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1、大连理工大学Dalian University of Technology低压气体直流击穿特性试验报告低压气体直流击穿特性试验报告专 业：学生姓名：学 号：完成时间:大连理工大学实验报告 - I -摘 要气体放电是指气体在电场作用下从产生载流子定向运动而导电的现象，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过程。不同工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体的放电现象是研究最早的，理论最为成熟的，应用最为广泛的放电现象。气体放电通常称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 Wi
2、lhelm 首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的电火花，揭示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 研究了低气压放电的击穿现象，得到了击穿电压与气压和电极间隙的依赖关系，并找到了击穿电压的最小值，低气压气体击穿过程的试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，得到了汤森击穿判据。这一理论在解释低气压气体击穿规律上获得了巨大成功，至今，这一理论仍然是适用的。关键词：气体放电 ；帕邢定律 ；放电击穿- II -目 录摘要.II1.实验内容与原理.12.实验仪器与设备.13.实验方法与步骤.24.实验数据与分析.35.实验结果
3、与讨论.46.实验课后习题解答.57.实验感悟.6-1-1.实验内容与原理1.1 实验原理(1)低气压气体击穿现象 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。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)帕邢定律 1889 年帕邢研究了低气压（气压1-100Pa）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
4、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 的函数在开始是非线性关系，先下降后上升一段，但后来是线性上升的；并且在特定的Pd 值时，击穿电压有极小值，整条曲线成对勾状。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。1.2 实验内容（1）设定电极间隙在 89cm 之间，测量氮气气压在（4-100Pa）范围的击穿电压数据。（2）计算帕邢参数，绘制氮气的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件。2.实验仪器与设备直流辉光等离子体实验装置：（1）放电管：用于实现氮气的击穿和放电。大连理工大学实验报告 - 4
5、 -（2）放电电源：可以提供 01500V 的可调电压输出，为放电管提供电场。-2-（3）氮气的送气与调节系统：为实验提供氩气，调节放电管的气压。（4）电压测量系统：基于二极管导通特性的击穿电压测量。（5）循环水冷却系统：为保持放电管的温度恒定，对放电电极实施冷却。3.实验方法与步骤3.1 实验方法本次实验主要是测量氮气气在4-100Pa气压下所对应的击穿电压，用所测得数据进行描点，然后拟合出帕邢曲线。测量时，将气压稳定在一个值，然后不断增大两极的电压，直至显示二极管两端的电压发生突变，记下突变前的两极电压，即作为该气压下氮气的击穿电压，每一个气压对应测量三次，取平均值即为该气压下氮气的击穿电
6、压。3.2 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。(6)调节流量计的通气流量，至放电管内气压增至10Pa。(7)实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档。(8)打开高压电源。(9)调节电源的电压输出，可以先快速调节，然后在快到击穿时缓慢调节电压，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0V在缓慢增加电压的过程中，时刻观察电压表和指示二极管管压降的指示每个气
7、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要小于5%。(10)依次增加气体流量，每次增加10Pa，重复步骤(9)。直至气压达到100 Pa，- 3 -这中间至少要测量8组数据。(11)减小气压至10Pa，重复步骤(9)。(12)依次减小气压，每隔2Pa，重复测量，直至4Pa，这中间至少测量4组数据。(13)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。4.实验数据与分析4.1 实验数据表注：平均值为击穿电压三次测量值的平均值。4.2 放电间隙 ：87mm- 4 -5.实验结果与讨论5.1 根
8、据实验数据列出帕邢曲线表注： （1）当气压为 10Pa 时，取两次测量的平均值的平均值。（2）100Pa=750 mmHg5.2 根据帕邢曲线表绘制帕邢曲线图- 5 -5.3 帕邢曲线分析根据matlab编程找出的氮气最小击穿电压及最佳击穿条件：所以最佳击穿条件为Pd=652.5cmPd=652.5cm mmHgmmHg，最小击穿电压为460V460V5.4 帕邢曲线成因分析 气体被击穿时满足汤森击穿条件：1+=*exp（d）。其中 和 是 过程和 过程的汤森系数，d 是放电电极间隙。 是与电极材料和离子能量有关的，与压强 P 无关。 是气压 P 和场强（V/d）的函数：其中A和B为实验常数。
9、因此，由汤森击穿条件可知，在本实验中达到一个定值时，气体就会发生击穿。可知，击穿电压与气体压强的关系与曲线吻合。6.实验课后习题解答思考题1.击穿电压是气体击穿发生的电压，放电的熄灭电压为什么与击穿电压不同？答：击穿电压是放电从非自持状态过渡到自持的那个电压；而熄灭电压世在击大连理工大学实验报告 - 4- 6 -穿之后再减小，直到放电结束的那个电压。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- 6 -积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场。所以放电的熄灭电压与击穿电压不同。7.实验感悟在调节 10-4Pa 气压的时候难度比 10-100Pa 的大，所以需要更加耐心和认真。调节气压稳定后才可转动电压调节钮，开始测量此时的击穿电压。在测量 10-4Pa 气压所对应的击穿电压时，每次读取数据，数据都是一闪而过，并且击穿电压的与人的调节速度等外在因素也有一定的原因，所以一定要仔细，并且找到自己的恒定的调节方法。在测量 10-100Pa 气压所对应的击穿电压时，可直接凭借气体两端电压的突变，读出数值，电压越高气体放电的现象越显著，非常漂亮。参考文献：1余虹,张家良,等.大学物理实验.北京：科学出版社 2011：195199.2徐学基,气体放电物理学.上海：复旦大学出版社，2003.
