Avalanche de elétrons - Electron avalanche
Uma avalanche de elétrons é um processo no qual vários elétrons livres em um meio de transmissão são submetidos a forte aceleração por um campo elétrico e, subsequentemente, colidem com outros átomos do meio, ionizando- os assim ( ionização por impacto ). Isso libera elétrons adicionais que se aceleram e colidem com outros átomos, liberando mais elétrons - uma reação em cadeia . Em um gás , isso faz com que a região afetada se torne um plasma eletricamente condutor .
O efeito avalanche foi descoberto por John Sealy Townsend em seu trabalho entre 1897 e 1901 e também é conhecido como descarga de Townsend .
As avalanches de elétrons são essenciais para o processo de degradação dielétrica dos gases. O processo pode culminar em descargas corona , serpentinas , líderes ou em uma faísca ou arco contínuo que preenche completamente a lacuna entre os condutores elétricos que estão aplicando a tensão. O processo se estende a enormes faíscas - streamers em descargas de raios se propagam pela formação de avalanches de elétrons criados no gradiente de alto potencial à frente das pontas de avanço dos streamers. Uma vez iniciadas, as avalanches são frequentemente intensificadas pela criação de fotoelétrons como resultado da radiação ultravioleta emitida pelos átomos do meio excitado na região da extremidade posterior.
O processo também pode ser usado para detectar radiação ionizante usando o efeito de multiplicação de gás do processo de avalanche. Este é o mecanismo de ionização do tubo Geiger-Müller e, até certo ponto, do contador proporcional e também é usado em câmaras de faísca e outras câmaras de fios .
Análise
Um plasma começa com um raro evento natural de ionização de 'fundo' de uma molécula de ar neutro, talvez como resultado de fotoexcitação ou radiação de fundo . Se este evento ocorrer dentro de uma área que tem um gradiente de alto potencial , o íon carregado positivamente será fortemente atraído ou repelido de um eletrodo dependendo de sua polaridade, enquanto o elétron será acelerado na direção oposta. Por causa da enorme diferença de massa, os elétrons são acelerados a uma velocidade muito maior do que os íons.
Elétrons de alta velocidade freqüentemente colidem com átomos neutros inelasticamente, às vezes ionizando-os. Em uma reação em cadeia - ou uma 'avalanche de elétrons' - elétrons adicionais recentemente separados de seus íons positivos pelo forte gradiente de potencial, fazem com que uma grande nuvem de elétrons e íons positivos sejam gerados momentaneamente por apenas um único elétron inicial. No entanto, os elétrons livres são facilmente capturados por moléculas de oxigênio neutro ou vapor de água (os chamados gases eletronegativos ), formando íons negativos. No ar em STP , os elétrons livres existem por apenas cerca de 11 nanossegundos antes de serem capturados. Os elétrons capturados são efetivamente removidos do jogo - eles não podem mais contribuir para o processo de avalanche. Se os elétrons estão sendo criados a uma taxa maior do que estão sendo perdidos para serem capturados, seu número se multiplica rapidamente, um processo caracterizado pelo crescimento exponencial . O grau de multiplicação que esse processo pode fornecer é enorme, até vários milhões de vezes, dependendo da situação. O fator de multiplicação M é dado por
Onde X 1 e X 2 são as posições entre as quais a multiplicação está sendo medida, e α é a constante de ionização. Em outras palavras, um elétron livre na posição X 1 resultará em M elétrons livres na posição X 2 . Substituir os gradientes de voltagem nesta equação resulta em
Onde V é a voltagem aplicada, V BR é a tensão de ruptura e n é um valor derivado empiricamente entre 2 e 6. Como pode ser visto a partir desta fórmula, o factor de multiplicação é muito fortemente dependente da voltagem aplicada, e como os aproxima tensão a tensão de ruptura do material, o fator de multiplicação se aproxima do infinito e o fator limitante torna-se a disponibilidade de portadores de carga.
A sustentação da avalanche requer um reservatório de carga para sustentar a voltagem aplicada, bem como uma fonte contínua de eventos desencadeadores. Vários mecanismos podem sustentar esse processo, criando avalanche após avalanche, para criar uma corrente corona . Uma fonte secundária de elétrons de plasma é necessária, pois os elétrons são sempre acelerados pelo campo em uma direção, o que significa que as avalanches sempre procedem linearmente em direção a ou para longe de um eletrodo . O mecanismo dominante para a criação de elétrons secundários depende da polaridade de um plasma. Em cada caso, a energia emitida como fótons pela avalanche inicial é usada para ionizar uma molécula de gás próxima, criando outro elétron acelerável. O que difere é a origem desse elétron. Quando uma ou mais avalanches de elétrons ocorrem entre dois eletrodos de tamanho suficiente, pode ocorrer uma avalanche completa , culminando em uma faísca elétrica que preenche a lacuna.