低压气体直流放电综述

1、低压气体直流击穿特性帕邢定律摘要：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。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（Paschens 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（Town

2、send）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（Paschens Law）方面获得巨大成功，至今，仍然是气体放电理论的基础。关键词：低压气体 直流 击穿 帕邢定律第一作者：宋有鹏第二作者：宝林班级：运英1201学号：201273044时间：2014-5-9目录一、实验原理与内容11.1 实验原理11.2 实验内容1二、实验仪器及设备2三、实验方法与步骤23.1 实验方法23.2 实验步骤2四、实验数据与分析34.1 实验数据34.2 数据分析4五、实验结果与讨论55.1 实验结果55.2 问题讨论55.3心得体会5低压气体直流击穿特性帕邢定律一、实验原理与内容1.1 实验原理

3、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，Pasche

4、ns 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，和直接决定击穿电压，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

5、的。实验研究发现是气压P 和场强（V/d）的函数：其中和为实验常数。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，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，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，因此可以认为为常数，这样击穿条件可表示为：这一结果表明击穿电压仅是Pd 的函数，即： Vb=f(pd)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 和等常数与气体种类

6、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。1.2 实验内容帕邢曲线：帕邢定律函数的曲线形式。所有气体，曲线相似；存在极小击穿电压。帕邢参数：Pd称为帕邢参数。内容：1) 实验测量氩气帕邢曲线，记录在不同气压下的击穿电压2) 测量两电极距离3) 求得氩气最小击穿电压和最佳击穿条件二、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

7、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3.1 实验方法（1）测量氩气在电极间隙为4-10cm， 气压在（4-100Pa）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。3.2 实验步骤（1）测量两电极之间的实际间距。（2）检查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）打开空气开关和电源开关；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1

8、.8Pa左右，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，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0V，进行下一次测量。（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。（13）减小气压回复至2

9、0Pa 左右，重复（10）。（14）依次减小气压，每隔2Pa 测量一组数据，直至4Pa。测得8 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，将工作开关调回原位置。四、实验数据与分析4.1 实验数据数据记录：d=5.4cm计算平均值除去19Pa大气压下数据转换公式：1Pa=7.510-4cm.mmHg1kV=1000V计算后结果：4.2 数据分析 作图：帕邢曲线五、实验结果与讨论5.1 实验结果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5.4cm时的最佳击穿条件为气压为10Pa时。5.

10、2 问题讨论1) 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。2) 重复测量20Pa 的击穿电压，会有所不同，什么原因？刚开始真空机抽气使气压达到2Pa左右，再放入氩气达到20Pa时，空气含量大约为10%，对测量有一定的影响，气压达到100Pa再降为20Pa时，空气不断被稀释，空气含量几乎可以忽略不计，对于测量的影响较小。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。5.3心得