实验结果。若从100Pa开始测量，会造成仪器打开不久就经历高压发热，易减损仪器寿命。而20Pa左右出现了最低击穿电压，继续向高气压方向进行是为了减小管内气体成分的影响，并在高气压实验过程中把管内空气稀释，尽量接近真空。可见，一个实验的步骤设计是要全方位，多因素考虑，不得有半点马虎。考虑不周，会造成很大的误差。

在调节20-4Pa气压的时候难度比20-100Pa的大，所以需要更加耐心和认真。调节气压稳定后才可转动电压调节钮，开始测量此时的击穿电压。

在测量20-4Pa气压所对应的击穿电压时，每次读取数据，数据都是一闪而过，所以一定要仔细，最好是两人配合，一个人看二极管两端电压值，一个人看气体两端电压值。在测量20-100Pa气压所对应的击穿电压时，可直接凭借气体两端电压的突变，读出数值，可一人进行读数操作。

气体击穿的判断，除二极管方法之外，也可以根据放电电流的突变进行。气体的击穿和放电熄灭是不可逆的，击穿之后，可以进行熄灭电压的测量，研究熄灭电压与击穿电压的差别。

参考文献：

[1]余虹,张家良,等.大学物理实验.北京：科学出版社2011：195~199.[2]徐学基,气体放电物理学.上海：复旦大学出版社，2003.大lian理工大学大物实验报告（论文）