低压气体直流击穿特性DC breakdown characteristics of low pressure gas
学 院（系）： 建设工程学部
专 业： 土木工程
学 生 姓 名：
学 号：
课 教 师：
完 成 日 期： 2016
XX学
XXof Technology
引言
气体放电指电场作气体中产生载流子定运动导电现象中气体原子者分子等种激励作程发生电离产生正负带电粒子激励程导致气体放电现象特性低气压气体放电研究早理成熟应广泛放电形式根电离程发生频度气体放电分非持放电持放电两种模式非持模式持模式转变称气体击穿
1672年Gottfried Wilhelm首次旋转硫磺球实现工条件电火花放电揭示气体放电质气体导电程1802年彼洛夫发现电弧放电模式1889年前物理学家帕邢（Paschen）低气压气体击穿现象进行系统研究总结前量实验数基础建立击穿电压气压电极间隙实验规律称帕邢定律（Paschen’s Law）低气压气体击穿规律研究获实质性进展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击穿判椐成果解释低气压气体击穿实验规律方面获巨成功理然气体放电理基础
实验摘
通低气压直流辉光放电发生装置研究氦气击穿电压氦气气压关系控制放电极板间隙极板材质变氦气帕邢曲线出氦气击穿电压佳击穿条件讨电压成
实验原理容
1实验目
（1）解真空条件实现低气压获方法掌握测量击穿电压电路技术
（2）认识低气压气体直流击穿现象研究放电条件气体击穿电压关系体会探索物理规律实验研究程
（3） 掌握帕邢定律帕邢曲线
2实验容
（1）认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气气压（4100Pa）范围击穿电压数绘制氩（氮）气击穿帕邢曲线找出击穿电压佳击穿条件
（2）解汤森击穿理理解帕邢曲线物理意义认识帕邢曲线普遍性．
3实验原理
（1）低气压气体击穿现象
常态气体绝缘体没载流力果采定激励方式气体中性粒子发生电离形成正负带电粒子电离数量达定例气体具导电力果时施加电场气体中带电粒子会定迁移形成电流发生气体放电现象
低压气体放电分持放电非持放电两种模式非持放电指存外电离素维持放电例：紫外光者放射线射气体气体电离具导电力果撤外电离素带电粒子会快复合消失放电便熄灭持放电指没外电离素够导电电场支持维持放电程
外电离素支持气体中会存定量背景电离程含定浓度带电粒子外加电场作形成导电电流着电场增加电流强度逐渐增加电场强定值气体中放电电流会突然迅速增加撤外电离源放电维持转化成持放电种非持放电持放电度现象气体击穿气体发生击穿需电场强度称击穿场强相应放电电压称击穿电压
（2）汤森（Townsend）放电理
气体非持放电持放电整程现象1903年前汤森（Townsend）首先进行详细观察分析研究提出汤森（Townsend）放电击穿机制建立放电理类服汤森（Townsend）放电机制放电程总称汤森（Townsend）放电汤森（Townsend）机制认：气体放电发生气体分子原子电离产生电子离子结果外加电场作电离产生电子加速获量电子增强气体电离发生雪崩电离产生电子倍增程离子获量轰击阴极产生二次电子发射补足电子损耗气体击穿二次电子发射电子雪崩电离发生产生种现象汤森（Townsend）引入a程g 程描述电子雪崩电离二次电子发射
根汤森（Townsend）理气体击穿程包括步骤：宇宙射线作气体中总存定量电离事件背景电离外加电场较时背景电离够产生载流子外加电场驱动迁移形成电流电流密度低空间分布均匀电流强度电压线性增加逐渐趋饱种暗放电带电粒子定运动没引起电离发光程放电区域发光着电场继续增加电子逐渐获更高量发生电子碰撞电离电子数量进步提高导致电流迅速增长时电子碰撞程产生原子分子激发发光放电便暗放电光子射阴极表面发生光电效应产生阴极电子发射电子密度进步增加电离程产生离子阴极加速移动着电场增强离子撞击阴极量增加电场达足够强时离子轰击阴极诱导二次电子发射程称g 程g 程极提高阴极发射电子力阴极发射足够强气体放电便持发生击穿
