低壓氣體放電特性平臺設計及實驗技巧分析

王 奇， 王明娥， 馮春雷， 張瑩瑩， 張家良

(大連理工大學 物理與光電工程學院 三束材料改性教育部重點實驗室,大學物理實驗中心， 遼寧 大連 116023)

低壓氣體放電特性平臺設計及實驗技巧分析

王 奇， 王明娥， 馮春雷， 張瑩瑩， 張家良

(大連理工大學 物理與光電工程學院 三束材料改性教育部重點實驗室,大學物理實驗中心， 遼寧 大連 116023)

設計了低氣壓氣體放電等離子體綜合實驗平臺，利用該平臺可以開展氣體直流擊穿特性、氣體放電伏安特性和等離子體基本參數靜電探針診斷等系列實驗項目的演示和教學。針對氣體擊穿特性實驗平臺的設計和實驗方法，結合開展低氣壓氣體直流擊穿特性實驗教學內容，介紹了平臺的設計技巧、實驗教學所需準備、課堂組織和實驗技巧，分析了教學實施過程遇到的問題，提出了解決方案。教學實踐表明，安全問題、氣體擊穿臨界點的判定、首次測量氣壓點的選擇、實驗數據點的分布與擬合是課程順利開展的關鍵因素。

低壓氣體放電； 直流擊穿； 帕邢曲線; 探索研究性實驗

0 引 言

研究性實驗旨在使實驗教學與專業科學研究接軌，最新的科研成果以實驗課堂的形式傳授給學生，使學生在實驗過程中經歷與科研工作相似的過程[1]。開發研究性、探索性教學實驗，提高學生綜合素質和創新能力，是當前物理實驗教學改革的一個重要方面。目前光纖技術[2]、磁共振技術[3]、核物理技術[4]、光學信息處理技術[5]以及光譜技術[6]、真空技術[7]、傳感器技術[8]等現代科研手段已經被各高校引入到物理實驗教學之中。

等離子體通常被稱為物質的第四態，是由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子組成，宏觀上呈現準中性、且對外加電、磁場具有集體效應[9]。氣體放電是產生低溫等離子體的主要途徑，指氣體在電場的作用下從產生載流子定向運動而導電的現象。隨著等離子體科學與技術的不斷發展，氣體放電等離子體在焊接[10]、噴涂[11]、微納米材料合成[12]、高危有害固體廢棄物處理[13]、空間推進[14]、生物醫學[15]等領域有著廣闊的應用前景。

近年來，氣體放電特性已成為國內外研究的熱點。通過開設氣體放電特性研究及等離子體診斷實驗課程，增進學生對等離子體科學知識與應用技術的認識非常必要。為適應等離子體領域科研人才培養的需求，國內多家高校相繼開設了一些等離子體基礎理論課程，而且努力創造條件開展等離子體實驗教學的設備和方法研究[16-17]，但大多院校使用的教學器材都是基于功能單一而且過時的科研設備改造而來，且教學方法以教師演示為主，因為大多數高校中沒有與等離子體物理相關科研隊伍的支撐。現階段，有關氣體放電等離子體基本特性的實驗教學環節還比較薄弱。

本文介紹了實驗室自行設計的低氣壓氣體直流放電等離子體綜合實驗平臺的主要功能，主要闡述了開展氣體擊穿特性實驗的思路、方法及出現的主要問題及解決方法。該實驗平臺能夠通過相關聯的數個實驗項目，使學生完成氣體放電現象觀察，氣體放電過程和規律的探索，基本物理概念和理論的深化理解等學習過程，從而樹立牢固、清晰、具體的等離子體概念，引領學生煥發出成為等離子物理和技術研究領域后備人才的熱情。

1 實驗平臺設計及功能

1.1設計思路

實驗平臺的設計考慮了功能多樣性、實驗直觀性、操作界面化和電氣安全性。圖1所示是實驗平臺的構成框架。

圖1 低壓氣體放電系統設計示意圖

1.2平臺構建模塊

實驗平臺是多功能綜合性實驗裝置，可以完成3個實驗項目：① 低氣壓直流擊穿特性；② 放電氣體的直流伏安特性；③ 輝光等離子體的靜電探針診斷。該平臺包含4個模塊：放電腔室、真空維持與測量、電源與電氣測量、供氣與冷卻。

(1) 放電腔室。放電腔室由石英放電管、平行板電極和探針構成。石英管長度為20 cm，內徑5 cm。內部放置圓形平板電極，電極間隙借助于動密封設計可以自由調節(見圖2)。為減緩電極在放電過程中的熱量沉積，電極設計為內空腔水冷結構。

圖2 放電腔室及控制面板實物圖

(2) 真空維持與測量。主要包括真空泵與電阻真空計。為了減小成本，平臺選用常規的2XZ-2型機械泵，極限真空為60 mPa，由大氣抽至極限真空約15 min。系統極限真空度在1 Pa左右，完全滿足直流輝光放電實驗的要求。與此對應，采用ZDR-I型電阻真空計作為氣壓儀表，其準確測量范圍為1～500 Pa。

