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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?过程和??过程描述电子雪崩电离和二次电子发射。 ??过程，实际上二次电子发射和阴极光电效应过程统称为?过程。?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 其中?和?是?过程和?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，?和?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?是气压）????????????????????????????????????????????????????? **-2 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?为常数，这样击穿条件可表示为： ?????? **- 这一关系说明击穿电压仅是Pd的函数． 由于 A、B 和?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． 1.击穿电压是气体击穿发生的电压，想一想放电的熄灭电压为什么与击穿时的电压不同。 2.你对提高实验中击穿状态的判断精度还有什么建议 【参考文献】