建立起汤森（Townsend）击穿条件 [1]：
中aga程g程汤森（Townsend）系数称汤森（Townsend）第电离系数第三电离系数d放电电极间隙
（3）帕邢（Paschen）定律帕邢（Paschen）曲线
放电电极间电场增加时放电电流增加电压增定值时放电电流突然增加放电转变持放电气体发生击穿界电压称气体击穿电压气体击穿放电特性电极形状间距气压外电路特性关呈现火花电弧电晕辉光放电等放电模式
1889年Paschen通实验系统研究低气压放电击穿现象发现：行板电极条件低气压气体击穿电压Vs气压电极间隙积Pd（称帕邢参数Paschen’s Factor）元函数找种气体击穿电压值Paschen建立击穿电压帕邢参数实验规律称Paschen定律
Paschen定律指出：击穿电压Pd函数规律定区间线性外区间非线性特定Pd值时击穿电压极值气体低气压范围击穿电压Pd值函数曲线具相似性Paschen定律定律普适性
Paschen定律定条件利Townsend理加解释根击穿条件341式ag决定击穿电压二者放电气体电极材料关行板电极位型中放电间隙电场视均匀．实验研究发现a气压P场强（Vd）函数： 中AB实验常数
gg电极材料离子量关确定电极材料条件离子量唯决定素实验发现g离子量关系表现出阶段性二次电子发射界离子量附g离子量关系敏感 旦离子量远离界值g离子量关气体击穿电压幅值量级离子量远界量讨气体击穿规律时认g常数样击穿条件表示：
结果表明击穿电压仅Pd函数结Paschen定律致
AB g等常数气体种类电极材料关研究气体帕邢曲线意义
实验仪器设备功
1低气压直流辉光放电发生装置：该装置四功部分构成：（1）放电：实现氩气击穿放电（2）放电电源：提供01000V调电压输出放电提供电场（3）氩气送气调节系统气压测量（4）基二极导通特性击穿电压测量系统外保持放电温度恒定必须放电电极实施冷装置附带循环水冷系统
2氩气控制调节系统：实验提供氩气调节放电气压
3直流数字电压表：读取二极两端气体两端电压
4量程电流计：测量通气体电流
实验方法步骤
1总体方法
次实验测量氩气4100Pa气压应击穿电压测数进行描点然拟合出帕邢曲线测量时气压稳定值然断增两极电压直显示二极两端电压发生突变记突变前两极电压作该气压氩气击穿电压气压应测量三次取均值该气压氩气击穿电压
2实验步骤
1测量两电极间距
2检查放电电源间电路连接否电源调压旋扭否位置气体流量调节旋扭否位置．
3开电源开关开启循环水泵检查循环水否正常
4开真空计开关．
5开启机械泵抽真空2Pa左右约需15分钟．
6调节减压阀流量计前气压01气压间．
7调节流量计通气流量放电气压增加20Pa．
8功选择开关调击穿电压测量档
9开高压电源开关
10调节电源电压输出快速快速升高电压直气体发生击穿确定气体击穿电压概值 然降低电压零次升高电压电压快速增略低前确定击穿电压低2030V然缓慢升高电压直发生击穿读取击穿时电压记录气压电压数值然电压降50V次测量做准备
注意：(a) 增加电压程中密切观察放电电压表头击穿电压表头示数
(b) 气压少重复3次测量三次击穿电压测量值间偏差5认成功测量击穿电压
(c) 气压较高时击穿放电电压会明显降回路电流增加电源输出电压降致击穿瞬间放电电压气体击穿电压
11增加气体流量气压升高30Pa左右 重复10测量
12次增加气体流量次增加10Pa左右重复10直气压达100Pa9组实验数
13减气体流量气压20Pa左右重复10两次测量击穿电压差
14次减气压隔2Pa左右重复次测量直4Pa测8组数
15实验完毕调节气体流量控制旋钮位置调节电压值次关闭电压机械泵冷水电源开关
实验数分析
