低溫下氦氣直流擊穿特性研究摘要本研究聚焦于低溫環(huán)境下氦氣的直流擊穿特性，通過搭建專業(yè)的低溫氣體放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)地測量了不同低溫條件下氦氣在直流電壓作用下的擊穿電壓。深入分析了溫度、氣壓、電極間距等因素對氦氣直流擊穿特性的影響規(guī)律，并結(jié)合氣體放電理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明，低溫會(huì)顯著改變氦氣的直流擊穿特性，隨著溫度降低，擊穿電壓呈現(xiàn)上升趨勢，為低溫環(huán)境中涉及氦氣放電的相關(guān)工程應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。一、引言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的諸多領(lǐng)域，如低溫等離子體技術(shù)、超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的絕緣保護(hù)、空間低溫環(huán)境下的氣體放電現(xiàn)象研究等，氦氣的直流擊穿特性都具有關(guān)鍵作用。低溫環(huán)境廣泛存在于深空探測、超導(dǎo)加速器等前沿領(lǐng)域，在這些低溫場景中，氣體的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響其放電特性。然而，目前對于低溫下氦氣直流擊穿特性的研究仍相對較少，相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠完善。深入研究低溫下氦氣的直流擊穿特性，有助于更好地理解低溫氣體放電的物理機(jī)制，為相關(guān)工程技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展提供理論指導(dǎo)，因此具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。二、實(shí)驗(yàn)裝置與方法（一）實(shí)驗(yàn)裝置搭建的低溫氣體放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由低溫恒溫系統(tǒng)、氣體充放系統(tǒng)、直流高壓電源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。低溫恒溫系統(tǒng)采用液氮制冷方式，可將實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度穩(wěn)定控制在77K-300K范圍內(nèi)，溫度波動(dòng)范圍控制在±0.5K以內(nèi)。該系統(tǒng)包含一個(gè)真空絕熱的低溫腔體，用于放置實(shí)驗(yàn)電極和容納氦氣，以保證實(shí)驗(yàn)過程中溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。氣體充放系統(tǒng)由高純度氦氣氣源、減壓閥、質(zhì)量流量計(jì)和真空機(jī)組組成?？删_控制氦氣的充入量和氣壓，氣壓測量范圍為0.1kPa-100kPa，測量精度為±0.1%。直流高壓電源系統(tǒng)能夠提供0-50kV的穩(wěn)定直流電壓，電壓紋波小于1%。采用高精度的電壓探頭和電流探頭對放電過程中的電壓和電流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以高速數(shù)據(jù)采集卡為核心，采樣頻率可達(dá)1MHz，能夠準(zhǔn)確記錄放電過程中的各種電參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)電極采用平行平板電極結(jié)構(gòu)，電極材料為不銹鋼，電極直徑為50mm，表面經(jīng)過拋光處理，以減小電極表面粗糙度對放電的影響。電極間距可在1mm-10mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.01mm。（二）實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)開始前，先對低溫腔體進(jìn)行抽真空處理，使腔內(nèi)真空度達(dá)到10??Pa以下，以排除其他氣體雜質(zhì)的干擾。然后充入高純度氦氣，將氣壓調(diào)節(jié)至設(shè)定值，并等待一段時(shí)間，使腔內(nèi)氣體溫度和壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過直流高壓電源逐漸升高電壓，升壓速率控制為100V/s，直至氦氣發(fā)生擊穿。記錄擊穿瞬間的電壓值，即擊穿電壓。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)測量10次，取平均值作為最終的擊穿電壓數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，依次改變溫度、氣壓、電極間距等參數(shù)，研究各因素對氦氣直流擊穿特性的影響。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（一）溫度對擊穿電壓的影響在氣壓為10kPa，電極間距為3mm的條件下，測量了不同溫度（77K-300K）下氦氣的直流擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以清晰地看出，隨著溫度的降低，氦氣的直流擊穿電壓呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。在300K時(shí)，擊穿電壓約為2.5kV；當(dāng)溫度降至77K時(shí)，擊穿電壓升高至約4.2kV，增幅達(dá)到68%。這主要是因?yàn)榈蜏貢?huì)導(dǎo)致氦氣分子的熱運(yùn)動(dòng)減緩，分子間的碰撞頻率降低，使得電子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)與氣體分子發(fā)生碰撞電離的概率減小，從而需要更高的電壓才能使氣體發(fā)生擊穿。xychart-betatitle"不同溫度下氦氣的直流擊穿電壓"x-axis77K-->300Ky-axis0kV-->5kVline[4.2,3.8,3.4,3.0,2.5]（二）氣壓對擊穿電壓的影響在溫度為200K，電極間距為3mm的條件下，研究了氣壓在1kPa-100kPa范圍內(nèi)變化時(shí)氦氣的直流擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在低溫（200K）下，氦氣的直流擊穿電壓隨著氣壓的增加先降低后升高，存在一個(gè)最小值。當(dāng)氣壓較低時(shí)，氣體分子密度較小，電子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)與分子碰撞的機(jī)會(huì)較少，需要較高的電壓才能引發(fā)足夠的碰撞電離，導(dǎo)致?lián)舸╇妷狠^高；隨著氣壓升高，氣體分子密度增大，碰撞電離概率增加，擊穿電壓降低；但當(dāng)氣壓繼續(xù)升高到一定程度后，氣體分子間的距離變得非常小，電子在碰撞過程中能量損失過快，反而需要更高的電壓才能使氣體擊穿。xychart-betatitle"不同氣壓下氦氣的直流擊穿電壓（200K）"x-axis1kPa-->100kPay-axis0kV-->8kVline[6.5,4.0,3.0,4.5,6.0]（三）電極間距對擊穿電壓的影響在溫度為150K，氣壓為5kPa的條件下，測量了電極間距在1mm-10mm范圍內(nèi)變化時(shí)氦氣的直流擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在低溫環(huán)境下，氦氣的直流擊穿電壓與電極間距呈近似線性關(guān)系，隨著電極間距的增大，擊穿電壓逐漸升高。這是因?yàn)殡姌O間距越大，電子從一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)電極的過程中需要穿越更長的氣體距離，與氣體分子發(fā)生碰撞電離的次數(shù)增多，需要更多的能量來維持放電過程，因此需要更高的電壓才能使氣體擊穿。xychart-betatitle"不同電極間距下氦氣的直流擊穿電壓（150K，5kPa）"x-axis1mm-->10mmy-axis0kV-->10kVline[1.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0]四、結(jié)論通過對低溫下氦氣直流擊穿特性的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：溫度對氦氣直流擊穿特性影響顯著，隨著溫度降低，擊穿電壓明顯升高。氣壓對氦氣直流擊穿電壓的影響呈現(xiàn)非線性關(guān)系，存在一個(gè)擊穿電壓最小值。電極間距與氦氣直流擊穿電壓呈近似線性關(guān)系，電極間距越大，擊穿電壓越高。本研究成果為低溫環(huán)境中涉及氦氣放電的相關(guān)工程應(yīng)用，如低溫等離子體設(shè)備設(shè)計(jì)、超導(dǎo)裝置絕緣優(yōu)化等提供