帕邢定律相关问题的研究

As one of the most famous achievements in gas discharge research, Paschen law played an important role in the theory and application of gas discharge. However, as the development of the gas discharge research, people found some problems related to Paschen law. Among these problems there are two with no clear answers up to now. The first one is the measured DC breakdown voltages of the gas gaps with moderate pressure and length deviate from Paschen law. The second one is the measured breakdown voltage of the gas gaps under microseconds pulse voltage deviate from the Paschen law. Aiming at these two problems, the theoretical analysis, numerical computation and experimental measurements will be made on how the charged particle loss due to radial diffusion, uniformity of the electric field and pulse breakdown delay influencing the validity of Paschen law. These research will further clarify the conditions under which Paschen law is valid and will be helpful to the development of the gas discharge theory.

帕邢定律是气体放电最著名的研究成果之一，它无论在理论上还是在应用上都具有重要的价值。但是，随着研究的进展，人们陆续发现帕邢定律存在一些问题，并且其中几个问题至今没有明确的解答。本项目针对其中两个问题（在常规实验条件下和微秒脉冲电压下气隙击穿电压偏离帕邢定律）进行理论分析、数值计算和实验研究，重点关注带电粒子径向扩散损失、电场不均匀度以及脉冲放电时延等对帕邢定律的影响。这些研究工作将有助于人们进一步认识帕邢定律的适用条件和范围，促进气体放电理论的发展。

帕申定律是气体放电最重要的发现之一，但它仅适用于静态电压作用下的均匀电场击穿。本项目针对电场分布和脉冲电压对帕申曲线的影响展开研究，这有助于进一步理解帕申定律和气体击穿。. 我们对平行平板电极之间低气压气隙的击穿进行了实验研究和数值模拟。实验观察到了非均匀电场中不同气隙帕申曲线的分离现象，发现了击穿电压Vb不但是气压p和气隙长度d乘积pd的函数，而且是气隙长宽比d/r的函数，即Vb = f ( pd, d/r )。基于气隙电场分布，证明了Vb = f (p·d, d/r)是气体放电相似性原理在平行平板气隙非均匀电场中的表现形式，而帕申定律Vb = f (p·d)只是该原理在均匀电场中的1个特例。因此，Vb = f (p·d, d/r)把帕申定律推广平行平板气隙非均匀电场中。. 实验中还观察到了帕申曲线的交叉现象，并发现气压较低时，电场越不均匀（即d/r越大），气隙击穿电压越高，这和人们的常识相矛盾，故称之为“反常现象”。当气压较高时，情况则相反，恢复到“电场越不均匀（即d/r越大），气隙击穿电压越低”的正常现象。通过数值模拟重现了这一交叉现象，表明这交叉现象确实存在。基于电场分布对电子碰撞电离系数的影响和气压对电子平均自由行程影响，解释了这一交叉现象。. 我们利用微秒级上升脉冲电压，进行了以下实验，① 分别固定四个气压（即p = 0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa），逐次改变d，得到4条分离的帕邢曲线；②分别固定三个气隙长度（即d = 0.8mm、1.2mm、2.7mm），逐次改变p，得到3条分离的帕邢曲线。上述实验我们总共得到7条分离的帕邢曲线，即Vb  f (p·d)，这表明帕申定律不适用于脉冲击穿电压。我们对此现象的解释是：在脉冲电压上升率不变的条件下，气隙击穿电压决定于击穿时延，而击穿时延中的统计时延ts和放电形成时延tf都是一个统计随机量，不会仅是pd的函数。因此，气隙击穿电压必然偏离帕邢定律。