低压气体放电特性平台设计及实验技巧分析

王 奇， 王明娥， 冯春雷， 张莹莹， 张家良

(大连理工大学 物理与光电工程学院 三束材料改性教育部重点实验室,大学物理实验中心， 辽宁 大连 116023)

低压气体放电特性平台设计及实验技巧分析

王 奇， 王明娥， 冯春雷， 张莹莹， 张家良

(大连理工大学 物理与光电工程学院 三束材料改性教育部重点实验室,大学物理实验中心， 辽宁 大连 116023)

设计了低气压气体放电等离子体综合实验平台，利用该平台可以开展气体直流击穿特性、气体放电伏安特性和等离子体基本参数静电探针诊断等系列实验项目的演示和教学。针对气体击穿特性实验平台的设计和实验方法，结合开展低气压气体直流击穿特性实验教学内容，介绍了平台的设计技巧、实验教学所需准备、课堂组织和实验技巧，分析了教学实施过程遇到的问题，提出了解决方案。教学实践表明，安全问题、气体击穿临界点的判定、首次测量气压点的选择、实验数据点的分布与拟合是课程顺利开展的关键因素。

低压气体放电； 直流击穿； 帕邢曲线; 探索研究性实验

0 引 言

研究性实验旨在使实验教学与专业科学研究接轨，最新的科研成果以实验课堂的形式传授给学生，使学生在实验过程中经历与科研工作相似的过程[1]。开发研究性、探索性教学实验，提高学生综合素质和创新能力，是当前物理实验教学改革的一个重要方面。目前光纤技术[2]、磁共振技术[3]、核物理技术[4]、光学信息处理技术[5]以及光谱技术[6]、真空技术[7]、传感器技术[8]等现代科研手段已经被各高校引入到物理实验教学之中。

等离子体通常被称为物质的第四态，是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子组成，宏观上呈现准中性、且对外加电、磁场具有集体效应[9]。气体放电是产生低温等离子体的主要途径，指气体在电场的作用下从产生载流子定向运动而导电的现象。随着等离子体科学与技术的不断发展，气体放电等离子体在焊接[10]、喷涂[11]、微纳米材料合成[12]、高危有害固体废弃物处理[13]、空间推进[14]、生物医学[15]等领域有着广阔的应用前景。

近年来，气体放电特性已成为国内外研究的热点。通过开设气体放电特性研究及等离子体诊断实验课程，增进学生对等离子体科学知识与应用技术的认识非常必要。为适应等离子体领域科研人才培养的需求，国内多家高校相继开设了一些等离子体基础理论课程，而且努力创造条件开展等离子体实验教学的设备和方法研究[16-17]，但大多院校使用的教学器材都是基于功能单一而且过时的科研设备改造而来，且教学方法以教师演示为主，因为大多数高校中没有与等离子体物理相关科研队伍的支撑。现阶段，有关气体放电等离子体基本特性的实验教学环节还比较薄弱。

本文介绍了实验室自行设计的低气压气体直流放电等离子体综合实验平台的主要功能，主要阐述了开展气体击穿特性实验的思路、方法及出现的主要问题及解决方法。该实验平台能够通过相关联的数个实验项目，使学生完成气体放电现象观察，气体放电过程和规律的探索，基本物理概念和理论的深化理解等学习过程，从而树立牢固、清晰、具体的等离子体概念，引领学生焕发出成为等离子物理和技术研究领域后备人才的热情。

1 实验平台设计及功能

1.1设计思路

实验平台的设计考虑了功能多样性、实验直观性、操作界面化和电气安全性。图1所示是实验平台的构成框架。

图1 低压气体放电系统设计示意图

1.2平台构建模块

实验平台是多功能综合性实验装置，可以完成3个实验项目：① 低气压直流击穿特性；② 放电气体的直流伏安特性；③ 辉光等离子体的静电探针诊断。该平台包含4个模块：放电腔室、真空维持与测量、电源与电气测量、供气与冷却。

(1) 放电腔室。放电腔室由石英放电管、平行板电极和探针构成。石英管长度为20 cm，内径5 cm。内部放置圆形平板电极，电极间隙借助于动密封设计可以自由调节(见图2)。为减缓电极在放电过程中的热量沉积，电极设计为内空腔水冷结构。

图2 放电腔室及控制面板实物图

(2) 真空维持与测量。主要包括真空泵与电阻真空计。为了减小成本，平台选用常规的2XZ-2型机械泵，极限真空为60 mPa，由大气抽至极限真空约15 min。系统极限真空度在1 Pa左右，完全满足直流辉光放电实验的要求。与此对应，采用ZDR-I型电阻真空计作为气压仪表，其准确测量范围为1～500 Pa。

