大连理工大学低压气体直流击穿特性

氩气的低压直流击穿特性

及帕邢曲线研究

姓名： 学号： 学部（学院）：运载工程与力学学部 指导教师： 氩气的低压直流击穿特性及帕邢曲线

XXX

摘 要

我们通过测量氩气在电极间隙为4.55cm，气压在20-100Pa内均匀分布的的8组气体直流击穿电压和气压在20-4.0Pa内均匀分布的7组气体击穿电压数据（每组数据含三次偏差不大于 5%击穿电压测量值），绘制出了氩气的帕邢曲线，并在曲线上找出了最小击穿电压。从实验中进一步认识了低气压气体直流击穿现象，进一步掌握了汤森击穿理论和帕邢曲线的物理意义。

关键词：氩气; 低压直流击穿特性; 帕邢曲线

目的与原理

实验目的是认识低气压气体直流击穿现象，研究雪崩电离过程与气体击穿状态的联系；通过观测直流暗放电的脉冲现象，研究电子碰撞引起雪崩电离的过程；了解低气压的实现和维持方法，了解气体压强的测量原理，并通过从实验现象的理性分析得到理论普遍性规律。

常态下气体是绝缘体，没有导电能力。如果采用一定的激励方式，可使气体分子电离而形成带电粒子，当发生电离的粒子数量达到一定值，气体就可以导电。如果施加电场，气体中的带电粒子就会定向运动形成电流，即发生气体放电现象。

低压气体放电分为自持放电和非自持放电两种模式。非自持放电是指存在施加电场之外的电离因素才能维持的放电，例如：用紫外光或者放射线照射气体，使气体电离。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。自持放电是指没有其他外电离因素，能够在外加电场的支持下自主维持下去的放电。

在宇宙射线的支持下，气体中会自然存在一定量的背景电离，因而含有一定浓度的带电粒子，在外加电场作用下可以形成电流，随着电场强度逐渐增加，电流强度逐渐增加。当电场强至一定值，气体中的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，即气体的击穿。气体发生击穿所需要的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。

对气体从非自持放电到自持放电的击穿过程和现象，1903年前后，汤森（Townsend）首先进行了详细研究，提出了汤森（Townsend）放电和击穿机制，建

立了汤森判据，这一类服从汤森（Townsend）放电机制的放电过程被称为汤森（Townsend）放电。汤森（Townsend）机制认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离的结果，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，从而发生雪崩电离产生电子倍增过程，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射以补足电子的损耗。汤森（Townsend）引入了α过程和γ 过程描述电子雪崩电离和二次电子发射。

根据汤森（Townsend）理论，气体击穿过程包括以下步骤：由于宇宙射线，气体中总存在背景电离。当外加电场较小时，只是背景电离产生电子，并被外加电场驱动形成电流，此时电流密度很低并且空间分布均匀，电流强度随电压线性增加，并逐渐趋于饱和。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。随着电场增加，电子逐渐获得了更高能量从而发生电子碰撞电离使电子数量进一步提高，导致电流迅速增长。同时，电子碰撞过程也产生光辐射，光子照射阴极表面发生光电效应，产生阴极电子发射，使得电子密度进一步增加。在电离过程中同时也产生离子，并向阴极加速移动。随着电场继续增强，离子撞击阴极时的能量也在增加。当电场达到一定强度时，离子轰击阴极能量足够大，可在阴极诱导二次电子发射，这一过程称为γ 过程。γ过程极大提高了阴极发射电子能力．当阴极电子发射足够强时，气体放电便自持而发生击穿。由此，建立起汤森（Townsend）击穿条件，如下：

1+γ=γe

d

其中α和γ是α过程和γ过程的汤森（Townsend）系数，也称为汤森（ Townsend）第一电离系数和第三电离系数，d是放电电极间隙。

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： α= APe.BPd /V

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：

Vs =

BPd

APdln()ln(11/)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．

内容与方法

通过测量氩气在电极间隙为4.55cm，气压在20-100Pa内均匀分布的的8组气体直流击穿电压和气压在20-4.0Pa内均匀分布的7组气体击穿电压数据（每组数据含三次偏差不大于 5%击穿电压测量值），取每组实验数据3次测量的平均值作为实验数据点，然后在坐标纸上描点，绘制出氩气的帕邢曲线，在曲线上找出最小击穿电压。实验中，电极间隙固定，直接从放电管壁上读出；利用低气压直流辉光放电的发生装置调节直流电压，通过氩气的控制与调节系统调节氩气的气压，直流数字电压表用来读取并记录电压值，气压值可在气压显示器读出。

