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实验30 低气压气体直流击穿特性帕邢曲线气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。1672年，Gottfried Wilhelm首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的电火花，解释了气体放电的物理本质；1802年彼得洛夫发现了电弧放电；1889年Paschen系统研究了低气压气体放电的击穿现象，得到了击穿电压与气压和电极间隙的依赖关系，找到了击穿电压的最小值，低气压气体击穿过程的实验规律研究获得了实质性进展。1903年汤森提出了气体击穿的汤森理论，得到了汤森击穿判椐。这一理论在解释低气压气体击穿现象的规律上获得了巨大成功，至今，这一理论仍然是适用的。【实验目的】（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。【实验内容与要求】1. 认识低气压气体直流击穿现象测量氩气击穿的帕邢曲线。2. 掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性【可供使用的仪器】1. 低气压直流辉光放电发生装置2. 氩气的控制与调节送气系统3. 直流数字电压表，多量程电流计【实验原理】1.低气压气体击穿现象常态下气体是绝缘体，在直流电场作用下没有载流能力。如果采用一定的激励方式，使气体中性粒子发生电离而形成正负带电粒子，并且发生电离的粒子数量达到一定的比例，这时气体就具有导电能力，如果施加电场，气体中的带电粒子就会定向运动形成电流，即发生了气体的放电现象。气体放电分为自持放电和非自持放电。非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象，例如：用紫外光或者放射线照射气体，使气体电离而具有导电能力。如果撤去外电离因素，带电粒子就会很快复合消失，放电便熄灭。自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。气体首先在外电离因素支持下，可以在电场中传导电流，随着电场的增加，电流强度逐渐增加。当电场强至一定值，气体放电电流突然迅速增加，即使撤去外电离源，放电仍能维持，即转化成了自持放电，这种从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。2汤森放电理论上面所描述的气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是1903年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。汤森认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离产生电子和离子的结果，在外加电场作用下，电离产生的电子可以被加速，获得能量的电子又可以增强气体的电离，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射。气体的击穿就是二次电子发射和电子雪崩电离的共同结果。汤森引入了a过程和g 过程描述电子雪崩电离和二次电子发射。根据汤森的理论气体放电至击穿的过程分为以下的步骤：气体中由于宇宙射线的存在，使得气体中总是存在一定的电离，这称为剩余电离。当外加电场较小时，只是剩余电离产生的电子被电场驱动定向运动，形成电流，此时电流密度很低并且在空间的分布是均匀的，电流随电压首先线性增加，逐渐趋于电流饱和。这是一种暗放电，因为带电粒子的定向运动没有引起电离和发光过程，放电区域不发光。随着电场的继续增加，电子逐渐获得了更高的能量从而发生电子碰撞电离使放电区的电子数量进一步提高，导致电流快速增加。同时，电子碰撞电离过程也伴随大量光辐射过程，光辐射照射阴极表面而发生光电效应，产生阴极电子发射，也使得电子密度进一步增加在电离发生的过程中产生电子的同时也产生离子，离子是向阴极运动的。随着电场的继续增强，离子的能量也在增加当电场达到一定强度时，离子轰击阴极的能量会足够大，从而在阴极产生二次电子发射，这一过程称为g 过程，实际上二次电子发射和阴极光电效应过程统称为g过程。g过程的发生又极大提高了阴极发射电子的能力当阴极发射足够强以至于满足自持条件时，气体放电自持而发生气体击穿。根据汤森理论，可以建立起汤森击穿条件如下1： (*-1)其中a和g是a过程和g过程的汤森系数，也称为汤森第一电离系数和第三电离系数，d是放电电极间隙3帕邢定律如前所述，两个放电电极间的电压增加时，放电电流随之增加，当电压增至一定值时，放电电流突然增加，放电转变为自持放电，气体发生击穿气体发生击穿的临界电压称为气体击穿电压气体击穿后的放电形式与电极形状、间距、气压和外电路特性有关，可以发生火花、电弧、电晕和辉光放电1889年Paschen研究了低气压放电的击穿现象，发现低气压气体在平行板电极条件下，其击穿电压Vs是气压和电极间隙之积Pd的函数，并找到了击穿电压的最小值，这一击穿电压与间距和气压乘积的函数关系称为帕邢定律实验发现：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，这就是帕邢定律的普适性帕邢定律可以利用汤森理论加以解释根据击穿条件1-1式，a和g是直接决定击穿电压的，而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a是气压P和场强（V/d）的函数： (*-2)其中A和B为实验常数g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g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g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，g与离子能量几乎表现为无关在气体击穿电压的幅值量级内，离子能量远大于临界能量，因此在讨论气体击穿规律时可以认为g为常数，这样击穿条件可表示为： (*-3) 这一关系说明击穿电压仅是Pd的函数由于 A、B 和g等常数与气体种类和电极材料有关，因此研究不同气体的帕邢曲线是很有意义的【实验提示】1.实验内容（1）测量氩气在电极间隙为4cm左右， 气压在（5-120Pa）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2.实验步骤 （1）测量两电极之间间距.（2）检查放电管与电源电极之间的连接是否可靠；电源调压旋扭是否最小位置；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（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) 调节电源的电压输出，可以快速调至250V，然后在缓慢调节电压，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把电压降至100V注意： 增加电压的过程中，时刻观察电压表和指示二极管管压降的指示 每个气压条件下， 至少要重复3次测量，直到测得比较稳定的击穿电压。不同测量回合得到的击穿电压变化小于5%为宜（10）增加气体流量，使气压升高至30Pa, 重复（9）的测量（11）依次增加气体流量，每次增加10Pa，重复（9）直至气压达到120帕（12）减小气压至18Pa，重复（8）（13）依次减小气压，每隔2帕，重复测量，直至5帕。（14）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。【预习及报告要求】1.预习要求：（1）阅读实验讲义和参考文献（1）中的相关章节，了解汤森理论的发展过程，基本内容。（2）阅读文献中帕邢曲线的相关章节，掌握帕邢曲线的物理意义，了解其适用条件。（3）熟悉氩气的击穿特性，掌握击穿参数的实验规律。2实验论文内容要求（1）简述帕邢曲线的物理意义和适用条件，解释帕邢曲线的主要特点和相应依据。（2）给出氩气不同气压时的击穿电压，描绘氩气的帕邢曲线，找出氩气的