(3) 电源与电气测量。实验平台装配一台直流高压电源,其输出电压范围为0～1.5 kV，输出电流0～0.8 A。相应电压和电流的测量采用常用的数字测量模块完成。

(4) 供气与冷却。实验通用气体为氮气和氩气，因为氮气与氩气是最常见的无毒、无污染大气惰性成分，而且氮气和氩气的击穿特性和放电特性有大量成熟文献和数据可参考。气体的注入采用常规的浮子流量计实现。

此外，为了防止放电管和电极温度过高，装置还设计了循环水冷却系统。

2 实验项目和教学组织

低气压气体的击穿特性是气体放电物理、等离子体物理和技术专业教学的最基础内容，本节将针对实验平台的功能之一——低气压直流击穿特性实验项目的教学组织和过程，阐述实验技巧与关键问题、课程要求与效果。

2.1实验预期目标与前期准备

项目目标是使学生掌握低气压气体击穿的基础知识，初步认识低气压放电等离子体的产生机制，培养学生的学习兴趣。具体来讲，本项目的教学内容主要有以下几个方面：① 了解真空技术的基本知识，掌握真空条件和低气压的获得方法。真空条件是多种工况下进行工艺制作、物理测量和科学实验等的前提。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电压之间的关系，体会探索物理规律的实验研究过程。③ 探索认识帕邢定律的物理意义及帕邢曲线的普适性。

2.2课堂内容与组织

实验教学以2人科研小组的形式进行，每堂课共16名学生，分为8个组，每组负责一套装置。老师通过网上选课系统公布预习题目，要求同学熟悉相关实验原理，查阅相关资料，给出大致的实验方案。探索研究性实验的主体是学生，课堂上先请学生讲述他们对实验的理解及初步拟定的实验方案，对于学生设计中出现的问题，老师以问题的形式指出，引导他们拓展思路。然后老师开始课堂内容的讲解,包括气体放电的基本理论，实验平台介绍及仪器操作的具体步骤。

首先向学生讲解气体放电的理论，结合与生活密切相关的日光灯管、霓虹灯等气体放电实例，让学生对气体放电现象有感性认识并产生兴趣。然后，逐步递进地讲解气体击穿、汤森放电,以及帕邢定律的背景、概念、物理意义。对于实验平台的讲解，采用由主及次的方法，先介绍放电管本身的构成，包括两侧电极的几何位形及冷却水等。依次过渡到电极两端外接的两套管路，即冷却水管路与直流电源的两极；石英管两端的外接管路，即真空抽气与送气管路。接下来向学生展示气体放电的外围附属设备以及对应的控制面板。讲解这些外围设备的作用、必要性、开关操作顺序及注意事项；同时可以扩展性的讲解一些常用的真空技术的基础知识，以及机械泵的结构及原理；讲解工艺气体的输送(氩气和氮气)、高压气瓶及减压阀、气体流量计等部件及原理。

讲解完成之后，启发学生按照如下流程：“水—气—电”顺序进行开机及操作。具体说来，首先要打开外围的辅助设备，依次启动冷却水以及机械泵。需要注意，要确保冷却水工作正常，再打开机械泵，抽至极限真空，大约需要10～15 min。然后，由任课老师亲自打开高压气瓶，并调节减压阀至合适输出气压，引导学生打开气体流量计充入工作气体。然后，开启直流高压电源，缓慢增加放电管两端的电压，直到稳压二极管的管压降突变，记录此时的击穿电压值，即完成一次击穿电压的测量(见图3)。

图3 实验观察到氮气气体击穿图像

每个气压下进行至少3次气体击穿的测量，建议先测量较高气压的数据，以减弱极限真空中背景空气对结果的影响。对于比较优秀且完成较快的学生，可以尝试用不同气体进行放电实验，以观察多种辉光颜色并绘制比较帕邢曲线的异同点，分析其中深层次的物理机制。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。关机时需向学生强调关机顺序，特别是先关气体流量计，再关机械泵，以避免在机械泵已经停止抽气时，一直有气体进入放电管，长时间进气易造成输气软管及放电管的爆裂。

2.3实验技巧及关键问题

(1) 安全问题。安全问题永远是实验研究与教学的重中之重。培养学生严谨、细致的实验操作习惯可为他们以后的科学研究打下基础，并直接保证实验过程的安全性。本实验涉及到高压直流电，要求学生做到不触摸高压直流电源的裸露电极、高温放电管。另外，为防止持续的直流高压放电导致过热，每次读取击穿电压成功后，立即降低电压至50 V以下。

(2) 判断气体是否击穿。准确判断放电管内气体击穿是正确记录其阈值电压的前提。通常学生采用的方式是肉眼观察产生的辉光对于如何判断气体是否击穿。但是，在不同气压和极板间隙条件下，其放电辉光差异较大，很可能放电时现象很弱，颜色也不明显，从而造成误判断。鉴于此，在电路的设计上增加了稳压硅二极管。当放电管内气体没有被击穿时，气体为绝缘体，放电回路与二极管均处于截止状态，二极管管压降示数为“0”或者很小数值；随着不断增加两放电极板间的电压，在某一电压值下，管内气体刚好被击穿，放电回路及二极管均被导通，此时二极管两端管压降瞬间增大到约0.5～0.7 V。在这一跳变瞬间，记录击穿电压的瞬时值，即为此种气体在该条件下的击穿电压。实验中要求学生观察稳压二极管示数的跳变来判断击穿，避免视觉误差对结果的影响。