两极间距d68cm
氩气击穿UP*d数表（420V）
氩气击穿UP*d数表（2080V）
备注：次实验中初期考虑周未质量流量计调节范围进行检验期法气压调节80pa调节隔膜阀达调节压强目调节隔膜阀会实验结果造成定影响两组数（90V100V）法
氩气帕邢曲线（散点图）
氩气帕邢曲线（曲线图）
实验结果讨
1根数绘制出帕邢曲线（图）
2帕邢曲线分析
图P*d612时低击穿电压311V时气体电压9Pa佳击穿条件P9Pa击穿电压311V
3帕邢曲线成分析
1物理分析
实验程中控制d变
P特时电子电极问飞发生碰撞次数太少电离次数太少放倍数太少实现击穿极间电压必须特前期P极开始增加方面带电粒均程缩短方面带电粒子两电极间渡越时发生碰撞次数增利放电击穿电压值逐渐减存低点Vmin
P继续增时粒子密度增粒子极间运动发生弹性碰撞次数太电子损失量利产生碰撞电离极间电子雪崩增长更少击穿电压增
2数学分析：
气体击穿时满足汤森击穿条件： 1+γγeαd
中αγα程γ程汤森系数d放电电极间隙γ电极材料离子量关压强P关α气压P场强（Vd）函数：
αAΡeBPdV
中AB实验常数
汤森击穿条件知实验中α达定值时气体会发生击穿：
VsBPdln(APdln(1+1γ))
函数单调性推断出：击穿电压先着pd增减直达极值着pd增增
思考题
1 击穿电压气体击穿发生电压放电熄灭电压什击穿电压？
答：熄灭电压击穿减电压直放电结束电压击穿电压放电非持状态度持电压熄灭电压环境存电子离子击穿程发生电子数断增加程需电压断增高积累足够电荷电荷产生电场影响外加电场击穿电压高熄灭电压
2 简述判断击穿方法提高实验中击穿判断精度什建议
答：气体击穿电路中形成电流二极流电流迅速增电压表示数显著增判断击穿进行次测量舍合理数测数间差值控制数5合理数求均该压强击穿电压
建议：气体击穿电路中形成电流二极流电路迅速增两时观察电流表电压表增加判断准确性
3第组数什20pa开始测量？什首先气压较高方继续测量？
答：20Pa左右出现低击穿电压高气压测量稀释空气时量排出空气减空气成分影响气体量接真空
4什20pa气压范围增加间隔20Pa气压范围间隔？
答：20Pa测量时击穿电压变化幅度较精确测量幅度改变气压
5重复测量20Pa击穿电压什原？
答：真空泵断抽气氦气浓度气压发生变化次实验留已电离出离子影响接实验
6较高气压时气体击穿放电电压什会突然降？
答：击穿电流动增加放电电压助回路动调整特亚辉光放电模式伏安特性呈现负阻性导致电压降低类似感现象
7次重复测量前什电源电压调50V？
答：保证前次击穿放电熄灭已电离离子
实验心感悟
次实验中初期考虑周未质量流量计调节范围进行检验期法气压调节80pa调节隔膜阀达调节压强目调节隔膜阀会实验结果造成定影响两组数法造成遗憾
第组数20Pa开始测量继续测量气压较高方刚开始空气部残留4Pa左右气压条件开始测量会造成氩气纯影响实验结果100Pa开始测量会造成仪器开久历高压发热易减损仪器寿命20Pa左右出现低击穿电压继续高气压方进行减气体成分影响高气压实验程中空气稀释量接真空见实验步骤设计全方位素考虑半点马虎考虑周会造成误差
调节204Pa气压时候难度20100Pa需更加耐心认真调节气压稳定转动电压调节钮开始测量时击穿电压
测量204Pa气压应击穿电压时次读取数数闪定仔细两配合二极两端电压值气体两端电压值测量20100Pa气压应击穿电压时直接气体两端电压突变读出数值进行读数操作
气体击穿判断二极方法外根放电电流突变进行气体击穿放电熄灭逆击穿进行熄灭电压测量研究熄灭电压击穿电压差
参考文献：
[1]余虹张家良等学物理实验北京：科学出版社2011：195~199
[2]徐学基气体放电物理学海：复旦学出版社2003
lian理工学物实验报告（文）
