高压电的获得与气体放电现象的研究

冯　策，陈　平，李川勇

(南开大学 物理学院，天津 300071)



高压电的获得与气体放电现象的研究

冯策，陈平，李川勇

(南开大学 物理学院，天津 300071)

摘要：设计制作了高压电源和整套气体放电装置，用于开设气体击穿、惰性气体导电和介质击穿等实验，补充了物理教学中高压电和气体放电方面的不足，锻炼了学生的思维并且提高了学生的创新意识.

关键词：高压电源；气体放电；气体激光器

在自然界和日常生活中，人们经常会遇到气体放电现象，例如大气中的闪电、日冕、极光等都是自然界的气体放电行为；大部分光源，如日光灯、高压汞灯、气体激光器等是日常生产生活中常见的气体放电现象，而电弧焊机、磁流体力学发电机、等离子高温炉等气体放电也实实在在应用于人们的生产行为中.

在对气体放电多年研究中，人们通过研究放电行为(如：汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、脉冲放电、电晕放电等)，得到了典型的气体放电曲线(图1)，其在科研和教学中起着指导性作用.

图1　典型的放电管气体放电伏安特性

高压电的使用和气体放电现象是大学物理中的重要部分，也经常在科学研究中遇到，但由于危险和理论不成熟等原因，一直在物理教学中被忽视. 本文利用实验手段，让学生使用和调试高压电，并用高压电完成气体击穿、惰性气体导电和介质击穿等工作，使学生接触高压并定性地理解气体的放电现象.

气体放电实验的整体电路如图2所示. 高压电压取样和电流取样做了钳位保护，通过AD转换后送单片机采集处理，再由液晶屏显示.

图2　高压气体放电电路图

实验所用电源为自制电源，如图3所示，单片机作为振荡方波输出源，通过改变该方波的占空比可以调节输出电压值，单片机输出的方波经过模拟芯片IR2110进行整形和功率放大，控制组成全桥的4个场效应管继而推动高压变压器初级，次级经高压硅堆后输出直流高压.

图3　实验电源的框图

高压电源设计制作过程中，一定要注意变压器电感反峰的吸收. 另外由于气体击穿后电阻会变得较低，为了维持功率的输出，在高压部分又添加了低压功率电路. 图4为放电实验中的高压电源.

图4　实验高压电源

经过测试，实验电源可以产生0~30 kV高压，放电输出电流最大为30 mA，电源内阻约为1 MΩ；低压部分输出电压范围为0~750 V，输出功率可以满足放电要求. 这款实验电源具有调节方便、输出电压调节范围大、输出功率高、能用于短路放电情况中、有完善的高压防误触方案、耐用等特点，适合本科基础实验教学.

本文介绍的高压气体放电现象实验有：惰性气体伏安特性的测量、平板电极空气击穿电压的测量、尖端电极空气击穿电压的测量、介质击穿电压的测量.

气体激光器结构简单，造价低，操作方便，工作介质均匀，光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作，是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60%. 而这类激光器的工作介质主要是惰性气体(有些掺杂有金属蒸气)，利用高压放电方式泵浦，了解惰性气体的放电方式对于激光器的使用和调试十分有必要. 因此，将不同惰性气体(如氖气、氩气、掺汞氩气)的放电管做成了易于测量和使用的灯箱结构. 在实验过程，可以连续调节电压值，使惰性气体击穿后进入辉光放电区，并记录该过程中的电压电流值. 应该注意的是：由于电源和放电管功率的限制，该实验只能测到辉光放电区，无法二次击穿进入弧光区测量. 实验用灯箱和测得的氩气伏安曲线如图5所示.

(a)惰性气体灯箱

(b)氩气的伏安特性曲线图5　惰性气体灯箱及氩气的伏安特性曲线

空气放电实验是将高压接于平板和尖端电极上，不断改变其极间距离，通过调节电压的方式，最终得到该距离下的击穿电压. 这对于闪电形成方式和空气的绝缘性理解很有帮助. 另外与目前人们认可的半经验性的帕邢定律比较，可以知道其局限性. 其放电电极与测得的击穿电压如图6~8所示.

图6　实验用空气放电电极

图7　平板电极的空气击穿电压与距离的关系

图8　尖端空气击穿电压与距离之间的关系

将面积大于极板的介质夹紧在平行板电极之间，使用上述测量空气击穿电压类似的方法可以得到该材料的击穿电压. 该击穿电压与材料的厚

度并不是正比例关系. 这对于材料绝缘性理解是很有用的. 另外，可以做材料在电学临界态的特性研究.

高压电和气体放电在物理教学中因各种原因常被忽略，该实验的开发和设立，可以让学生在实验的过程中体会和了解高压，同时通过对气体放电现象的观察和测量，了解了气体光源和气体的导电性质. 另外可以利用这一高压电源自组各种高压实验，对于学生的思维拓展和科研方法锻炼是很有益处的.

参考文献：

[1]高树香，陈宗柱. 气体导电(上下册)[M]. 南京：南京工学院出版社，1986：168-240.

[2]徐学基,诸定昌. 气体放电物理[M]. 上海:复旦大学出版社,1996：121-156.

[3]杨津基. 气体放电[M]. 北京：科学出版社，1983：16-22．

[4]丘军林. 气体放电与气体激光[M]. 武汉：华中理工大学出版社，1995：3-89．

[5]王岩. 气中火花放电通道形状及其形成机理研究[D]． 北京：北京科技大学，2009：2-7．

[6]赵凯华,陈熙谋. 电磁学(上册) [M]. 第2版. 北京:高等教育出版社，1997:324.

[7]苗书一. 一种新型的空气中直流放电的研究[D].大连：大连理工大学，2007:1-32.

[8]Stout D T. Handbook of operational amplifier circuit design [M]. 北京:人民邮电出版社,1983:93-154.

[责任编辑：郭伟]

Ways to get high voltage and phenomenon of gas discharge

FENG Ce, CHEN Ping, LI Chuan-yong

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Abstract:High voltage power and a set of gas discharge devices were designed and fabricated to establish basic physics experiments of gas discharge, inert gas conduction and dielectric breakdown. The shortages of physics teaching in high voltage and gas discharge were covered, and it could train students' thinking ability and improve their innovation consciousness.

Key words:high voltage power; gas discharge; gas laser

中图分类号：O521.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0035-03

通讯作者：陈平(1955-)，男，天津人，南开大学物理学院高级工程师，大专，从事基础物理实验教学研究.

作者简介：冯策(1992-)，男，河北衡水人，南开大学物理学院2011级本科生.

基金项目资助项目：南开大学本科培养(No.J110308)

收稿日期：2015-07-23