自持放电的判据

图2-3 汤逊放电区域的伏安特性曲线

放电从非自持放电转变到自持放电的过程称为气体的击穿过程，这种放电现象的理论由科学家汤逊在20世纪初首先研究并建立，故称为汤逊放电。

汤逊放电区域的伏安特性曲线如图2-3所示，可分为T0、T1和T2三部分。在T0区域，作用在电极间的电压很低，气体中流过的电流也很小，如图所示从零开始上升，而后趋于饱和，这是剩余电离的带电粒子在电场作用下做定向迁移的结果。由于宇宙射线和地壳中放射性元素的辐射作用，任何时刻、任何地点的任何气体中均具有一定量的电子和离子，这种现象叫作剩余电离。在没有外场的情况下，这些带电粒子和气体分子一样在空间做杂乱无章的运动。当放电管两端加上较低的电压时，电子和离子在场的作用下做定向运动，于是电流从零开始逐渐增加；当极间电压足够大时，所有的带电粒子都可到达电极，这时电流达到某一最大值。剩余电离产生的带电粒子密度一般很弱，所以T0区域中饱和电流值仍很小（约10-12A数量级）。

汤逊认为在T1区域里的放电机理是：从阴极发射的电子在电场作用下获得足够的能量，它们与气体分子碰撞并产生电离，导致带电粒子的增加，放电电流随之上升。而在T2区域里，电子与气体分子碰撞产生的正离子，从较高电场中获得的能量已足以在与气体分子碰撞时使之电离，从而使放电电流进一步增大。这里，从阴极发射出的最原始的电子是某种光电效应产生的，如果这种光电效应突然消失，那么汤逊放电区域中的电流会立刻中断，所以这种放电属于非自持放电。

当作用在电极间的电压大于某一临界值Vs时，放电管的电流会突然迅速上升。这时即使移去外界电离源，放电依旧维持，气体中出现了某种类型的自持放电，如辉光放电或弧光放电。这时称气体产生了击穿，其临界电压值就称为击穿电压。当然此时产生的自持放电的性质还决定于放电通道和外电路的条件。

由式（2-15）得，到达阳极的电子流即总的电流为

上式表示了非自持放电电流的增长规律和过渡到自持放电的条件。这里假设δ=γ（eαd-1）＜1。如果停止紫外线照射，不再补充初始电子，即ie0=0，那么由式（2-15）可知此时ieα=0，电流不会持续。但是γ（eαd-1）=1时，式（2-15）的分母为零，所以尽管ie0→0，ieα就可以是不为零的有限值。也就是说，即使无紫外线，凭借少量的偶然电子作为种子电子，也能在电极间产生持续的电流，继续持续放电。由此，汤逊提出了放电的开始条件为

δ=γ（eαd-1）=1（2-16）

式（2-16）称为汤逊自持放电条件，也称为击穿判据。它的物理意义是：如果最初从阴极逸出一个初始电子，则该电子在加速的同时不断进行碰撞电离，到达阴极时电子数增至eαd。在这个过程中产生的离子数就相当于从这些电子中减去一个电子，即（eαd-1），那么这些二次电子就可以作为种子与初次电子一样产生连续的电流，从而使放电持续进行，换句话说，仅由电子α作用来产生初始电子的时候，电流在经过一个脉冲后会终止。但如果同时加上离子的γ作用，会不断地从阴极补充种子电子而使放电自然地持续下去，这就是自持放电的含义所在。

一般情况下，当γ与1相比，1与eαd相比，前面的量均可以忽略不计时，那么式（2-16）可以简化为

αd=ln（1/γ）（2-17）

推广到不均匀电场时，因电场强度E处处不等，所以α是位置的函数，故击穿判据为

气体放电的击穿电压实验证明了汤逊放电理论的正确性，因此长期以来汤逊理论一直被认为能够反映客观事实的情况。