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低压气体直流击穿特性DC breakdown characteristics of low pressure gas
学 院（系）： 建设工程学部
专 业： 土木工程
学 生 姓 名：
学 号：
课 教 师：
完 成 日 期： 2016
XX学
XXof Technology
引言
气体放电指电场作气体中产生载流子定运动导电现象中气体原子者分子等种激励作程发生电离产生正负带电粒子激励程导致气体放电现象特性低气压气体放电研究早理成熟应广泛放电形式根电离程发生频度气体放电分非持放电持放电两种模式非持模式持模式转变称气体击穿
1672年Gottfried Wilhelm首次旋转硫磺球实现工条件电火花放电揭示气体放电质气体导电程1802年彼洛夫发现电弧放电模式1889年前物理学家帕邢（Paschen）低气压气体击穿现象进行系统研究总结前量实验数基础建立击穿电压气压电极间隙实验规律称帕邢定律（Paschen’s Law）低气压气体击穿规律研究获实质性进展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击穿判椐成果解释低气压气体击穿实验规律方面获巨成功理然气体放电理基础
实验摘
通低气压直流辉光放电发生装置研究氦气击穿电压氦气气压关系控制放电极板间隙极板材质变氦气帕邢曲线出氦气击穿电压佳击穿条件讨电压成
实验原理容
1实验目
（1）解真空条件实现低气压获方法掌握测量击穿电压电路技术
（2）认识低气压气体直流击穿现象研究放电条件气体击穿电压关系体会探索物理规律实验研究程
（3） 掌握帕邢定律帕邢曲线
2实验容
（1）认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气气压（4100Pa）范围击穿电压数绘制氩（氮）气击穿帕邢曲线找出击穿电压佳击穿条件
（2）解汤森击穿理理解帕邢曲线物理意义认识帕邢曲线普遍性．
3实验原理
（1）低气压气体击穿现象
常态气体绝缘体没载流力果采定激励方式气体中性粒子发生电离形成正负带电粒子电离数量达定例气体具导电力果时施加电场气体中带电粒子会定迁移形成电流发生气体放电现象
低压气体放电分持放电非持放电两种模式非持放电指存外电离素维持放电例：紫外光者放射线射气体气体电离具导电力果撤外电离素带电粒子会快复合消失放电便熄灭持放电指没外电离素够导电电场支持维持放电程
外电离素支持气体中会存定量背景电离程含定浓度带电粒子外加电场作形成导电电流着电场增加电流强度逐渐增加电场强定值气体中放电电流会突然迅速增加撤外电离源放电维持转化成持放电种非持放电持放电度现象气体击穿气体发生击穿需电场强度称击穿场强相应放电电压称击穿电压
（2）汤森（Townsend）放电理
气体非持放电持放电整程现象1903年前汤森（Townsend）首先进行详细观察分析研究提出汤森（Townsend）放电击穿机制建立放电理类服汤森（Townsend）放电机制放电程总称汤森（Townsend）放电汤森（Townsend）机制认：气体放电发生气体分子原子电离产生电子离子结果外加电场作电离产生电子加速获量电子增强气体电离发生雪崩电离产生电子倍增程离子获量轰击阴极产生二次电子发射补足电子损耗气体击穿二次电子发射电子雪崩电离发生产生种现象汤森（Townsend）引入a程g 程描述电子雪崩电离二次电子发射
根汤森（Townsend）理气体击穿程包括步骤：宇宙射线作气体中总存定量电离事件背景电离外加电场较时背景电离够产生载流子外加电场驱动迁移形成电流电流密度低空间分布均匀电流强度电压线性增加逐渐趋饱种暗放电带电粒子定运动没引起电离发光程放电区域发光着电场继续增加电子逐渐获更高量发生电子碰撞电离电子数量进步提高导致电流迅速增长时电子碰撞程产生原子分子激发发光放电便暗放电光子射阴极表面发生光电效应产生阴极电子发射电子密度进步增加电离程产生离子阴极加速移动着电场增强离子撞击阴极量增加电场达足够强时离子轰击阴极诱导二次电子发射程称g 程g 程极提高阴极发射电子力阴极发射足够强气体放电便持发生击穿