(3) 電源與電氣測量。實驗平臺裝配一臺直流高壓電源,其輸出電壓范圍為0～1.5 kV，輸出電流0～0.8 A。相應電壓和電流的測量采用常用的數字測量模塊完成。

(4) 供氣與冷卻。實驗通用氣體為氮氣和氬氣，因為氮氣與氬氣是最常見的無毒、無污染大氣惰性成分，而且氮氣和氬氣的擊穿特性和放電特性有大量成熟文獻和數據可參考。氣體的注入采用常規的浮子流量計實現。

此外，為了防止放電管和電極溫度過高，裝置還設計了循環水冷卻系統。

2 實驗項目和教學組織

低氣壓氣體的擊穿特性是氣體放電物理、等離子體物理和技術專業教學的最基礎內容，本節將針對實驗平臺的功能之一——低氣壓直流擊穿特性實驗項目的教學組織和過程，闡述實驗技巧與關鍵問題、課程要求與效果。

2.1實驗預期目標與前期準備

項目目標是使學生掌握低氣壓氣體擊穿的基礎知識，初步認識低氣壓放電等離子體的產生機制，培養學生的學習興趣。具體來講，本項目的教學內容主要有以下幾個方面：① 了解真空技術的基本知識，掌握真空條件和低氣壓的獲得方法。真空條件是多種工況下進行工藝制作、物理測量和科學實驗等的前提。② 認識低氣壓氣體直流擊穿現象，研究放電條件與氣體擊穿電壓之間的關系，體會探索物理規律的實驗研究過程。③ 探索認識帕邢定律的物理意義及帕邢曲線的普適性。

2.2課堂內容與組織

實驗教學以2人科研小組的形式進行，每堂課共16名學生，分為8個組，每組負責一套裝置。老師通過網上選課系統公布預習題目，要求同學熟悉相關實驗原理，查閱相關資料，給出大致的實驗方案。探索研究性實驗的主體是學生，課堂上先請學生講述他們對實驗的理解及初步擬定的實驗方案，對于學生設計中出現的問題，老師以問題的形式指出，引導他們拓展思路。然后老師開始課堂內容的講解,包括氣體放電的基本理論，實驗平臺介紹及儀器操作的具體步驟。

首先向學生講解氣體放電的理論，結合與生活密切相關的日光燈管、霓虹燈等氣體放電實例，讓學生對氣體放電現象有感性認識并產生興趣。然后，逐步遞進地講解氣體擊穿、湯森放電,以及帕邢定律的背景、概念、物理意義。對于實驗平臺的講解，采用由主及次的方法，先介紹放電管本身的構成，包括兩側電極的幾何位形及冷卻水等。依次過渡到電極兩端外接的兩套管路，即冷卻水管路與直流電源的兩極；石英管兩端的外接管路，即真空抽氣與送氣管路。接下來向學生展示氣體放電的外圍附屬設備以及對應的控制面板。講解這些外圍設備的作用、必要性、開關操作順序及注意事項；同時可以擴展性的講解一些常用的真空技術的基礎知識，以及機械泵的結構及原理；講解工藝氣體的輸送(氬氣和氮氣)、高壓氣瓶及減壓閥、氣體流量計等部件及原理。

講解完成之后，啟發學生按照如下流程：“水—氣—電”順序進行開機及操作。具體說來，首先要打開外圍的輔助設備，依次啟動冷卻水以及機械泵。需要注意，要確保冷卻水工作正常，再打開機械泵，抽至極限真空，大約需要10～15 min。然后，由任課老師親自打開高壓氣瓶，并調節減壓閥至合適輸出氣壓，引導學生打開氣體流量計充入工作氣體。然后，開啟直流高壓電源，緩慢增加放電管兩端的電壓，直到穩壓二極管的管壓降突變，記錄此時的擊穿電壓值，即完成一次擊穿電壓的測量(見圖3)。

圖3 實驗觀察到氮氣氣體擊穿圖像

每個氣壓下進行至少3次氣體擊穿的測量，建議先測量較高氣壓的數據，以減弱極限真空中背景空氣對結果的影響。對于比較優秀且完成較快的學生，可以嘗試用不同氣體進行放電實驗，以觀察多種輝光顏色并繪制比較帕邢曲線的異同點，分析其中深層次的物理機制。實驗完畢后，調節氣體流量控制旋鈕至最小位置，調節電壓至最小值，依次關閉電壓、機械泵、冷卻水，電源開關。關機時需向學生強調關機順序，特別是先關氣體流量計，再關機械泵，以避免在機械泵已經停止抽氣時，一直有氣體進入放電管，長時間進氣易造成輸氣軟管及放電管的爆裂。

2.3實驗技巧及關鍵問題

(1) 安全問題。安全問題永遠是實驗研究與教學的重中之重。培養學生嚴謹、細致的實驗操作習慣可為他們以后的科學研究打下基礎，并直接保證實驗過程的安全性。本實驗涉及到高壓直流電，要求學生做到不觸摸高壓直流電源的裸露電極、高溫放電管。另外，為防止持續的直流高壓放電導致過熱，每次讀取擊穿電壓成功后，立即降低電壓至50 V以下。

