低壓氣體直流擊穿特性試驗報告

1、大連理工大學dalian university of technology 低壓氣體直流擊穿特性試驗報告專業(yè)：學生姓名：學號：完成時間 : 大連理工大學實驗報告- i - 摘要氣體放電是指氣體在電場作用下從產生載流子定向運動而導電的現(xiàn)象，是氣體中的原子或者分子等中性粒子因為某種激勵因素的作用而發(fā)生電離產生正負帶電粒子的過程。不同工作條件下產生的氣體放電現(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；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規(guī)律研究獲得了實質性進展。 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。關鍵詞：氣體放電；帕邢定律；放電擊穿- ii - 目錄摘要. i i 1. 實驗內容與原理 . 12. 實驗儀器與設備 . 13. 實驗方法與步驟 . 24. 實驗數(shù)據(jù)與分析 . 35. 實驗

3、結果與討論 . 46. 實驗課后習題解答 . 57. 實驗感悟 . 6-1- 1. 實驗內容與原理1.1 實驗原理(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)生這種放電方式轉化的電場強度稱為擊穿場強，相應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)關系稱為帕邢定律。實驗發(fā)現(xiàn)：擊穿電壓與 pd 的函數(shù)在開始是非線性關系， 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，擊穿電壓有極小值，整條曲線成對勾狀。對于所有的氣體，在低氣壓范圍內，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 實驗內容（1）設定電極間隙在89cm之間，測量氮氣氣壓在（4-100pa）范圍的擊穿電壓數(shù)據(jù)。（2）計算帕邢參數(shù)， 繪制氮氣的帕邢曲線， 找出最小擊穿電壓和最佳擊穿條件。2. 實驗儀器與設備直流輝光等離子體實驗裝置：（1）放電管：用

5、于實現(xiàn)氮氣的擊穿和放電。（2）放電電源：可以提供01500v的可調電壓輸出，為放電管提供電場。-2- （3）氮氣的送氣與調節(jié)系統(tǒng)：為實驗提供氬氣，調節(jié)放電管的氣壓。（4）電壓測量系統(tǒng)：基于二極管導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，對放電電極實施冷卻。3. 實驗方法與步驟3.1 實驗方法本次實驗主要是測量氮氣氣在4-100pa氣壓下所對應的擊穿電壓，用所測得數(shù)據(jù)進行描點，然后擬合出帕邢曲線。測量時，將氣壓穩(wěn)定在一個值，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， 即作為該氣壓下氮氣的擊穿電壓， 每一個氣壓對應測量三次， 取平

6、均值即為該氣壓下氮氣的擊穿電壓。3.2 實驗步驟(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；電源調壓旋扭是否最小位置。氣體流量調節(jié)旋扭是否最小位置。(3) 打開電源開關；開啟循環(huán)水泵，檢查循環(huán)水是否正常。(4) 打開真空計開關。(5) 開啟機械泵，抽真空至 2-3pa。(6) 調節(jié)流量計的通氣流量，至放電管內氣壓增至10pa 。(7) 實驗儀的功能選擇開關調至“擊穿電壓”測量檔。(8) 打開高壓電源。(9) 調節(jié)電源的電壓輸出，可以先快速調節(jié)，然后在快到擊穿時緩慢調節(jié)電壓，直至氣體發(fā)生擊穿現(xiàn)象。 讀取擊穿時的電壓 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， 時刻觀察電壓表和指示二極管管壓降的指示每個氣壓條件下， 至少要重復 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，重復步驟 (9) 。直至氣壓達到 100 pa，- 3 -這中間至少要測量 8組數(shù)據(jù)。(11) 減小氣壓至 10pa ，重復步驟 (9) 。(12) 依次減小氣壓，每隔 2pa，重復測量，直至 4pa，這中間至少測量 4組數(shù)據(jù)。(13) 實驗完畢后， 調節(jié)氣體流量控制旋鈕至最小位置，調節(jié)電壓至最小值， 依次關閉電壓、機械泵、冷卻水，電源開關。4. 實驗數(shù)據(jù)與分析4.1 實驗數(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 大連理工大學實驗報告- 4- - 4 - 4 -5. 實驗結果與討論5.1 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)列出帕邢曲線表注： （1）當氣壓為 10pa時，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 編程找出的氮氣最小擊穿電壓及最佳擊穿條件：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的，與壓強p無關。 是氣壓 p和場強（ v/d）的函數(shù)：其中a和b為實驗常數(shù)。因此，由湯森擊穿條件可知， 在本實驗中 達到一個定值時， 氣體就會發(fā)生擊穿?？芍?，擊穿電壓與氣體壓強的關系與曲線吻合。6. 實驗課后習題解答思考題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)過渡到自持的那個電壓；而熄滅電壓世在擊穿之后再減小， 直到放電結束的那個電壓。 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. 實驗感悟在調節(jié) 10-4pa 氣壓的時候難度比10-100pa 的大，所以需要更加耐心和認真。 調節(jié)氣壓穩(wěn)定后才可轉動電壓調節(jié)鈕，開始測量此時的擊穿電壓。在測量10-4pa氣壓所對應的擊穿電壓時， 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節(jié)速度等外在因素也有一定的原因，所以一定要仔細， 并且找到自己的恒定的調節(jié)方