低压气体直流击穿特性

低压气体直流击穿特性
（大连理工大学 物理与光电工程学院，大连 116024）
摘要：通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氩气的气压与击穿电压的关系，在放电极板间隙及极板材质不变的情况下，得到了氩气的帕邢曲线，给出了氩气的最小击穿电压和最佳击穿条件.
关键词：帕邢定律；放电击穿；击穿电压；直流辉光放电
Breakdown characteristics of DC
glow discharge
###(201021###)
(Dalian U niversity o f T echnology School o f P hysics a nd O ptoelectronic E ngineering, D alian 116024)
Abstract：The e lectrode v oltage v ersus g as p ressure i n g low d ischarge o f A rgon i s s tudied u sing D C g low discharge generating device. The relationship between electrode voltage and argon pressure is under the law o f P aschen l aw .By c hanging t he a r p ressure ，a m inimal v oltage a nd t he b est b reakdown c ondition a re found .
key words：Paschen l aw ；discharge b reakdown ；breakdown v oltage ；DC g low d ischarge
0 引言
气体在常态下是良好的绝缘体，在直流电场下没有载流能力，但在一定激励作用下，使气体中的中性粒子发生电离形成正负电离的粒子，当粒子数达到一定数目时，气体就成了导体，在此情形下施加一定的电场，粒子在场作用下会定向移动，就发生了气体放电现象 . 气体放电分为自持放电和非自持放电，非自持放电指的是存在外致电离源的条件下才能维持放电，而支持放电指去掉外致电离源的条件下 ，仍能维持放电 .气体从非自持放电到自持放电的过程称为气体的击穿 [1].
1 辉光放电
辉光放电是气体放电现象中的一种重要形式,低压气体的辉光放电是指放电气体的压强在10—3至l torr范围的放电,放电时出现特有的光辉. 辉光放电是一种自持放电,它主要是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持。

电极问不同放电区域的发光强度、电位、电场强度、空间电荷量和电流密度的大小是不同的。

从阴极开始首先是阿斯顿暗区,在这个区域里,电子从阴极出发,但从电场中获得的能量还不足以激发原子,因此在这里出现一个很薄的暗区 .经过阿斯顿暗区之后,电子从电场中获得的能量足以使原子激发, 阴极辉光就是这
些受激发的原子发出的。

阴极辉光紧贴在阴极上掩盖了阿斯顿暗区。

紧接阴极辉光的是克罗克斯暗区,在该区中电子的能量大部分用于电离碰撞。

由此产生的大量电子从电场重新获得激发能,与气体碰撞而产生负辉区。

负辉区的边界就相当于电子具有足够的能量去激发原子所在的范围,负辉区发光很强。

在此之后又出现了法拉第暗区和正柱区,正柱区是从法拉第暗区一直向阳极伸展和气体大量被激发和电离的区域,它是辉光放电的主要区域,又称等离子体区 .当降低气压时,负辉区和法拉第暗区开始扩展, 正柱区会缩短,气压足够低时正柱区可以完全消失。

如果在一定的气压下维持放电电流不变, 缩小电极间距离,当电极间的距离较近时正柱区也可以不存在 .在电子到达阳极以前的几个自由程的距离内,电子从电场得到相当大的能量,这些电子能够激发气体原子发光, 所以在阳极附近会出现阳极辉光。

应该注意的是上述各个暗区并不是绝对无光,而是对于亮的辉光区暗了一些,例如阳极暗区比阴极辉光区还要亮.[3]
2 帕邢定律
1889年，帕邢在测量气体放电击穿电压u与电极距离 d和气体压力p的关系时发现，在2个平行平板电极加上直流电压后!在两极间形成均匀电场!如果气体成份和电极材料一定，气体恒温，冷电极条件下，击穿电压U是 pd的函数，改变 pd时，有一极小值 .
根据汤生放电原理,在均匀电场中，放电电流，放电电流为
I=
I
exp(!d)
1!r[exp(!d)!1]
(1)
其中!为电子对气体的体积电离系数，即1个电子从阴极到阳极繁衍过程中，单位距离所增加的电子数；I o为初始电流；d为阴阳极间距离；r为正离子的表面电离系数，即一个正离子轰击阴极表面而发射出1个新的电子.[5]
设
µ=r[exp(!d)!1] (2)其中μ称为倍增系数,即1个电子从阴极到阳极会使气体电离出现 exp(!d)-1个正离子,这些正离子轰击阴极表面会打出μ个二次电子.当μ=1时,放电气体本身就可以维持放电 .因此μ=1称为自持放电的必要条件,这个条件的物理意义是,从阴极放出1个电子!在与中性原子碰撞时产生了 exp(!d)-1个正离子,当这些正离子到达阴极后,能再放出1个电子,使气体放电能持续下去.此时的电压称为击穿电压,又称起辉电压.
V B =
N
o
U
1
pd
ln(
N
ln(1+1/r)
)+ln(pd)
(3)
式中N O为电子在单位压力下1cm路程内碰撞次数。

