大气压非平衡等离子体射流（1）物理基础与汤逊理论的差异

在5.1节中简单讨论了等离子体子弹与传统流注放电的区别，了解它们之间的本质区别至关重要。等离子体放电的基本理论是汤逊100多年前提出来的放电理论的延伸[28]。

汤逊理论假设由于宇宙辐射而电离产生的一个电子在电场的作用下向正极移动，如果电场足够强，这个自由电子在获得足够的能量后与某一分子相撞，从而将该分子中的某一电子释放出来。这两个电子在电场的加速下又获得足够的能量，导致新的碰撞电离发生，碰撞之后的电子又会发生新的同样的过程。这个过程实际上是电子产生的雪崩过程，它取决于电子在碰撞之间获得足够的能量以继续电离。到达阳极的电子数目等于碰撞电离产生的电子数加上最初的自由电子数目。根据汤逊第一理论，设单位长度的碰撞电离次数为α，它即为第一汤逊系数，则在经过距离x后，到达阳极的电子数目总数为exp（αx）[29]。

与此同时，在这一雪崩过程中，正电荷的数目为exp（αx）-1。当正电荷碰撞到阴极时，有可能导致阴极电子的发射，假定该正电荷碰撞阴极后产生电子的概率是γ，那么自持放电的条件要满足γ[exp（αx）-1]＞1。汤逊理论在电场分布均匀的时候能很好地预测实验结果；当气体压强不高且极板间距很小时，满足该理论的有效性条件pd＜200Torr·cm。(www.xing528.com)

当实验中气体的压强较高和极板间距较大时，汤逊理论预测与实验结果就不再一致。换言之，当pd＞200Torr·cm时，击穿时间比汤逊理论所预测的时间小得多。在这种情况下，正电荷需要更多的时间才能到达阴极。除此之外，根据汤逊理论，击穿的发生与正电荷碰撞阴极导致阴极释放电子的能力大小也有关。然而，这与大多数观察到的实验现象并不一致。再者，汤逊理论也没有考虑电子雪崩的空间电荷对电场的影响。在许多实验中，正空间电荷数量可以达到一个很高的数值，从而影响原有的电场分布，这会进一步导致局部电子能量和电离过程的增强，在此区域中的电离率远大于静态均匀电场中的电离率。此外，汤逊理论也无法解释当pd值较高时，通道中存在分叉和锯齿状放电现象。