大连理工大学：《大学物理》课程教学资源（实验讲义）低气压气体直流击穿特性——帕邢曲线实验.pdf_大学文库

实验34低气压气体直流击穿特性一帕邢曲线实验气体放电是指电场作用下在气体中产生载流子并定向运动而导电的现象，其中，气体原子或者分子等由于各种激励作用过程而发生电离产生正负带电粒子。不同激励过程导致的气体放电现象和特性不同。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形式。根据电离过程发生频度的不同，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。1672年，GottfriedWilhelm首次利用旋转硫磺球实现了人工闪电，证实了闪电的本质是气体放电；1802年彼得洛夫实现了电弧放电模式；1889年前后，物理学家帕邢（Paschen）对低气压气体击穿现象进行了系统研究，并在总结前人的大量实验数据基础上，建立了击穿特性的实验规律，称为帕邢定律（Paschen'sLaw），气体击穿规律研究取得突破性进展。1903年英国物理学家汤森（Townsend）提出气体击穿汤森机制，建立汤森判据，在解释气体击穿实验规律方面获得巨大成功，至今，这些内容仍然是气体放电理论的基础。【实验目的】（1）了解真空和气压控制方法，掌握测量击穿电压的电路技术。（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电压的关系，体会探索物理规律的实验研究过程。（3）测量帕邢曲线，理解帕邢定律。【实验内容与要求】（1）认识低气压气体直流击穿现象测量氩（氮）气击穿的帕邢曲线。（2）了解汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性【实验仪器】直流辉光等离子体实验装置该装置是一台辉光放电等离子体的综合实验装置，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0-1500V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。除此之外，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。【实验原理】（1）低气压气体击穿现象常态下气体是绝缘体，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，并且电离数量达到一定比例，气体就具有了导电能力。如果同1

1 实验 34 低气压气体直流击穿特性—帕邢曲线实验气体放电是指电场作用下在气体中产生载流子并定向运动而导电的现象，其中，气体原子或者分子等由于各种激励作用过程而发生电离产生正负带电粒子。不同激励过程导致的气体放电现象和特性不同。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形式。根据电离过程发生频度的不同，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。 1672 年，Gottfried Wilhelm 首次利用旋转硫磺球实现了人工闪电，证实了闪电的本质是气体放电；1802 年彼得洛夫实现了电弧放电模式；1889 年前后，物理学家帕邢（Paschen）对低气压气体击穿现象进行了系统研究，并在总结前人的大量实验数据基础上，建立了击穿特性的实验规律，称为帕邢定律（Paschen’s Law），气体击穿规律研究取得突破性进展。1903 年英国物理学家汤森（Townsend）提出气体击穿汤森机制，建立汤森判椐，在解释气体击穿实验规律方面获得巨大成功，至今，这些内容仍然是气体放电理论的基础。【实验目的】（1）了解真空和气压控制方法，掌握测量击穿电压的电路技术。（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电压的关系，体会探索物理规律的实验研究过程。（3）测量帕邢曲线，理解帕邢定律。【实验内容与要求】（1）认识低气压气体直流击穿现象．测量氩（氮）气击穿的帕邢曲线。（2）了解汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性．【实验仪器】直流辉光等离子体实验装置该装置是一台辉光放电等离子体的综合实验装置，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 0-1500V 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。除此之外，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。【实验原理】（1）低气压气体击穿现象常态下气体是绝缘体，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，并且电离数量达到一定比例，气体就具有了导电能力。如果同

时施加电场，气体中的带电粒子就会定向迁移形成电流，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外在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系，能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。在外电离因素支持下，气体中会存在一定量的背景电离过程，因而含有一定浓度的带电粒子，可以在外加电场作用下形成导电电流。随着电场的增加，电流强度逐渐增加，当电场强至一定值，气体中的放电电流会突然迅速增加，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。（2）汤森（Townsend）放电理论对气体从非自持放电到自持放电的整个过程及现象，1903年前后，汤森（Townsend）首先进行了详细观察分析研究，并提出了汤森（Townsend）放电和击穿机制，建立了放电理论，这一类服从汤森（Townsend）放电机制的放电过程被总称为汤森（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，获得能量的电子义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。气体击穿就是二次电子发射和电子雪崩电离共同发生而产生的一种现象。汤森（Townsend）引入了α过程和Y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：由于宇宙射线的作用，气体中总存在一定量电离事件，即背景电离。当外加电场较小时，只是背景电离能够产生载流子，并被外加电场驱动而迁移，形成电流，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。随着电场的继续增加，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原子分子的激发而发光，放电便不再是暗放电。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。电离过程也产生离子，并向阴极加速移动。随着电场增强，离子撞击阴极的能量也增加。当电场达到足够强时，离子轰击可在阴极诱导二次电子发射，这一过程称为过程。过程极大提高了阴极发射电子能力。若阴极发射足够强，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]1 +y= yead(34-1)其中α和是a过程和过程的汤森（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。（3）帕邢（Paschen）定律与帕邢（Paschen）曲线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，放电特性与电极形状、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2