(2) 判斷氣體是否擊穿。準確判斷放電管內氣體擊穿是正確記錄其閾值電壓的前提。通常學生采用的方式是肉眼觀察產生的輝光對于如何判斷氣體是否擊穿。但是，在不同氣壓和極板間隙條件下，其放電輝光差異較大，很可能放電時現象很弱，顏色也不明顯，從而造成誤判斷。鑒于此，在電路的設計上增加了穩壓硅二極管。當放電管內氣體沒有被擊穿時，氣體為絕緣體，放電回路與二極管均處于截止狀態，二極管管壓降示數為“0”或者很小數值；隨著不斷增加兩放電極板間的電壓，在某一電壓值下，管內氣體剛好被擊穿，放電回路及二極管均被導通，此時二極管兩端管壓降瞬間增大到約0.5～0.7 V。在這一跳變瞬間，記錄擊穿電壓的瞬時值，即為此種氣體在該條件下的擊穿電壓。實驗中要求學生觀察穩壓二極管示數的跳變來判斷擊穿，避免視覺誤差對結果的影響。

(3) 首次測量氣壓點的選擇。以本裝置及條件為例，實驗氣壓的范圍選在4～100 Pa，通常設計將20 Pa作為初始氣壓條件開展實驗，這是學生理解的一個難點。這主要是基于測量精度與實驗安全兩個方面考慮。首先，本實驗真空腔室所能達到實際的背景真空在1 Pa左右，故管內殘留的背景空氣不可忽視。如果將4 Pa作為首次測量氣壓點，其管內空氣所占比例可高達25%,對結果有較大干擾。隨著實驗過程的進行，放電管內的“清洗”作用會使雜質氣體比例越來越低；另一方面，初始氣壓如果選在100 Pa，此情況氮氣放電擊穿電壓可高達0.8～1.0 kV左右，如圖4所示。所以，應該避免讓學生在實驗一開始就操作如此高的危險電壓。

(4) 實驗數據點的分布與擬合。帕邢曲線的特點是在某些區間內呈線性變化，而在另一些區間內是非線性的。我們擬用有限個數據點描繪完美的帕邢曲線，并準確找出氣體放電的最佳擊穿條件，合理分布測試點是非常必要的。以低氣壓下氮氣放電為例，如圖4所示，針對相對較高氣壓部分，即右半圖線性變化區域，可以加大數據間隔(如10 Pa)；而對于左半部分，需要減小數據間隔(如2 Pa)。然后，引導學生逐漸找到氣體的最佳擊穿條件，在這一值附近細化數據點。通過這一訓練，可以培養學生合理設計實驗的良好習慣。另外，在處理數據過程中，發現多名學生不能正確認識“擬合”的含義，而是把數據點簡單連接起來，沒有得到平滑的曲線，這也是需要重點強調的問題。

圖4 實測氮氣擊穿數據與擬合帕邢曲線

2.4課程要求與效果

普通大學物理實驗要求學生提交一份實驗報告格式的作業，而氣體擊穿特性的實驗為探索研究型實驗，要求學生以科研論文的形式提交作業。論文內容包括題目、作者、摘要、正文4個部分。對于摘要，要強調其與引言的區別，摘要部分需要用一段話概括此次實驗工作的主要內容和結論，而不是寫相關背景和前人的研究成果。正文部分要體現以下4個部分：引言、實驗內容與方法、實驗步驟與數據、實驗結論與討論等。通過論文這一要求，讓學生體會撰寫科研論文的要領。

氣體放電實驗平臺自建成以來一直投入本科生的教學，多年來運行良好，并取得了廣泛的認可。許多學生在課后還進行相關知識的探索，并積極與老師們溝通討論。本實驗涉及到的知識面相對較更廣，如真空、低氣壓放電、能級躍遷、等離子體等。在教學時間上，該實驗需要3～4個課時(一般實驗需2個課時即可)。但從另外一方面講，學生如果能夠積極準備，努力鉆研，充分參與到這樣一個研究型實驗的全過程，是能夠很好地拓展知識面、深化所學過的相關理論。

3 結 語

本文針對氣體擊穿特性實驗平臺的設計和實驗方法，結合開展低氣壓氣體直流擊穿特性實驗教學內容，介紹了平臺的設計技巧、實驗教學所需準備、課堂組織和實驗技巧，分析了教學實施過程遇到的問題，提出了解決方案。通過開展此課程取得的一些初步成果與經驗，認為在有條件的高校將氣體放電實驗推廣到本科生的實驗教學中具有很高的可行性。希望本文能對國內高校開展相關或者類似的綜合研究型實驗提供一定的參考。

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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

國家自然科學基金青年基金項目(11405022)；大連市高層次人才創新支持計劃項目(2016RQ020)

王 奇(1982-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，主要從事低溫等離子研究。Tel.：15641138518； E-mail：wang@dlut.edu.cn