低压气体直流放电击穿特性

实验研究报告实验名称：低压气体直流放电击穿特性院系：物理与光电工程学院班级：物理1301姓名：徐梦洋学号：201398004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：帕邢定律；放电击穿；击穿电压；直流辉光放电引言；气体在常态下是良好的绝缘体，在直流电场下没有载流能力，但在一定激励作用下，使气体中的中性粒子发生电离形成正负电离的粒子，当粒子数达到一定数目时，气体就成了导体，在此情形下施加一定的电场，粒子在场作用下会定向移动，就发生了气体放电现象.气体放电分为自持放电和非自持放电，非自持放电指的是存在外致电离源的条件下才能维持放电，而支持放电指去掉外致电离源的条件下，仍能维持放电.气体从非自持放电到自持实验目的：（1）通过实验了解气压的测量原理以及低气压的实验和维持方法。通过实验进一步了解气体放电的过程，对理论上气体放电的过程有进一步的认识。（2）体验到从实验现象的分析到理论普遍性规律的一般认识过程，培养出理论联系实际的物理学思考的品质。实验原理：常态下气体是绝缘体，不导电，但是如果有一定的外界条件，使气体中性粒子发生电离，并且数量达到一定的比例，在外加电场的情况下就会导电产生气体放电现象。其中又分为自持放电和非自持放电。自持放电是在没有外电离作用下可以维持放电的现象，而非自持放电是指在有外电离作用下才可以维持放电。气体首先在外电离因素的支持下可以在电场中传导电流，当电场增大到一定的程度。电流迅速增加，即使没有外界的电离作用，放电仍可以维持，此时气体从非自持放电转化为自持放电，这种现象就叫做气体的击穿，此时所需要的电场强度就是击穿场强，相应的电压就是击穿电压。上述的这类过程就叫做汤森放电，汤森认为，气体在宇宙射线或者其它因素的影响下，本身就有一定的电离，称为剩余电离。当外加电场不够大时，点电流很小，电流密度很低，在空间的分布是均匀的，此时电流随着电压的增大是线性增加，趋于饱和。这个过程是暗放电，不发光。当电场足够大时，电子的能量越来越大，发生电子碰撞，从而电子的数量进一步提高，电流快速增加，与此同时，会产生光辐射，从而有光电效应的产生。同时也会产生离子，随着电场的增加离子的能量增加，会轰击阴极产生二次电子发射，极大的提高了阴极发射电子的速率，当阴极发射足够强时发生电子击穿，条件如下：ade11889年帊刑经过一系列的实验发现了帊刑定律VBPdAPe/A和B为实验常数，其中击穿条件可以表示为：)/11ln(lnAPdBPdVs实验过程;实验装置为大连理工物光学院制造的低气压直流辉光放电发生装置，具备水冷系统以及氩气的控制与调节系统。放电管构图表1辉光放电管构造示意图1水冷法兰2阴极3双探针4等离子体5阳极6玻璃管7气体流量管实验前将玻璃管抽真空至1~2pa，调节减压阀，改变通气流量，使放电管内的气压为10Pa，调节输出电压，记录气体击穿瞬间的击穿电压值，放电管气压间隔5pa，依次测量值至100pa，得到组线性区的气体压强与击穿电压值，而后将压强调制10pa，在从10pa按顺序降至4pa测量其中4组非线性区的气体压强与击穿低压值。测量值如图2所示实验数据与处理d=89.5mm列1列2列3列4列5列6列7列8列9列10列11列12列13列14列15列16列17P(pa）4.15.9810101520253035404550556065V1(v）650560522476464510546559583612644686756810858900V2(v）664544498474462499548558585611648685761810850915V3(v）660548518470463501547559585607650688758806848925平均值(v)658550.667512.667475463503.333547558584.333610647.333686.333758.333808.667852913.333Pd(pamm)366.95528.057168958951342.517902237.526853132.535804027.544754922.553705817.53035404550556065583612644686756810858900585611648685761810850915585607650688758806848925584.333610647.333686.333758.333808.667852913.33326853132.535804027.544754922.553705817.5图表2由图得，最低电压为463v，临界气压值为为10Pa。帕邢曲线在特定的10Pd值时，有最小的击穿电压。帕邢定律在一定(10-100Pd)范围有效。气压过高或过高真空中，帕邢定律不适用。实验结果与讨论氮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.通过实验发现一些需要注意的事情。首先，测量顺序必须严格遵守，第一组数据从10Pa开始测量，而后依次增加5Pa至100Pa，进行线性区测量，而后调回10Pa，从10Pa开始逐渐降低气压测量，否则，如果在测完100Pa后直接测5Pa左右的时候，之前100Pa时在管内残留有较多的电离的粒子，会对试验产生很大影响。而且在每次读取完击穿电压值后，必须先调回50V以下，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。由于气压小于10Pa时处于非线性区，所以在此区间测量间隔应减小.在读数过程中发现，电压值在击穿后会出现下降，当气压值较高时尤为明显，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，在气压较低时，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.【思考题】1.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心得体会：在实验中我深刻的体会到从实际中走出的理论与实际情况符合想当的好，对此感到很高兴，我们物理学就是这样，理论来源于实际并且来指导实践。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]余虹，张家良，等.大学物理实验.北京：科学出版社2011：199~204[3]赵永莉.变气压直流辉光放电的数值模拟，2008[4]龙珏，胡振辉等，低气压直流辉光等离子体实验装置[J]，大学物理实验，2009，22（1）：75~78[5]侯清润，茅卫红等.气体放电实验与帕邢定律[J]，物理实验，2004，24（1）：3~5