低气压击穿电压物理实验研究报告

大连理工大学本科实验研究报告
课程名称：大学物理实验
学院：化工学院
专业：化工与制药（大类）
班级：化工1212
学号：
学生姓名：
2014 年04 月15 日
低气压气体直流击穿特性及伏安特性
———低压氩气的直流击穿特性
●摘要：
气体放电是指电场作用下气体中产生载流子而导电的现象，是气体原子或分子因为电离产生带电粒子的结果。

不同电离过程产生的放电现象和特性不同。

低气压气体放电是研究最早、理论最成熟、应用最广泛的放电形式。

根据维持机理的不同，低压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电火花放电，揭示了气体放电的物理本质；1802 年彼得洛夫实现了电弧放电；1889 年前后，物理学家帕邢（Paschen）对低气压气体击穿过程进行了系统实验研究，并总结前人的大量实验数据，提出了关于击穿电压的实验规律，称为帕邢定律（Paschen’s Law），低气压气体击穿规律的研究取得实质性进展。

1903 年英国物理学家汤森（Townsend）提出了汤森击穿机制，建立了汤森击穿判据，在解释帕邢定律（Paschen’s Law）方面获得巨大成功，至今，仍然是气体放电理论的基础。

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，了解低气压的实现和维持方法，掌握气体压强的测量方法。

了解低气压气体直流击穿现象，掌握气体击穿的判定方法，研究放电
条件与击穿电压的关系，体会实验探索物理规律的研究过程。

探索帕邢定律（Paschen’s Law）的局限性在放电极板间隙及极板和材质不变的情况下，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。

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。

●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
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。

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，放电电流突然迅速增加，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，放电模式与电极形状、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 系统实验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 定律定律可以利用Townsend 理论加以解释。

根据击穿条件
1-1 式，α和γ直接决定击穿电压，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：
V BPd APe /-=α
其中Α和Β为实验常数。

γ是与电极材料和离子能量有关的，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
穿现象发生的放电条件附近，离子能量远大于临界能量，因此可以认
为γ为常数，这样击穿条件可表示为：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=)/11ln(ln γAPd BPd V s 这一结果表明击穿电压仅是Pd 的函数，而且随Pd 的变化趋势
与实验帕邢曲线定性一致，因此Townsend 机制一定程度上可以解释
Paschen 定律。

同时由于 A 、B 和γ等常数与气体种类和电极材料
有关，因此实验研究不同气体的帕邢曲线仍有具有重要意义。

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（3-100Pa）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50V 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：(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10%为成功测量，以得到可靠击穿电压。

(c) 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2-3Pa 测量一组数据，直至3Pa。

测得6-7 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=8、7cm
由数据可知当气压大于20Pa时击穿电压Us随着Pd值上升而上升。

由数据可知当气压小于20Pa时击穿电压Us随着Pd值下降而先下降后上升，于5、8Pa时转变。

五、实验结果与分析
结合数据和帕邢曲线可知，氩气的最小击穿电压为284。

3V,氩气在电极间隙为8。

7cm时的最佳击穿条件为气压为5。

8Pa时。

▲造成最小击穿电压原因：
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、分析讨论题
5、重复测量20Pa 的击穿电压，会有所不同，什么原因？
真空机不断地进行抽气，最开始测量时氩气内含有较多的空气杂质，对测量有较大的误差，而第二次测量时，已经进行了长时间的抽气，此时系统内空气成分极少，对于测量的误差较小。

且在同时间段内测量时，也有可能因为两次测量时间间隔太短导致系统内还含有前次测量时电离的粒子，导致击穿变易使结果造成误差。

七、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，我深入了解了物理实验的严谨性，并且对于气体的击穿规律有了更高的理解与认知。

八、参考文献
徐学基：《气体放电物理学》，上海：复旦大学出版社， 2003 年。