低壓氣體直流擊穿特性試驗(yàn)報(bào)告

1、大連理工大學(xué)dalian university of technology 低壓氣體直流擊穿特性試驗(yàn)報(bào)告專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：完成時(shí)間 : 大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告- i - 摘要?dú)怏w放電是指氣體在電場作用下從產(chǎn)生載流子定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的現(xiàn)象，是氣體中的原子或者分子等中性粒子因?yàn)槟撤N激勵(lì)因素的作用而發(fā)生電離產(chǎn)生正負(fù)帶電粒子的過程。不同工作條件下產(chǎn)生的氣體放電現(xiàn)象，具有不同的放電特性，低氣壓氣體的放電現(xiàn)象是研究最早的，理論最為成熟的， 應(yīng)用最為廣泛的放電現(xiàn)象。氣體放電通常稱為非自持放電和自持放電，從非自持到自持放電的過渡現(xiàn)象稱為擊穿過程。1672 年，gottfried wilhelm 首次在旋轉(zhuǎn)硫磺

2、球上發(fā)現(xiàn)了人工條件下的電火花，揭示了氣體放電的物理本質(zhì)；1802 年彼得洛夫發(fā)現(xiàn)了電弧放電；1889 年paschen研究了低氣壓放電的擊穿現(xiàn)象，得到了擊穿電壓與氣壓和電極間隙的依賴關(guān)系，并找到了擊穿電壓的最小值， 低氣壓氣體擊穿過程的試驗(yàn)規(guī)律研究獲得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。 1903 年湯森提出了氣體擊穿的湯森理論，得到了湯森擊穿判據(jù)。這一理論在解釋低氣壓氣體擊穿規(guī)律上獲得了巨大成功，至今，這一理論仍然是適用的。關(guān)鍵詞：氣體放電；帕邢定律；放電擊穿- ii - 目錄摘要. i i 1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理 . 12. 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 . 13. 實(shí)驗(yàn)方法與步驟 . 24. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析 . 35. 實(shí)驗(yàn)

3、結(jié)果與討論 . 46. 實(shí)驗(yàn)課后習(xí)題解答 . 57. 實(shí)驗(yàn)感悟 . 6-1- 1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理1.1 實(shí)驗(yàn)原理(1) 低氣壓氣體擊穿現(xiàn)象氣體放電分為自持放電和非自持放電。非自持放電是指存在外電離原因的條件下才能維持的放電現(xiàn)象。 自持放電是指沒有外電離因素， 放電現(xiàn)象能夠在導(dǎo)電電場的支持下自主維持下去的放電過程。氣體從非自持放電到自持放電的過度現(xiàn)象，成為氣體的擊穿。 氣體發(fā)生這種放電方式轉(zhuǎn)化的電場強(qiáng)度稱為擊穿場強(qiáng)，相應(yīng)的放電電壓稱為擊穿電壓。(2) 帕邢定律 1889 年帕邢研究了低氣壓 （氣壓 1-100pa）放電的擊穿現(xiàn)象， 發(fā)現(xiàn)低氣壓氣體在平行板電極條件下， 其擊穿電壓 vs 是氣壓和

4、電極間隙之積 pd 的函數(shù)，并找到了擊穿電壓的最小值， 這一擊穿電壓與間距和氣壓乘積的函數(shù)關(guān)系稱為帕邢定律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：擊穿電壓與 pd 的函數(shù)在開始是非線性關(guān)系， 先下降后上升一段，但后來是線性上升的；并且在特定的pd 值時(shí)，擊穿電壓有極小值，整條曲線成對(duì)勾狀。對(duì)于所有的氣體，在低氣壓范圍內(nèi)，其擊穿電壓與pd 值的函數(shù)曲線具有相似性，這就是帕邢定律的普適性。1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）設(shè)定電極間隙在89cm之間，測量氮?dú)鈿鈮涸冢?-100pa）范圍的擊穿電壓數(shù)據(jù)。（2）計(jì)算帕邢參數(shù)， 繪制氮?dú)獾呐列锨€， 找出最小擊穿電壓和最佳擊穿條件。2. 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備直流輝光等離子體實(shí)驗(yàn)裝置：（1）放電管：用

5、于實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾膿舸┖头烹姟＃?）放電電源：可以提供01500v的可調(diào)電壓輸出，為放電管提供電場。-2- （3）氮?dú)獾乃蜌馀c調(diào)節(jié)系統(tǒng)：為實(shí)驗(yàn)提供氬氣，調(diào)節(jié)放電管的氣壓。（4）電壓測量系統(tǒng)：基于二極管導(dǎo)通特性的擊穿電壓測量。（5）循環(huán)水冷卻系統(tǒng)：為保持放電管的溫度恒定，對(duì)放電電極實(shí)施冷卻。3. 實(shí)驗(yàn)方法與步驟3.1 實(shí)驗(yàn)方法本次實(shí)驗(yàn)主要是測量氮?dú)鈿庠?-100pa氣壓下所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，用所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)，然后擬合出帕邢曲線。測量時(shí)，將氣壓穩(wěn)定在一個(gè)值，然后不斷增大兩極的電壓， 直至顯示二極管兩端的電壓發(fā)生突變，記下突變前的兩極電壓， 即作為該氣壓下氮?dú)獾膿舸╇妷海?每一個(gè)氣壓對(duì)應(yīng)測量三次， 取平

