低压气体直流击穿实验报告.doc

低压气体直流击穿特性【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 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。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 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。 根据汤森的理论气体放电至击穿的过程分为以下的步骤：气体中由于宇宙射线的存在，使得气体中总是存在一定的电离，这称为剩余电离。当外加电场较小时，只是剩余电离产生的电子被电场驱动定向运动，形成电流，此时电流密度很低并且在空间的分布是均匀的，电流随电压首先线性增加，逐渐趋于电流饱和。这是一种暗放电，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的能量从而发生电子碰撞电离使放电区的电子数量进一步提高，导致电流快速增加。同时，电子碰撞电离过程也伴随大量光辐射过程，光辐射照射阴极表面而发生光电效应，产生阴极电子发射，也使得电子密度进一步增加在电离发生的过程中产生电子的同时也产生离子，离子是向阴极运动的。随着电场的继续增强，离子的能量也在增加当电场达到一定强度时，离子轰击阴极的能量会足够大，从而在阴极产生二次电子发射，这一过程称为过程，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 ：1+=e*d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，d 是放电电极间隙3帕邢定律 如前所述，两个放电电极间的电压增加时，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，气体发生击穿气体发生击穿的临界电压称为气体击穿电压 1889 年Paschen 研究了低气压放电的击穿现象，发现低气压气体在平行板电极条件下，其击穿电压Vs 是气压和电极间隙之积Pd 的函数，并找到了击穿电压的最小值，这一击穿电压与间距和气压乘积的函数关系称为帕邢定律 实验发现：击穿电压与Pd 的函数在一定区间内是线性关系，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，这就是帕邢定律的普适性帕邢定律可以利用汤森理论加以解释 【实验步骤】（1）测量两电极之间间距.（2）检查放电管与电源电极之间的连接是否可靠；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2-3Pa，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，至放电管内气压为20Pa（8）试验仪的功能选择开关调至击穿电压测量档（9）调节电源的电压输出，可以快速调至250V，然后在缓慢调节电压，直至气体发生击穿现象读取击穿时的电压记录气压和电压的数值把电压降至100V注意：增加电压的过程中，时刻观察电压表和指示二极管管压降的指示每个气压条件下， 至少要重复3 次测量，直到测得比较稳定的击穿电压。不同测量回合得到的击穿电压变化小于5%为宜。（10）增加气体流量，使气压升高至30Pa, 重复（9）的测量（11）依次增加气体流量，每次增加10Pa，重复（9）直至气压达到120 帕（12）减小气压至18Pa，重复（8）（13）依次减小气压，每隔2 帕，重复测量，直至5 帕。（14）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。【数据处理】表1：（20->100Pa）气压/Pa193240516171799099击穿电压V1278291292369396436451488508V2284288318352388414457488518V3288286296357386425448488518ave(V)283.3 288.3 302 359.3 390425452488 514.7 表2：（20->5Pa，3.8Pa）气压/Pa3.8568.2101214击穿电压V1305292282288292292303V2309290277280281283292V3303291276281278285289ave(V)305.7 291.0 278.3 283.0 283.7 286.7 294.7 气压/Pa161820击穿电压V1297303290V2300304292V3297297308ave(V)298.0 301.3 296.7 由数据绘制氦气帕邢曲线：【结果与讨论】由图得，278.3为最低击穿电压，临界气压为6Pa左右。【思考题】重复测量20Pa的击穿电压，会有所不同，什么原因？答：真空机不断进行抽气，放电管内氦气浓度发生变化。每次进行击穿实验后放电管内都有剩余的已电离气体粒子。这些都会使结果发生变化。【实验体会】本次低压气体直流击穿试验，使我对日常生活不可缺少的空气进行了更深入了解。试验中每个步骤都有一点的危险性，待读取数据一闪即逝，整个实验过程紧张谨慎。最后的数据，5->20Pa气压过程中，击穿电压变化很小，但大致击穿临界气压与他人接近，尚需思考。