低压气体直流放电击穿特性

1、实验名称：低压气体直流放电击穿特性作者：马子越摘要：通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氮气的气压与击穿电压的关系，在放电极板间隙及极板材质不变的情况下，得到了氮气的帕邢曲线，给出了氮气的最小击穿电压和最佳击穿条件。关键词：帕邢定律；放电击穿；击穿电压；直流辉光放电 实验目的：（1） 通过实验了解气压的测量原理以及低气压的实验和维持方法。（2） 通过实验进一步了解气体放电的过程，对理论上气体放电的过程有进一步的认识。（3） 体验到从实验现象的分析到理论普遍性规律的一般认识过程，培养出理论联系实际的物理学思考的品质。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

2、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。自持放电是在没有外电离作用下可以维持放电的现象，而非自持放电是指在有外电离作用下才可以维持放电。气体首先在外电离因素的支持下可以在电场中传导电流，当电场增大到一定的程度。电流迅速增加，即使没有外界的电离作用，放电仍可以维持，此时气体从非自持放电转化为自持放电，这种现象就叫做气体的击穿，此时所需要的电场强度就是击穿场强，相应的电压就是击穿电压。上述的这类过程就叫做汤森放电，汤森认为，气体在宇宙射线或者其它因素的影响下，本身就有一定的电离，称为剩余电离。当外加电场不够大时，点电流很小，电流密度很低，在空间的分布是均匀的

3、，此时电流随着电压的增大是线性增加，趋于饱和。这个过程是暗放电，不发光。当电场足够大时，电子的能量越来越大，发生电子碰撞，从而电子的数量进一步提高，电流快速增加，与此同时，会产生光辐射，从而有光电效应的产生。同时也会产生离子，随着电场的增加离子的能量增加，会轰击阴极产生二次电子发射，极大的提高了阴极发射电子的速率，当阴极发射足够强时发生电子击穿，条件如下：1889年帊刑经过一系列的实验发现了帊刑定律 A和B为实验常数，其中击穿条件可以表示为： 帕邢曲线是根据帕邢定律的函数表达式所绘制的曲线,表达的物理意义为：击穿电压U（千伏）仅是电极距离d（厘米）和气压P（托）乘积的函数.帕邢定律是表征均匀电

4、场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。根据定值d，改变P，从而画出U随P变化的曲线即帕邢曲线。实验内容与步骤： （1）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； （2）依次打开电源开关预热，真空计开关，流量计电源开关，氩气瓶主阀门； （3）打开机械磊进行抽气，只显示的气压是最低值开始进行下一步的实验； （4）调节减压阀，使得流量计前气压在0-1 大气压之间 （5）调节通气流量，使得气压为20pa；（6）实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档 ；（7）调节电压输出，迅速增至250v，然后缓慢的增加电压值，至发生气体击穿，可以通过

5、二极管两端的电压突变来确定，记录下发生气体击穿时的电压值，缓慢回调电压，直至放电熄灭，重复3次；（8）增加气体流量至30pa，重复（7），直至压强调到了100pa；（9）减小气压至5pa，重复（7），然后每次增加2pa左右，重复(7),记录下相应的实验数据；（10）实验完毕后，调节气体流量控制旋钮至最小位置，调节电压最小值，依次关闭电压、机械泵、冷却水、电源开关。测量方法： 测量顺序必须严格遵守，第一组数据从20Pa开始测量，而后依次增加10Pa至100Pa，进行线性区测量，而后调回20Pa，从20Pa开始逐渐降低气压测量，否则，如果在测完100Pa后直接测5Pa左右的时候，之前100Pa时在

6、管内残留有较多的电离的粒子，会对试验产生很大影响。而且在每次读取完击穿电压值后，必须先调回50V以下，使放电熄灭，去除部分电离的粒子，也避免了在调节气压过程中出现再次击穿，使下一组数据的测量的初始条件较上一组变化不大。由于气压小于20Pa时处于非线性区，所以在此区间测量间隔应减小.测量数据时要求每组测得3-6个数据，取近似相同的三组数据然后取平均值以提高实验精度。实验数据与处理d=6.90cm画出氮气的帕邢曲线为： U/VPd/cmmmHg实验结论：临界气压约为5Pa，最低击穿电压为289.0V。2cmmmHg之后增长特别快，符合指数增长规律。实验结果与讨论 氮气压强太大或太小都不利于气体起辉

7、，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. 在读数过程中发现，电压值在击穿后会出现下降，当气压值较高时尤为明显，这是由于击穿后，电流电流自动增加，放电电压借助回路自动适应调整，特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性，导致电压降低.另外，在气压较低时，可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大，击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散. 在实验中我深刻的体会到了理论与实际的区别，我们的操作条件可能不够完善，所以得出的临介气压与理论上的临界气压有区别，可能是刚开始测量时真空管内不完全是氮气，随着实验的进行，空气被逐渐排出，理应将20Pa及以后附近的点再测一遍。1.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