6、均值即為該氣壓下氮?dú)獾膿舸╇妷骸?.2 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 測量兩電極之間間距。(2) 檢查放電管與電源電極之間的連接是否可靠；電源調(diào)壓旋扭是否最小位置。氣體流量調(diào)節(jié)旋扭是否最小位置。(3) 打開電源開關(guān)；開啟循環(huán)水泵，檢查循環(huán)水是否正常。(4) 打開真空計(jì)開關(guān)。(5) 開啟機(jī)械泵，抽真空至 2-3pa。(6) 調(diào)節(jié)流量計(jì)的通氣流量，至放電管內(nèi)氣壓增至10pa 。(7) 實(shí)驗(yàn)儀的功能選擇開關(guān)調(diào)至“擊穿電壓”測量檔。(8) 打開高壓電源。(9) 調(diào)節(jié)電源的電壓輸出，可以先快速調(diào)節(jié)，然后在快到擊穿時(shí)緩慢調(diào)節(jié)電壓，直至氣體發(fā)生擊穿現(xiàn)象。 讀取擊穿時(shí)的電壓 記錄氣壓和電壓的數(shù)值 把電壓降至0v 在緩慢增加

7、電壓的過程中， 時(shí)刻觀察電壓表和指示二極管管壓降的指示每個(gè)氣壓條件下， 至少要重復(fù) 3 次測量，直到測得比較穩(wěn)定的擊穿電壓。不同測量回合得到的擊穿電壓變化要小于5% 。(10) 依次增加氣體流量，每次增加10pa，重復(fù)步驟 (9) 。直至氣壓達(dá)到 100 pa，- 3 -這中間至少要測量 8組數(shù)據(jù)。(11) 減小氣壓至 10pa ，重復(fù)步驟 (9) 。(12) 依次減小氣壓，每隔 2pa，重復(fù)測量，直至 4pa，這中間至少測量 4組數(shù)據(jù)。(13) 實(shí)驗(yàn)完畢后， 調(diào)節(jié)氣體流量控制旋鈕至最小位置，調(diào)節(jié)電壓至最小值， 依次關(guān)閉電壓、機(jī)械泵、冷卻水，電源開關(guān)。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 注

8、 ：平均值為擊穿電壓三次測量值的平均值。4.2 放電間隙：87mm 大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告- 4- - 4 - 4 -5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論5.1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列出帕邢曲線表注： （1）當(dāng)氣壓為 10pa時(shí)，取兩次測量的平均值的平均值。（2）100pa=750 mmhg 5.2 根據(jù)帕邢曲線表繪制帕邢曲線圖- 5 -5.3 帕邢曲線分析根據(jù)matlab 編程找出的氮?dú)庾钚舸╇妷杭白罴褤舸l件：所以最佳擊穿條件為 pd=652.5cm mmhg ，最小擊穿電壓為 460v5.4 帕邢曲線成因分析氣體被擊穿時(shí)滿足湯森擊穿條件：1+=*exp（ d）。其中和是過程和過程的湯森系數(shù)， d 是放電電極間隙

9、。 是與電極材料和離子能量有關(guān)的，與壓強(qiáng)p無關(guān)。 是氣壓 p和場強(qiáng)（ v/d）的函數(shù)：其中a和b為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。因此，由湯森擊穿條件可知， 在本實(shí)驗(yàn)中 達(dá)到一個(gè)定值時(shí)， 氣體就會(huì)發(fā)生擊穿?？芍?，擊穿電壓與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系與曲線吻合。6. 實(shí)驗(yàn)課后習(xí)題解答思考題1. 擊穿電壓是氣體擊穿發(fā)生的電壓，放電的熄滅電壓為什么與擊穿電壓不同？答：擊穿電壓是放電從非自持狀態(tài)過渡到自持的那個(gè)電壓；而熄滅電壓世在擊穿之后再減小， 直到放電結(jié)束的那個(gè)電壓。 熄滅電壓的環(huán)境是存在了很多很多的電子離子，而擊穿過程發(fā)生在電子數(shù)不斷增加的過程，因而需要電壓不斷增高， 以- 6 -積累足夠電荷， 以至電荷產(chǎn)生的電場影響了外加電場。所以放電的熄滅電壓與擊穿電壓不同。7. 實(shí)驗(yàn)感悟在調(diào)節(jié) 10-4pa 氣壓的時(shí)候難度比10-100pa 的大，所以需要更加耐心和認(rèn)真。 調(diào)節(jié)氣壓穩(wěn)定后才可轉(zhuǎn)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)鈕，開始測量此時(shí)的擊穿電壓。在測量10-4pa氣壓所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓時(shí)， 每次讀取數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)都是一閃而過， 并且擊穿電壓的與人的調(diào)節(jié)速度等外在因素也有一定的原因，所以一定要仔細(xì)， 并且找到自己的恒定的調(diào)節(jié)方