2 时施加电场，气体中的带电粒子就会定向迁移形成电流，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外在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，能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。在外电离因素支持下，气体中会存在一定量的背景电离过程，因而含有一定浓度的带电粒子，可以在外加电场作用下形成导电电流。随着电场的增加，电流强度逐渐增加，当电场强至一定值，气体中的放电电流会突然迅速增加，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。（2）汤森（Townsend）放电理论对气体从非自持放电到自持放电的整个过程及现象，1903 年前后，汤森（Townsend）首先进行了详细观察分析研究，并提出了汤森（Townsend）放电和击穿机制，建立了放电理论，这一类服从汤森（Townsend）放电机制的放电过程被总称为汤森（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，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。气体击穿就是二次电子发射和电子雪崩电离共同发生而产生的一种现象。汤森（Townsend）引入了过程和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：由于宇宙射线的作用，气体中总存在一定量电离事件，即背景电离。当外加电场较小时，只是背景电离能够产生载流子，并被外加电场驱动而迁移，形成电流，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。随着电场的继续增加，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原子分子的激发而发光，放电便不再是暗放电。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。电离过程也产生离子，并向阴极加速移动。随着电场增强，离子撞击阴极的能量也增加。当电场达到足够强时，离子轰击可在阴极诱导二次电子发射，这一过程称为过程。过程极大提高了阴极发射电子能力。若阴极发射足够强，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： d e  1     (34-1) 其中和是过程和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。（3）帕邢（Paschen）定律与帕邢（Paschen）曲线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，放电特性与电极形状、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通过实验系统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'sFactor）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定律可以一定条件下利用Townsend理论加以解释。根据击穿条件34-1式，α和决定击穿电压，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(34-2)其中A和B为实验常数与电极材料和离子能量有关，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：BPdV,=-(34-3)APdIn(In(1 +1 / )这一结果表明击穿电压仅是Pd的函数，这一结论与Paschen定律一致。由于A、B和等常数与气体种类和电极材料有关，不同气体帕邢曲线相似但差别巨大。【实验要求与提示】（1）实验内容【1】设定电极间隙在6-7cm之间，测量氩气气压在（4-100Pa）范围的击穿电压数据。【2】计算帕邢参数，绘制氩气的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件（2）实验步骤【1】测量两电极间距【2】检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠：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2Pa左右，大约需要15分钟.【6】调节减压阀，使得流量计前气压在0-1大气压之间，3

3 不同放电模式。 1889 年，Paschen 通过实验系统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 定律可以一定条件下利用 Townsend 理论加以解释。根据击穿条件 34-1 式， 和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是气压 P 和场强（V/d）的函数： BPd V APe /   (34-2) 其中和为实验常数． 与电极材料和离子能量有关，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： ) ln(1 1/ ) ln(    APd BPd Vs (34-3) 这一结果表明击穿电压仅是 Pd 的函数，这一结论与 Paschen 定律一致。由于 A、B 和等常数与气体种类和电极材料有关，不同气体帕邢曲线相似但差别巨大。【实验要求与提示】（1）实验内容【1】设定电极间隙在 6-7cm 之间，测量氩气气压在（4-100Pa）范围的击穿电压数据。【2】计算帕邢参数，绘制氩气的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件．（2）实验步骤【1】测量两电极间距. 【2】检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠；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 2Pa 左右，大约需要 15 分钟．【6】调节减压阀，使得流量计前气压在 0-1 大气压之间．

