低压气体直流放电讲义.docx

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（Paschen’s 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（Townsend）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（Paschen’s 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 1 1.1 实验原理 1 1.2 实验内容 1 二、实验仪器及设备 2 三、实验方法与步骤 2 3.1 实验方法 2 3.2 实验步骤 2 四、实验数据与分析 3 4.1 实验数据 3 4.2 数据分析 4 五、实验结果与讨论 5 5.1 实验结果 5 5.2 问题讨论 5 5.3心得体会 5 一、实验原理与内容 1.1 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，Paschen’s 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，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： 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： 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。 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