汤森自持放电条件

7.2.1　汤森自持放电条件

正常大气环境条件下的帕邢区域(包括间隔和电压)由电场激励的电荷载体决定，参见帕邢、汤森和其他学者描述的计算公式。原则上，只要电场存在，则包含足够数量离子的空气将被加速，并向着相反电位的电极运动;在电场强度、气体密度和距离条件足够的条件下，这些气体将使其他气体分子电离。以上物理效应由汤森描述为指数律离子倍增。

均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间的关系由德国物理学家帕邢于1889年建立，其依据是帕邢平行平板电极的间隙击穿试验结果，表示为击穿电压U是电极距离d和气压P乘积的函数，计量单位分别为千伏、厘米和托，如图7－5描述的曲线所示，该曲线也称为帕邢曲线，表现为非单调函数，最小值的出现与电极和气压的乘积有关。

图7－5　帕邢曲线

应用汤森击穿条件以及电离系数与Pd的关系式可以导出击穿电压公式，再对击穿电压公式求导即可得最小击穿电压。从图7－5所示的帕邢曲线不难知道，提高气压或者气压降低到真空都能提高间隙击穿电压，这种概念在实际应用中是有意义的。

深入地理解离子成像的物理原理需要了解汤森理论的主要内容。汤森在实验中发现，当两块金属或其他导电材料制成的一对平板电极间所加电压增大到一定值时，平板所形成间隙的气体中出现连接两个电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，间隙被击穿。汤森用气体电离的概念解释这一现象:他设想有n₀个自由电子在电场作用下从阴极向阳极运动，只要电场足够强，电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成所谓的“电子雪崩”效应;若每个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为α(称为汤森电离系数)，则可推知n₀个自由电子在从阴极向阳极运动的过程中经过距离n后将增加到n₀e，而每个电子产生的正离子－电子对数为e^－1。正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发射(称二次电子发射)的概率为r，则n₀个自由电子引起电离后产生的二次电子数为rn₀(e^－1)。若要求放电持续不断，必须满足rn₀(e^－1)=n₀或r(e^－1)=1，此即汤森自持放电条件，又称汤森判别式。