实验30 低压气体直流击穿特性

实验30 低压气体直流击穿特性
摘要气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。

外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d的关系。

实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；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。

1、实验原理及内容
1）实验原理简述
低压气体击穿现象：气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，前者是在存在外电离原因的条件下才能维持，撤去外电离因素后带电粒子消失，放电停止；后者则不需要外电离因素，能在导电电场的支持下自主维持放电。

由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。

汤森放电理论：气体中由于剩余电离在外加电场中形成小电流，之后随外加电场的增大而成指数规律增大，称为汤森α放电，该过程中电流增大来源于两方面，分子碰撞电离以及阴极上光电效应导致的电子数目增多。

之后，气体中的离子随电场的增大而能量增大到足够强度，在阴极产生二次电子发射，又一次极大提高了阴极发射电子的速率，称为汤森γ放电。

当阴极发射足够强烈满足汤森自持放电时，气体击穿。

帕邢定律：外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，但击穿电场是非均匀的，无法测得，因此退而求其次改测其击穿电压，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d 的关系。

实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；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。

帕邢曲线：每种气体都有对应的帕邢曲线，而d特定的帕邢曲线则反映不同气压下该气体的击穿电压。

低气压下的帕邢曲线具有相似性，由曲线可以看出：每张曲线都有一个极小值，两边可趋近于无穷，所不同的是，向横轴负方向曲线上升成指数型，向横轴正方向，曲线上升成直线型。

2）实验内容
测量并记录不同气压下氩气的击穿电压，并绘制特定种类（氩气）、特定板间距（d=9.0cm）
下的击穿电压——气压曲线图（帕邢曲线）。

2、实验仪器及设备
低气压直流辉光放电发生装置——气体击穿现象的发生装置
氩气的控制与调节系统——控制发生装置中的气压
直流数字电压表——击穿电压读取
多量程电流计——仅供参考
3、实验方法与步骤
1）实验方法概述：
①击穿电压的读取：顺时针调节电压旋钮使外加电场增大，留意电压表示数，示数突变时停止旋钮，该瞬时突变前的示数即为击穿电压。

②测量点的选取：由于帕邢曲线的广泛特性之一——极小值左端呈指数增长，较快，不均匀，右端呈直线增长，较慢，均匀——因此在较高气压范围内取点较疏，间距约为10Pa，在较低气压范围内取点较密，间距为2Pa。

高低气压范围区取20Pa为分界点。

③测量顺序：先以20Pa为起点，增大气压，测量高气压范围内的击穿电压；再回到20Pa附近，减小气压，测量低气压范围内的击穿电压。

2）实验步骤（根据试验手册）
①测量两电极间的实际间距
②检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠，电压调节是否是最小位置，气压流量调节旋钮是否最小位置
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打开机械泵，抽真空至2-3Pa，大约需要15min
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，把电压降到50V一下，为下一次测量做好准备，测量需重复3次
⑪增加气体流量，每增加10V左右测一组，纸质气压升到100V
⑫减小气压回复至20Pa左右，减小气压，每隔2V左右测一次，直至3Pa
⑬实验完毕后调节气体流量控制旋钮值最小位置，调节气压至最小值，一次关闭电压、机械泵、冷却水、电源开关。

4、实验数据与处理
记录表格与计算（击穿电压取三次测量数据算术平均数）
气压/Pa 击穿电压1/V 击穿电压2/V 击穿电压
3/V
击穿电压/V
4.1 306 304 310 306.67
5.8 302 297 298 299.00
8.2 298 294 295 295.67
9 293 293 293 293.00
10 310 307 309 308.67
12 318 315 314 315.67
13 333 332 332 332.33 16 354 351 352 352.33 18 366 365 365 365.33 20 365 369 367 367.00 31 400 401 402 401.00 43 440 441 438 439.67 50 480 481 481 480.67 60 509 514 516 513.00 72 597 596 598 597.00 80 677 670 669 672.00 90 764 762 759 761.67 100 870 866 862 866.00
根据以上数据绘制的帕邢曲线(见坐标纸)
5、实验结果与讨论：
1）描述帕邢曲线特点：
分析excel的散点图，最低击穿电压大致在9.0Pa附近，值约为290之间。

在9Pa到3Pa的区间内可观察到击穿电压增长速度明显加快的现象，符合指数增长的规律；而9Pa到100Pa 的区间内击穿电压相对增长速度变化不大，可大致视为直线型增长。

2）最小击穿电压成因：
一方面，随气压增大，气体中粒子变得密集，粒子发生碰撞电离之前在电场作用下的位移减小，导致通过电场获得的能量减小，从而增大了击穿的难度；一方面，气压降低，粒子变得稀疏，导致粒子的碰撞几率减小，电离度降低，击穿难度又会增大。

因此气压单向变化时，击穿电压并不会单向变化，而是存在一个转折，即最小击穿电压。

6、讨论题
1.击穿电压是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？
击穿电压高于熄灭电压。

击穿的发生需要气体粒子不断碰撞电离，而粒子碰撞需要粒子被提供较高的能量，即击穿的发生是不断吸收、能量升高的过程。

而熄灭时，放电管内存在大量电离后的电子和离子，两者中和，载流子消耗，这是能量降低的过程，相较于前者更容易发生，因此熄灭电压低于击穿电压。

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
气体击穿时电路中有较大电流流过，二极管两端电压迅速增大，由电表示数突变即可判断击穿。

提高精度的办法：可同时由复数位同学进行读数，记下突变前的电压表读数再剔除、取平均。

3.第一组为什么从9Pa开始测量？而且为什么首先向气压较高的方向继续测量？
由前人实验，帕邢曲线为勾函数型，而极小值大致在9Pa左右，因此取9Pa作为测量的分界点较为合理。

9Pa以上步幅较大，能在不影响实验的基础上降低实验繁琐程度。

向高气压方向测量是为了增大放电管内氩气的浓度，从而在测9Pa以下击穿电压时降低误差。

4.为什么在9Pa以上气压步幅大于9Pa以下气压范围的步幅？
帕邢曲线大致呈勾型，极小值之前呈指数增加，增速不均匀且较迅猛，因此需要小步幅以获得较为精确图像；极小值之后大致呈直线增加，增速均匀且较缓慢，因此大步幅测量并不会造成很大影响。

5.重复测量9Pa的击穿电压，会有所不同为什么
开始时气压9Pa，其中有3Pa左右为未能抽尽的空气，随氩气的不断冲入，放电管内氩气的浓度升高，等再次排气至9Pa时空气所占比例比开始时减小很多，因此击穿电压也会发生变化。

从精确程度上看，再次9Pa的击穿电压更加可信。

6.较高气压时，气体击穿后放电管电压为什么会突然下降
击穿后发生亚辉光放电，伏安特性表现为负阻性，即随时电流增加电压反而在外回路的调整之下会降低。

其原因在于放电电流比较小，在阳极附近有明显的阳极位降，补足了部分因放电电压降低引起的阴极位降的减小。

7.每次重复测量之前，为什么把电源电压调至50V以下？
保证放电熄灭，重新进行气体由非自持放电到自持放电的过程，读取击穿电压。