大学物理实验研究报告

实验名称：低压气体直流放点击穿特性

院系：化工与环境生命学部

班级: 化机1201

姓名：代钰莹

学号：*********

摘要

通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氩气的气压与击穿电压的关系，在放电极板间隙及极板材质不变的情况下，得到了氩气的帕邢曲线，给出了氩气的最小击穿电压和最佳击穿条件.

关键词：汤森击穿判据、帕邢定律、放电击穿、击穿电压、直流辉光放电。

一、实验原理与内容

1、实验原理简述

帕邢定律是表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。18年由帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。帕邢定律的公式为：，式中A和B在一定E/P范围内是常数。γ为离子撞击阴极时所发生的电子发射的过程系数。

帕邢曲线是根据帕邢定律的函数表达式所绘制的曲线，表达的物理意义为：击穿电压U是电极距离d和气压P乘积的函数。

帕邢定律在一定Pd范围有效。气压过高或过高真空中，帕邢定律不适用。

帕邢曲线的主要特点是：提高气压或是降低气压到真空都能提高间隙击穿电压，这概念在实际应用中是有意义的。曲线在特定的Pd值时，有最小的击穿电压。

2、实验内容

（1）实现低气压气体直流击穿过程。测量氩气的帕邢曲线。 

（2）理解汤森击穿理论，掌握帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性。

二、实验仪器及设备 

直流辉光等离子体实验装置 

该装置是一台辉光放电综合实验装置，可以完成4项实验项目。因此在实验前面板上设有“工作选择”开关，本次实验内容应设定在“击穿电压测量”一档。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。此外，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。

三、实验方法与步骤

1、实验方法 

（1）测量氩气在电极间隙为4-8cm，气压在4-100Pa范围内的击穿电压数据。 

（2）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、实验步骤 

（1）测量两电极之间的实际间距。 

（2） 检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠；电压调节旋扭是否最小位置；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2-3Pa，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（指导教师准备）。 

（7）调节流量计的通气流量，至放电管内气压为20Pa。 

（8）试验仪的功能选择开关调至《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，可以快速增至200V，然后继续缓慢升高电压，直至气体发生击穿现象。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0V以下，为下一次测量做好准备。在减小电压的过程中注意观察放电熄灭电压，并注意其与击穿电压的差别。 

注意：

1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。

2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15%为成功测量，以得到可靠击穿电压。

③ 在气压较高时，击穿前后，放电管的电压会有明显下降。接近击穿时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8组实验数据即可。 

（13）减小气压回复至20Pa左右，重复（10）。 

（14）依次减小气压，每隔2Pa测量一组数据，直至4Pa。测得7-8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。

四、实验数据与分析

d=5.0cm

五、实验结果与讨论

由excel绘制的帕邢曲线图如下：

结合数据和帕邢曲线可知，氩气的最小击穿电压为280V,氩气在电极间隙为5.0cm时的最佳击穿条件为气压为16Pa，Pd值为80Pa*cm。

最小击穿电压的成因：氩气压强太大或太小都不利于气体起辉，当压强较大时，放电管内中性粒子束较多，当电压较小时，已电离的粒子碰撞中性粒子，由于粒子在单位路程内碰撞的粒子束多，很难使中性粒子电离，因此必须提高极板电压，而当气体压强过小时，带电粒子碰撞中性粒子的概率大大降低，也很难起辉。

六、讨论题解答

1、击穿电压时气体从非自持放电到自持放电的击穿发生电压，放电的熄灭则是反过程，熄灭电压为什么与击穿时的电压不同？

答：击穿之后再减小电压，直到放电结束的电压称为熄灭电压。击穿电压为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、简述判断击穿的原理，你对提高实验中击穿状态的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，电流表示数显著增大从而判断击穿。可进行多次测量，剔除不合理数据,减小偶然误差。

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。

4、为什么在20Pa以上气压范围内的气压步幅大于20Pa以下气压范围步幅？

答：小于20Pa时，击穿电压的变化较小，而由于气体并不是完全在真空状态下充入，气体本身会产生一定压强，为减小这些压强的作用，故在20Pa以下采取小步幅。

5、重复测量20Pa的击穿电压，会有所不同，什么原因？

答：真空机不断进行抽气，放电管内氩气浓度发生变化。每次进行击穿实验后放电管内都有剩余的已电离气体粒子，这些都会使结果发生变化。

6、较高气压时，气体击穿后放电管电压为什么突然下降？

答：这是由于击穿后电流电流自动增加放电电压借助回路自动适应调整，特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性导致电压降低。另外气压较低时可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散。

6、每次重复测量之前，为什么把电源电压调至0V？

答：使放电熄灭去除部分电离的粒子，也避免了在调节气压过程中出现再次击穿，使下一组数据的测量的初始条件较上一组变化不大。

七、心得体会

本次实验让我对低电压气体的击穿特性有了更深入的了解,培养了我细心和耐心的实验素质，学会了与他人合作要合理分工提高工作效率。我认为需要注意的是：首先测量顺序必须严格遵守，数据从20Pa至100Pa，进行线性区测量，而后调回20Pa，从20Pa开始逐渐降低气压测量。其次每次读取完击穿电压值后，必须先调回0V。实验过程中很多数据都是一闪而过，要集中注意力测量以保证数据的准确性，还要注意各仪器开关的先后顺序，实验中比较危险的步骤是调节氩气气瓶处的阀，老师的帮助让我们避免了危险情况，谢谢老师的帮助和指导！