建立起汤森（Townsend）击穿条件 [1]：
中aga程g程汤森（Townsend）系数称汤森（Townsend）第电离系数第三电离系数d放电电极间隙
（3）帕邢（Paschen）定律帕邢（Paschen）曲线
放电电极间电场增加时放电电流增加电压增定值时放电电流突然增加放电转变持放电气体发生击穿界电压称气体击穿电压气体击穿放电特性电极形状间距气压外电路特性关呈现火花电弧电晕辉光放电等放电模式
1889年Paschen通实验系统研究低气压放电击穿现象发现：行板电极条件低气压气体击穿电压Vs气压电极间隙积Pd（称帕邢参数Paschen’s Factor）元函数找种气体击穿电压值Paschen建立击穿电压帕邢参数实验规律称Paschen定律
Paschen定律指出：击穿电压Pd函数规律定区间线性外区间非线性特定Pd值时击穿电压极值气体低气压范围击穿电压Pd值函数曲线具相似性Paschen定律定律普适性
Paschen定律定条件利Townsend理加解释根击穿条件341式ag决定击穿电压二者放电气体电极材料关行板电极位型中放电间隙电场视均匀．实验研究发现a气压P场强（Vd）函数： 中AB实验常数
gg电极材料离子量关确定电极材料条件离子量唯决定素实验发现g离子量关系表现出阶段性二次电子发射界离子量附g离子量关系敏感 旦离子量远离界值g离子量关气体击穿电压幅值量级离子量远界量讨气体击穿规律时认g常数样击穿条件表示：
结果表明击穿电压仅Pd函数结Paschen定律致
AB g等常数气体种类电极材料关研究气体帕邢曲线意义
实验仪器设备功
1低气压直流辉光放电发生装置：该装置四功部分构成：（1）放电：实现氩气击穿放电（2）放电电源：提供01000V调电压输出放电提供电场（3）氩气送气调节系统气压测量（4）基二极导通特性击穿电压测量系统外保持放电温度恒定必须放电电极实施冷装置附带循环水冷系统
2氩气控制调节系统：实验提供氩气调节放电气压
3直流数字电压表：读取二极两端气体两端电压
4量程电流计：测量通气体电流
实验方法步骤
1总体方法
次实验测量氩气4100Pa气压应击穿电压测数进行描点然拟合出帕邢曲线测量时气压稳定值然断增两极电压直显示二极两端电压发生突变记突变前两极电压作该气压氩气击穿电压气压应测量三次取均值该气压氩气击穿电压
2实验步骤
1测量两电极间距
2检查放电电源间电路连接否电源调压旋扭否位置气体流量调节旋扭否位置．
3开电源开关开启循环水泵检查循环水否正常
4开真空计开关．
5开启机械泵抽真空2Pa左右约需15分钟．
6调节减压阀流量计前气压01气压间．
7调节流量计通气流量放电气压增加20Pa．
8功选择开关调击穿电压测量档
9开高压电源开关
10调节电源电压输出快速快速升高电压直气体发生击穿确定气体击穿电压概值 然降低电压零次升高电压电压快速增略低前确定击穿电压低2030V然缓慢升高电压直发生击穿读取击穿时电压记录气压电压数值然电压降50V次测量做准备
注意：(a) 增加电压程中密切观察放电电压表头击穿电压表头示数
(b) 气压少重复3次测量三次击穿电压测量值间偏差5认成功测量击穿电压
(c) 气压较高时击穿放电电压会明显降回路电流增加电源输出电压降致击穿瞬间放电电压气体击穿电压
11增加气体流量气压升高30Pa左右 重复10测量
12次增加气体流量次增加10Pa左右重复10直气压达100Pa9组实验数
13减气体流量气压20Pa左右重复10两次测量击穿电压差
14次减气压隔2Pa左右重复次测量直4Pa测8组数
15实验完毕调节气体流量控制旋钮位置调节电压值次关闭电压机械泵冷水电源开关
实验数分析