(3) 首次测量气压点的选择。以本装置及条件为例，实验气压的范围选在4～100 Pa，通常设计将20 Pa作为初始气压条件开展实验，这是学生理解的一个难点。这主要是基于测量精度与实验安全两个方面考虑。首先，本实验真空腔室所能达到实际的背景真空在1 Pa左右，故管内残留的背景空气不可忽视。如果将4 Pa作为首次测量气压点，其管内空气所占比例可高达25%,对结果有较大干扰。随着实验过程的进行，放电管内的“清洗”作用会使杂质气体比例越来越低；另一方面，初始气压如果选在100 Pa，此情况氮气放电击穿电压可高达0.8～1.0 kV左右，如图4所示。所以，应该避免让学生在实验一开始就操作如此高的危险电压。

(4) 实验数据点的分布与拟合。帕邢曲线的特点是在某些区间内呈线性变化，而在另一些区间内是非线性的。我们拟用有限个数据点描绘完美的帕邢曲线，并准确找出气体放电的最佳击穿条件，合理分布测试点是非常必要的。以低气压下氮气放电为例，如图4所示，针对相对较高气压部分，即右半图线性变化区域，可以加大数据间隔(如10 Pa)；而对于左半部分，需要减小数据间隔(如2 Pa)。然后，引导学生逐渐找到气体的最佳击穿条件，在这一值附近细化数据点。通过这一训练，可以培养学生合理设计实验的良好习惯。另外，在处理数据过程中，发现多名学生不能正确认识“拟合”的含义，而是把数据点简单连接起来，没有得到平滑的曲线，这也是需要重点强调的问题。

图4 实测氮气击穿数据与拟合帕邢曲线

2.4课程要求与效果

普通大学物理实验要求学生提交一份实验报告格式的作业，而气体击穿特性的实验为探索研究型实验，要求学生以科研论文的形式提交作业。论文内容包括题目、作者、摘要、正文4个部分。对于摘要，要强调其与引言的区别，摘要部分需要用一段话概括此次实验工作的主要内容和结论，而不是写相关背景和前人的研究成果。正文部分要体现以下4个部分：引言、实验内容与方法、实验步骤与数据、实验结论与讨论等。通过论文这一要求，让学生体会撰写科研论文的要领。

气体放电实验平台自建成以来一直投入本科生的教学，多年来运行良好，并取得了广泛的认可。许多学生在课后还进行相关知识的探索，并积极与老师们沟通讨论。本实验涉及到的知识面相对较更广，如真空、低气压放电、能级跃迁、等离子体等。在教学时间上，该实验需要3～4个课时(一般实验需2个课时即可)。但从另外一方面讲，学生如果能够积极准备，努力钻研，充分参与到这样一个研究型实验的全过程，是能够很好地拓展知识面、深化所学过的相关理论。

3 结 语

本文针对气体击穿特性实验平台的设计和实验方法，结合开展低气压气体直流击穿特性实验教学内容，介绍了平台的设计技巧、实验教学所需准备、课堂组织和实验技巧，分析了教学实施过程遇到的问题，提出了解决方案。通过开展此课程取得的一些初步成果与经验，认为在有条件的高校将气体放电实验推广到本科生的实验教学中具有很高的可行性。希望本文能对国内高校开展相关或者类似的综合研究型实验提供一定的参考。

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ExperimentalPlatformforGasDischargeCharacteristicsandAnalysisontheRelevantTechniques

WANGQi,WANGMinge,FENGChunlei,ZHANGYingying,ZHANGJialiang

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams of Ministry of Education, Physical Experiment Center of University, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Based on the accumulated experiment experience on equipment development of Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams of Ministry of Education, the superior strength of National Key Disciplinary of Plasma Physics, we summarized the research achievements in gas discharge technology, designed and constructed a comprehensive gas discharge equipment platform. Three courses including DC discharge breakdown characteristics,V-Icharacteristics, electrostatic probe diagnostics were carried out using this platform. In this paper, the design idea and equipment module were recounted, the preparation, the class organization, the experiment skills were described. Moreover, the main problems during the courses and the corresponding solutions were also introduced.

low-pressure discharge; DC breakdown; Paschen curve; exploratory experiment

O 0461.2； O 0521； O 0539

A

1006-7167(2017)09-0055-04

2016-11-25

国家自然科学基金青年基金项目(11405022)；大连市高层次人才创新支持计划项目(2016RQ020)

王 奇(1982-)，男，河北邯郸人，博士，工程师，主要从事低温等离子研究。Tel.：15641138518； E-mail：wang@dlut.edu.cn