可见，U是 pd的函数.[5]
3 实验过程
实验装置为大连理工物光学院制造的低气压直流辉光放电发生装置，具备水冷系统以及氩气的控制与调节系统。

放电管构造示意图见图 1.
图 1：辉光放电管构造示意图[4]
1水冷法兰 2阴极 3双探针 4等离子体 5阳极 6玻璃管 7气体流量管
实验前将玻璃管抽真空至1~2pa ，调节减压阀，改变通气流量，使放电管内的气压为20Pa ，调节输出电压，记录气体击穿瞬间的击穿电压值，放电管气压间隔10pa ，依次测量值至100pa ，得到9组线性区的气体压强与击穿电压值，而后将压强调制20pa ，在从20pa 按顺序降至5pa 测量其中5至6组非线性区的气体压强与击穿低压值。

测量值如图 2所示.
4 实验数据与分析
图2 帕邢曲线p ，d ,U B 测量值
氩气压强
P/pa 7.2 9.0 11 13 15 17 20 30 Pd/cm.pa 36 45 55 65 75 85 100 150 击穿电压/v 309 294 305 304 310 318 320 356 氩气压强
P/pa 30 40 50 60 70 80 90 100 Pd/cm.pa 150 200 250 300 350 400 450 500 击穿电压/v 356 387 412 445 473 508 523 554
由测量值绘制帕邢曲线(附页坐标纸)，从帕邢曲线极小值点A（47.5，293），pd的最佳值为47.5cm.pa，此时达到最小击穿电压，为293V，实验时出于安全考虑，极板间隙是固定值，为5.00cm。

从实验数据绘制的帕邢曲线验证了，pd值低于100cm.pa时处于非线性区，当pa值大于100cm.pa时，进入线性区.
5 实验结果与讨论
由帕邢曲线，找到最小击穿电压约293V，最佳击穿条件在P=9.5pa，d=5.00cm时。

此外，氩气压强太大或太小都不利于气体起辉，当压强较大时，放电管内中性粒子束较多，当电压较小时，已电离的粒子碰撞中性粒子，由于粒子在单位路程内碰撞的粒子束多，很难使中性粒子电离，因此必须提高极板电压，而当气体压强过小时，带电粒子碰撞中性粒子的概率大大降低，也很难起辉.
另外，实验时需要注意几个地方，首先，测量顺序必须严格遵守，第一组数据从20Pa 开始测量，而后依次增加10Pa至100Pa，进行线性区测量，而后调回20Pa，从20Pa开始逐渐降低气压测量，否则，如果在测完100Pa后直接测5Pa左右的时候，之前100Pa时在管内残留有较多的电离的粒子，会对试验产生很大影响。

而且在每次读取完击穿电压值后，必须先调回100V以下，使放电熄灭，去除部分电离的粒子，也避免了在调节气压过程中出现再次击穿，使下一组数据的测量的初始条件较上一组变化不大。

由于气压小于20Pa时处于非线性区，所以在此区间测量间隔应减小.
在读数过程中发现，电压值在击穿后会出现下降，当气压值较高时尤为明显，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[2].另外，在气压较低时，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.
参考文献
[1] 余虹，张家良，等. 大学物理实验.北京：科学出版社2011：195~199
[2] 余虹，张家良，等. 大学物理实验.北京：科学出版社2011：199~204
[3]赵永莉.变气压直流辉光放电的数值模拟，2008
[4]龙珏，胡振辉等，低气压直流辉光等离子体实验装置[J]，大学物理实验，2009，22（1）：75~78
[5]侯清润，茅卫红等.气体放电实验与帕邢定律[J]，物理实验，2004，24（1）：3~5。