两极间距d68cm
氩气击穿UP*d数表（420V）
氩气击穿UP*d数表（2080V）
备注：次实验中初期考虑周未质量流量计调节范围进行检验期法气压调节80pa调节隔膜阀达调节压强目调节隔膜阀会实验结果造成定影响两组数（90V100V）法
氩气帕邢曲线（散点图）
氩气帕邢曲线（曲线图）
实验结果讨
1根数绘制出帕邢曲线（图）
2帕邢曲线分析
图P*d612时低击穿电压311V时气体电压9Pa佳击穿条件P9Pa击穿电压311V
3帕邢曲线成分析
1物理分析
实验程中控制d变
P特时电子电极问飞发生碰撞次数太少电离次数太少放倍数太少实现击穿极间电压必须特前期P极开始增加方面带电粒均程缩短方面带电粒子两电极间渡越时发生碰撞次数增利放电击穿电压值逐渐减存低点Vmin
P继续增时粒子密度增粒子极间运动发生弹性碰撞次数太电子损失量利产生碰撞电离极间电子雪崩增长更少击穿电压增
2数学分析：
气体击穿时满足汤森击穿条件： 1+γγeαd
中αγα程γ程汤森系数d放电电极间隙γ电极材料离子量关压强P关α气压P场强（Vd）函数：
αAΡeBPdV
中AB实验常数
汤森击穿条件知实验中α达定值时气体会发生击穿：
VsBPdln(APdln(1+1γ))
函数单调性推断出：击穿电压先着pd增减直达极值着pd增增
思考题
1 击穿电压气体击穿发生电压放电熄灭电压什击穿电压？
答：熄灭电压击穿减电压直放电结束电压击穿电压放电非持状态度持电压熄灭电压环境存电子离子击穿程发生电子数断增加程需电压断增高积累足够电荷电荷产生电场影响外加电场击穿电压高熄灭电压
2 简述判断击穿方法提高实验中击穿判断精度什建议
答：气体击穿电路中形成电流二极流电流迅速增电压表示数显著增判断击穿进行次测量舍合理数测数间差值控制数5合理数求均该压强击穿电压
建议：气体击穿电路中形成电流二极流电路迅速增两时观察电流表电压表增加判断准确性
3第组数什20pa开始测量？什首先气压较高方继续测量？
答：20Pa左右出现低击穿电压高气压测量稀释空气时量排出空气减空气成分影响气体量接真空
4什20pa气压范围增加间隔20Pa气压范围间隔？
答：20Pa测量时击穿电压变化幅度较精确测量幅度改变气压
5重复测量20Pa击穿电压什原？
答：真空泵断抽气氦气浓度气压发生变化次实验留已电离出离子影响接实验
6较高气压时气体击穿放电电压什会突然降？
答：击穿电流动增加放电电压助回路动调整特亚辉光放电模式伏安特性呈现负阻性导致电压降低类似感现象
7次重复测量前什电源电压调50V？
答：保证前次击穿放电熄灭已电离离子
实验心感悟
次实验中初期考虑周未质量流量计调节范围进行检验期法气压调节80pa调节隔膜阀达调节压强目调节隔膜阀会实验结果造成定影响两组数法造成遗憾
第组数20Pa开始测量继续测量气压较高方刚开始空气部残留4Pa左右气压条件开始测量会造成氩气纯影响实验结果100Pa开始测量会造成仪器开久历高压发热易减损仪器寿命20Pa左右出现低击穿电压继续高气压方进行减气体成分影响高气压实验程中空气稀释量接真空见实验步骤设计全方位素考虑半点马虎考虑周会造成误差
调节204Pa气压时候难度20100Pa需更加耐心认真调节气压稳定转动电压调节钮开始测量时击穿电压
测量204Pa气压应击穿电压时次读取数数闪定仔细两配合二极两端电压值气体两端电压值测量20100Pa气压应击穿电压时直接气体两端电压突变读出数值进行读数操作
气体击穿判断二极方法外根放电电流突变进行气体击穿放电熄灭逆击穿进行熄灭电压测量研究熄灭电压击穿电压差
参考文献：
[1]余虹张家良等学物理实验北京：科学出版社2011：195~199
[2]徐学基气体放电物理学海：复旦学出版社2003
lian理工学物实验报告（文）
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