7.2.1　湯森自持放電條件

正常大氣環(huán)境條件下的帕邢區(qū)域(包括間隔和電壓)由電場(chǎng)激勵(lì)的電荷載體決定，參見(jiàn)帕邢、湯森和其他學(xué)者描述的計(jì)算公式。原則上，只要電場(chǎng)存在，則包含足夠數(shù)量離子的空氣將被加速，并向著相反電位的電極運(yùn)動(dòng);在電場(chǎng)強(qiáng)度、氣體密度和距離條件足夠的條件下，這些氣體將使其他氣體分子電離。以上物理效應(yīng)由湯森描述為指數(shù)律離子倍增。

均勻電場(chǎng)氣體間隙擊穿電壓、間隙距離和氣壓間的關(guān)系由德國(guó)物理學(xué)家帕邢于1889年建立，其依據(jù)是帕邢平行平板電極的間隙擊穿試驗(yàn)結(jié)果，表示為擊穿電壓U是電極距離d和氣壓P乘積的函數(shù)，計(jì)量單位分別為千伏、厘米和托，如圖7－5描述的曲線所示，該曲線也稱為帕邢曲線，表現(xiàn)為非單調(diào)函數(shù)，最小值的出現(xiàn)與電極和氣壓的乘積有關(guān)。

圖7－5　帕邢曲線

應(yīng)用湯森擊穿條件以及電離系數(shù)與Pd的關(guān)系式可以導(dǎo)出擊穿電壓公式，再對(duì)擊穿電壓公式求導(dǎo)即可得最小擊穿電壓。從圖7－5所示的帕邢曲線不難知道，提高氣壓或者氣壓降低到真空都能提高間隙擊穿電壓，這種概念在實(shí)際應(yīng)用中是有意義的。

深入地理解離子成像的物理原理需要了解湯森理論的主要內(nèi)容。湯森在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩塊金屬或其他導(dǎo)電材料制成的一對(duì)平板電極間所加電壓增大到一定值時(shí)，平板所形成間隙的氣體中出現(xiàn)連接兩個(gè)電極的放電通道，使原來(lái)絕緣的氣體變成電導(dǎo)很高的氣體，有放電電流通過(guò)，間隙被擊穿。湯森用氣體電離的概念解釋這一現(xiàn)象:他設(shè)想有n₀個(gè)自由電子在電場(chǎng)作用下從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，電子在與氣體分子碰撞時(shí)會(huì)引起后者電離，發(fā)展成所謂的“電子雪崩”效應(yīng);若每個(gè)電子在電場(chǎng)中移動(dòng)單位距離時(shí)產(chǎn)生的電離次數(shù)為α(稱為湯森電離系數(shù))，則可推知n₀個(gè)自由電子在從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中經(jīng)過(guò)距離n后將增加到n₀e，而每個(gè)電子產(chǎn)生的正離子－電子對(duì)數(shù)為e^－1。正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，設(shè)每個(gè)正離子撞擊陰極時(shí)引起的電子發(fā)射(稱二次電子發(fā)射)的概率為r，則n₀個(gè)自由電子引起電離后產(chǎn)生的二次電子數(shù)為rn₀(e^－1)。若要求放電持續(xù)不斷，必須滿足rn₀(e^－1)=n₀或r(e^－1)=1，此即湯森自持放電條件，又稱湯森判別式。