低压气体直流击穿特性

                                                                                                          

【实验目的】

（1）研究低气压的实验和维持方法，了解气压的测量原理。

（2）观测直流暗放电的脉冲现象，研究电子碰撞引起雪崩电离的过程，掌握分析和识别微观现象的实验方法；认识低气压气体直流击穿现象，研究雪崩电离过程与气体击穿状态的联系，初步体会寻找物理现象本质联系的研究方法。

（3）学习从实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的一般认识过程。

【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。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，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，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。

气体首先在外电离因素支持下，可以在电场中传导电流，随着电场的增加，电流强度逐渐增加。当电场强至一定值，气体放电电流突然迅速增加，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，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

上面所描述的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α过程和γ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，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，γ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γ过程，实际上二次电子发射和阴极光电效应过程统称为γ过程。γ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+γ=γ???

其中α和γ是α过程和γ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．根据击穿条件1-1式，α和γ是直接决定击穿电压的，而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=ΛΡ?????/?

其中A和B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，γ但是一旦离子能量远离了临界值，γ与离子能量几乎表现为无关。

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γ为常数，这样击穿条件可表示为：

??=???ln(Λ??ln(1+1/?))

这一关系说明击穿电压仅是Pd的函数。

由于A、B和γ等常数与气体种类和电极材料有关，因此研究不同气体的帕邢曲线是很有意义的。

【实验仪器】

（1）低气压直流辉光放电发生装置 。

（2）氩气的控制与调节系统。

（3）直流数字电压表：读取在一定气压下的截止电压。

【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）打开电源开关。

（10）调节电源的电压输出，可以快速调至200V，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50V以下，为下次测量做好准备。再减小电压的过程中注意观察放电熄灭电压，并注意其与击穿电压的差别。

（11）增加气体流量，使气压升高至20Pa左右，重复（10）操作的测量。

（12）一次增加气体流量，每次增加10Pa左右，重复（10）。直气压达到100Pa。得到8组实验数据即可。

（13）减小气压回复至20Pa左右，重复（10）。

（14）依次减小气压，每隔2-3Pa测量一组数据，直至3Pa。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，调节气压至最小值，依次关闭电压、机械泵、冷却水、电源开关。

【实验数据处理及结果分析】

最小击穿电压：309.3V

临界气压为： 8pa

在30Pa到100Pa呈线性递增的关系。

成因可由“实验原理”知。

【讨论题】

1.熄灭电压是击穿之后再减小电压，直到放电结束的那个电压，而击穿电压是放电从非自持状态过度到自持的那个电压，熄灭电压的环境是存在了很多很多的电子离子，而击穿过程发生在电子数不断增加的过程，因而需要电压不断增高，以积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场，故击穿电压要高于熄灭电压。

2.气体击穿后电路中形成电流，使二极管流过的电流迅速增大，电流表示数显著增大从而判断击穿。可进行多次测量，剔除不合理数据。

3.20Pa左右出现了最低击穿电压，继续向高气压方向进行是为了减小管内气体成分的影响，并在高气压实验过程中把管内空气稀释，尽量接近真空。

4.小于20Pa时，击穿电压的变化较小，而由于气体并不是完全在真空状态下充入，气体本身会产生一定压强，为减小这些压强的作用，故在20Pa以下采取小步幅。

5.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。

6.这是由于击穿后电流电流自动增加放电电压借助回路自动适应调整特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性导致电压降低。另外气压较低时可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散。

7.在每次读取完击穿电压值后必须先调回50V以下使放电熄灭去除部分电离的粒子。

【实验体会】

  通过本次试验，低气压气体放电击穿电压的伏安特性。气体流量计旋钮十分灵敏，不易调节，需要有足够的耐心，足够的毅力去调节旋钮，使之达到符合的气体气压。每组数据需要测量三次，要求十分精准，体现实验的严格性。实验中特别需要注意安全，不要去触碰通电时的发生装置，各种操作需要按不走进行。

 

第二篇：实验报告模板(工大)

实验报告

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4沈阳工业大学实验报告

（适用计算机程序设计类）

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