电子崩的形成

首先汤逊进行了气体放电的实验。在一个很粗的放电管中，气体压强固定在101k Pa，电场强度E=25k V/cm不变，发现如果无紫外光照射，管中没有一个电子，全部是中性粒子，那么无论在电极间加多高的电压，都不可能发生电离或放电。因此为了产生放电，必须有种子电子（初始电子）。种子电子产生可来源于界面发射，如人工加热阴极发射电子或自然界中高能宇宙射线、放射线、紫外线等，它们入射到放电管中会引起电离，从而产生电子。这种种子电子在电场作用下的迁移运动强于无规则热运动，而且种子电子在向阳极运动的过程中使气体粒子碰撞电离，新产生的电子向阳极运动时同样也能使气体粒子电离，于是电子向阳极运动越来越多，带电粒子像雪崩式的增殖，这种现象称为电子雪崩（简称电子崩）或称为电子繁流。

如图2-1所示，由于外电离因素光辐射的作用，气体间隙中存在自由电子。这些初始电子主要是由于光电效应从阴极产生的，因为表面光电效应较空间光电离强烈得多。在电场作用下，电子在其奔向阳极的过程中得到加速，动能增加。同时，电子在其运动过程中又不断和气体分子碰撞。由于电子的迁移速度比正离子的要大两个数量级，因此在电子崩的发展过程中，正离子留在其原来的位置上，移动不多，相对于电子来说可看成是静止的。当电压超过击穿电压UB后，电流急剧增长，说明气体中受电场的影响开始出现了新的电离过程，即电子碰撞电离过程。因为当电场很强，电子动能达到足够数值后，就能引起碰撞电离。分子电离后新产生的电子和原有电子一起又将从电场获得动能，继续引起电离。这样就出现了一个连锁反应的局面：一个初始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在4个自由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样（见图2-2），这样就形成了所谓的电子崩。

图2-1 气体中电流和电压的关系

图2-2 电子崩形成过程

汤逊放电理论（电子崩理论）是汤逊提出的放电开始的理论，它是气体放电的第一个定量理论。按照这一理论，放电空间带电粒子的增殖，是由下述三种过程形成的：

（1）电子向阳极方向运动，与气体粒子频繁碰撞，电离产生大量电子和正离子。

（2）正离子向阴极方向运动，与气体粒子频繁碰撞，也产生一定数量的电子和正离子。

（3）正离子等粒子撞击阴极，使其发射二次电子。

汤逊放电理论就是根据上述的三种过程，引入三个系数α、β和γ来定量地表征气体的电离过程。这三个系数通常又叫作汤逊第一电离系数、汤逊第二电离系数和汤逊第三电离系数。

汤逊第一电离系数α：电子对气体的体积电离系数，即一个电子在从阴极向阳极运动的过程中，在电场作用下每行进1cm，它与中性气体粒子做非弹性碰撞所产生的电子离子对数目，或所发生电离碰撞数。这种电离过程也称为α过程。

汤逊第二电离系数β：正离子的体积电离系数，即一个正离子在从阳极向阴极运动的过程中，每行进1cm，它与中性气体粒子做非弹性碰撞所产生的电子-离子对数目，即由正离子所产生的电离碰撞数。这种电离过程也称为β过程。实际上，在通常的放电中，β≈0，因为正离子只有当它获得相当于几千电子伏的能量时，它才能有效地电离原子。而正离子在足够长的自由程中获得电离碰撞所必需的上述能量的概率是很小的，所以一般可以不考虑β过程。

汤逊第三电离系数γ：正离子的电极表面电离系数，即正离子等撞击阴极表面时平均从阴极表面溢出的次级电子数目（二次电子发射），这种电离过程也称为γ过程。除正离子外，还有亚稳态原子、光子等碰撞阴极也可能产生次级电子，因此实际上阴极表面发生的基本过程均称为γ过程。γ过程对放电电流的贡献却十分重要，实验也发现气体的击穿电压值与阴极材料的性质密切相关，因为不同阴极材料对电子从其内部溢出所需的能量要求明显不同。

α和β与放电气体的性质、气体压强和给定放电点的电场强度等有关，而γ与气体性质、电极材料和离子能量等有关。