馮　策，陳　平，李川勇

(南開(kāi)大學(xué) 物理學(xué)院，天津 300071)

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高壓電的獲得與氣體放電現(xiàn)象的研究

馮策，陳平，李川勇

(南開(kāi)大學(xué) 物理學(xué)院，天津 300071)

摘要：設(shè)計(jì)制作了高壓電源和整套氣體放電裝置，用于開(kāi)設(shè)氣體擊穿、惰性氣體導(dǎo)電和介質(zhì)擊穿等實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充了物理教學(xué)中高壓電和氣體放電方面的不足，鍛煉了學(xué)生的思維并且提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).

關(guān)鍵詞：高壓電源；氣體放電；氣體激光器

在自然界和日常生活中，人們經(jīng)常會(huì)遇到氣體放電現(xiàn)象，例如大氣中的閃電、日冕、極光等都是自然界的氣體放電行為；大部分光源，如日光燈、高壓汞燈、氣體激光器等是日常生產(chǎn)生活中常見(jiàn)的氣體放電現(xiàn)象，而電弧焊機(jī)、磁流體力學(xué)發(fā)電機(jī)、等離子高溫爐等氣體放電也實(shí)實(shí)在在應(yīng)用于人們的生產(chǎn)行為中.

在對(duì)氣體放電多年研究中，人們通過(guò)研究放電行為(如：湯生放電、輝光放電、弧光放電、火花放電、脈沖放電、電暈放電等)，得到了典型的氣體放電曲線(圖1)，其在科研和教學(xué)中起著指導(dǎo)性作用.

圖1　典型的放電管氣體放電伏安特性

高壓電的使用和氣體放電現(xiàn)象是大學(xué)物理中的重要部分，也經(jīng)常在科學(xué)研究中遇到，但由于危險(xiǎn)和理論不成熟等原因，一直在物理教學(xué)中被忽視. 本文利用實(shí)驗(yàn)手段，讓學(xué)生使用和調(diào)試高壓電，并用高壓電完成氣體擊穿、惰性氣體導(dǎo)電和介質(zhì)擊穿等工作，使學(xué)生接觸高壓并定性地理解氣體的放電現(xiàn)象.

氣體放電實(shí)驗(yàn)的整體電路如圖2所示. 高壓電壓取樣和電流取樣做了鉗位保護(hù)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)采集處理，再由液晶屏顯示.

圖2　高壓氣體放電電路圖

實(shí)驗(yàn)所用電源為自制電源，如圖3所示，單片機(jī)作為振蕩方波輸出源，通過(guò)改變?cè)摲讲ǖ恼伎毡瓤梢哉{(diào)節(jié)輸出電壓值，單片機(jī)輸出的方波經(jīng)過(guò)模擬芯片IR2110進(jìn)行整形和功率放大，控制組成全橋的4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管繼而推動(dòng)高壓變壓器初級(jí)，次級(jí)經(jīng)高壓硅堆后輸出直流高壓.

圖3　實(shí)驗(yàn)電源的框圖

高壓電源設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，一定要注意變壓器電感反峰的吸收. 另外由于氣體擊穿后電阻會(huì)變得較低，為了維持功率的輸出，在高壓部分又添加了低壓功率電路. 圖4為放電實(shí)驗(yàn)中的高壓電源.

圖4　實(shí)驗(yàn)高壓電源

經(jīng)過(guò)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)電源可以產(chǎn)生0~30 kV高壓，放電輸出電流最大為30 mA，電源內(nèi)阻約為1 MΩ；低壓部分輸出電壓范圍為0~750 V，輸出功率可以滿足放電要求. 這款實(shí)驗(yàn)電源具有調(diào)節(jié)方便、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大、輸出功率高、能用于短路放電情況中、有完善的高壓防誤觸方案、耐用等特點(diǎn)，適合本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué).

本文介紹的高壓氣體放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)有：惰性氣體伏安特性的測(cè)量、平板電極空氣擊穿電壓的測(cè)量、尖端電極空氣擊穿電壓的測(cè)量、介質(zhì)擊穿電壓的測(cè)量.

氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作方便，工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作，是目前品種最多、應(yīng)用最廣泛的一類激光器，市場(chǎng)占有率達(dá)60%. 而這類激光器的工作介質(zhì)主要是惰性氣體(有些摻雜有金屬蒸氣)，利用高壓放電方式泵浦，了解惰性氣體的放電方式對(duì)于激光器的使用和調(diào)試十分有必要. 因此，將不同惰性氣體(如氖氣、氬氣、摻汞氬氣)的放電管做成了易于測(cè)量和使用的燈箱結(jié)構(gòu). 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以連續(xù)調(diào)節(jié)電壓值，使惰性氣體擊穿后進(jìn)入輝光放電區(qū)，并記錄該過(guò)程中的電壓電流值. 應(yīng)該注意的是：由于電源和放電管功率的限制，該實(shí)驗(yàn)只能測(cè)到輝光放電區(qū)，無(wú)法二次擊穿進(jìn)入弧光區(qū)測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)用燈箱和測(cè)得的氬氣伏安曲線如圖5所示.

(a)惰性氣體燈箱

(b)氬氣的伏安特性曲線圖5　惰性氣體燈箱及氬氣的伏安特性曲線

空氣放電實(shí)驗(yàn)是將高壓接于平板和尖端電極上，不斷改變其極間距離，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的方式，最終得到該距離下的擊穿電壓. 這對(duì)于閃電形成方式和空氣的絕緣性理解很有幫助. 另外與目前人們認(rèn)可的半經(jīng)驗(yàn)性的帕邢定律比較，可以知道其局限性. 其放電電極與測(cè)得的擊穿電壓如圖6~8所示.

圖6　實(shí)驗(yàn)用空氣放電電極

圖7　平板電極的空氣擊穿電壓與距離的關(guān)系

圖8　尖端空氣擊穿電壓與距離之間的關(guān)系

將面積大于極板的介質(zhì)夾緊在平行板電極之間，使用上述測(cè)量空氣擊穿電壓類似的方法可以得到該材料的擊穿電壓. 該擊穿電壓與材料的厚

度并不是正比例關(guān)系. 這對(duì)于材料絕緣性理解是很有用的. 另外，可以做材料在電學(xué)臨界態(tài)的特性研究.

高壓電和氣體放電在物理教學(xué)中因各種原因常被忽略，該實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和設(shè)立，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中體會(huì)和了解高壓，同時(shí)通過(guò)對(duì)氣體放電現(xiàn)象的觀察和測(cè)量，了解了氣體光源和氣體的導(dǎo)電性質(zhì). 另外可以利用這一高壓電源自組各種高壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生的思維拓展和科研方法鍛煉是很有益處的.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

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

中圖分類號(hào)：O521.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)01-0035-03

通訊作者：陳平(1955-)，男，天津人，南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院高級(jí)工程師，大專，從事基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

作者簡(jiǎn)介：馮策(1992-)，男，河北衡水人，南開(kāi)大學(xué)物理學(xué)院2011級(jí)本科生.

基金項(xiàng)目資助項(xiàng)目：南開(kāi)大學(xué)本科培養(yǎng)(No.J110308)

收稿日期：2015-07-23