【7】调节流量计的通气流量，至放电管内气压增加至20Pa【8】功能选择开关调至《击穿电压》测量档【9】打开高压电源开关。【10】调节电源的电压输出，可以快速快速升高电压，直至气体发生击穿，确定气体击穿电压的大概值。然后降低电压至零，再次升高电压，可以将电压快速增至略低于之前确定的击穿电压，可以低于20-30V，然后缓慢升高电压，直至发生击穿，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。注意：（a）增加电压的过程中，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数。(b）每个气压下，至少要重复3次测量，以三次击穿电压测量值之间的偏差不大于5%可认为是成功测量，以得到可靠击穿电压。(c）在气压较高时，击穿后，放电管的电压会有明显下降，这是因为回路电流增加后，电源输出电压下降所致。所以击穿瞬间的放电管电压为气体击穿电压。【11】增加气体流量，使气压升高至30Pa左右，重复【10】的测量。【12】依次增加气体流量，每次增加10Pa左右，重复【10]。直至气压达到100Pa。得到8-9组实验数据即可。【13】减小气体流量，使气压回复至20Pa左右，重复【10】，再次测量击穿电压，并对比。【14】依次减小气压，每隔2Pa左右重复一次测量，直至4Pa。只要测得6-7组数据即可。【15】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。【拓展内容】（1）气体击穿的判断，除二极管方法之外，也可以根据放电电流的突变进行。作为拓展实验内容，建议进行尝试，并对两种方法进行比较。（2）气体的击穿和放电熄灭是不可逆的，击穿之后，建议进行熄灭电压的测量，研究熄灭电压与击穿电压的差别。【数据处理及结果分析】参加实验课之前，必须完成实验预习。实验结束后按照研究报告的要求撰写实验论文，数据处理和结果分析在实验论文中作为主要段落完成。1.预习报告：（1）阅读实验讲义和参考文献1中的相关章节，了解Townsend机制，掌握基本内容。（2）阅读文献1中Paschen定律章节，掌握Paschen曲线，理解其物理意义。（3）查阅氩（氮）气击穿特性的文献资料，对氩（氮）气击穿电压形成较准确的量级概念。（4）预习报告应该包括两个部分：实验目的：实验原理。并参加实验课堂预习。4

4 【7】调节流量计的通气流量，至放电管内气压增加至 20Pa．【8】功能选择开关调至《击穿电压》测量档【9】打开高压电源开关。【10】调节电源的电压输出，可以快速快速升高电压，直至气体发生击穿，确定气体击穿电压的大概值。然后降低电压至零，再次升高电压，可以将电压快速增至略低于之前确定的击穿电压，可以低于 20-30V，然后缓慢升高电压，直至发生击穿，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。注意：(a) 增加电压的过程中，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数。 (b) 每个气压下，至少要重复 3 次测量，以三次击穿电压测量值之间的偏差不大于 5%可认为是成功测量，以得到可靠击穿电压。 (c) 在气压较高时，击穿后，放电管的电压会有明显下降，这是因为回路电流增加后，电源输出电压下降所致。所以击穿瞬间的放电管电压为气体击穿电压。【11】增加气体流量，使气压升高至 30Pa 左右, 重复【10】的测量。【12】依次增加气体流量，每次增加 10Pa 左右，重复【10】。直至气压达到 100Pa。得到 8-9 组实验数据即可。【13】减小气体流量，使气压回复至 20Pa 左右，重复【10】，再次测量击穿电压，并对比。【14】依次减小气压，每隔 2Pa 左右重复一次测量，直至 4Pa。只要测得 6-7 组数据即可。【15】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。【拓展内容】（1）气体击穿的判断，除二极管方法之外，也可以根据放电电流的突变进行。作为拓展实验内容，建议进行尝试，并对两种方法进行比较。（2）气体的击穿和放电熄灭是不可逆的，击穿之后，建议进行熄灭电压的测量，研究熄灭电压与击穿电压的差别。【数据处理及结果分析】参加实验课之前，必须完成实验预习。实验结束后按照研究报告的要求撰写实验论文，数据处理和结果分析在实验论文中作为主要段落完成。 1. 预习报告：（1）阅读实验讲义和参考文献 1 中的相关章节，了解 Townsend 机制，掌握基本内容。（2）阅读文献 1 中 Paschen 定律章节，掌握 Paschen 曲线，理解其物理意义。（3）查阅氩（氮）气击穿特性的文献资料，对氩（氮）气击穿电压形成较准确的量级概念。（4）预习报告应该包括两个部分：实验目的；实验原理。并参加实验课堂预习