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。