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是电极距离d和气压P乘积的函数（见图）。帕邢定律在低气压范围有效，气压过高或过高真空中，帕邢定律不适用。曲线的主要特点是：提高气压或是降低气压到真空(例如10-6托)都能提高间隙击穿电压，这概念在实际应用中是有意义的。帕邢曲线在特定的Pd值时，有最小的击穿电压。

帕邢曲线

根据实验数据，描点，画出氩气的帕邢曲线。

步 骤

首先从放电管壁上直接读出两电极之间的实际间距。其次，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。然后打开电源开关，开启循环水泵，检查循环水是否正常，打开真空计开关。然后开启机械泵，抽真空至 2-3Pa（大约需要 15分钟）。接着待指导老师调节减压阀，使得流量计前气压在 0-1大气压之间。然后开始调节流量计的通气流量，至放电管内气压为 20Pa。然后把试验仪的功能选择开关调至《击穿电压》测量档，打开高压电源开关。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 50V以下，为下一次测量做好准备。在每个气压下，重复测量，以三次击穿电压测量值之间的偏差不大于 5%为成功测量，以得到可靠击穿电压。继续增加气体流量，使气压升高至 30Pa左右, 测量3组有效击穿电压（即偏差不大于 5%）。然后依次增加气体流量，每次增加 10Pa左右，分别测量3组有效击穿电压（即偏差不大于 5%）。在气压较高时，击穿前后，放电管的电压会有明显下降，接近击穿时的放电管电压为气体击穿电压。测量直至气压达到 100Pa，从中选得8组实验数据。然后再减小气压使气压回复至 20Pa，重复测量，得到3组有效击穿电压，依次减小气压，每隔 2-3Pa测量一组数据，直至减小到4Pa。从中选定7组数据，数据测量完毕。然后，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。

结 果

氩气低压直流击穿实验数据

20—>100Pa 压电压 1 2 3 平均值 20—>4.0Pa 压电压 1 2 3 平均值 262 260 261 261.0 268 270 269 269.0 270 272 273 271.7 271 273 275 273.0 277 278 280 278.3 320 318 321 319.7 406 405 410 407.0 强 20 18 16 14 10 6.2 4.0 259 260 260 259.3 303 305 302 303.3 340 352 355 349 363 360 365 362.7 380 385 382 382.3 399 403 405 402.3 424 420 425 423.0 438 435 440 437.7 强 20 29 53 64 73 83 92 99

根据测量得到的氩气在电极间隙为4.55cm，气压在20-100Pa内均匀分布的的8组气体直流击穿电压和气压在20-4.0Pa内均匀分布的7组气体击穿电压数据（每组数据含三次偏差不大于 5%击穿电压测量值）及绘制出的氩气帕邢曲线，击穿电压U是电极距离d和气压P乘积的函数。帕邢曲线在Pd=0.910(Pa*m)时，有最小的击穿电压，最小击穿电压U=260.2v。

讨 论

熄灭电压是击穿之后再减小电压，直到放电结束的那个电压，而击穿电压是放电从非自持状态过度到自持的那个电压，熄灭电压的环境是存在了很多很多的电子离子，而击穿过程发生在电子数不断增加的过程，因而需要电压不断增高，以积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场，故击穿电压要高于熄灭电压，而且击穿电压越高，两者之间的差值越明显。

对于提高实验中击穿状态的判断精度，可以从装置设计方面考虑，可以在快达到击穿电压时提高电压调节精度，使电压变化缓慢平稳。例如，可以在已有的电压调节电路中，串联一个单刀双掷开关，开关一端直接作为开关，另一端串联一个调节精度更高阻值适当的电压调节电路。在调节电压过程中，第一次调节时，把单刀双掷开关打到开关一侧，大概确定击穿电压范围，第二次调节时，当电压即将达到击穿电压时，将单刀双掷开关打到串联有电压调节电路一侧，调节继续调节电压，这样可以使电压变化更缓慢，可以观察地更清楚。

心得体会

通过本实验，深刻认识了低气压气体直流击穿现象，进一步了解了雪崩电离过程与气体击穿状态的联系；通过观测直流暗放电的脉冲现象，加深了对电子碰撞引起雪崩电离的过程的认识；了解了低气压的实现和维持方法，了解了气体压强的测量原理。实验过程印象也比较深刻。

参考文献 余虹.大学物理实验.北京：科学出版社.2007