descarga Townsend - Townsend discharge

efeito avalanche em sujeitos gás à radiação ionizante entre dois eléctrodos de placa. O evento inicial ionização liberta um electrão, e cada colisão subsequente liberta mais um electrão, então dois electrões emergem de cada colisão para sustentar a avalanche.

A Townsend descarregar ou Townsend avalanche é um gás de ionização processo onde livres electrões são acelerados por um campo eléctrico , colidem com as moléculas de gás, e electrões adicionais consequentemente livres. Esses elétrons são, por sua vez acelerado e elétrons adicionais gratuitos. O resultado é uma multiplicação avalanche que permite a condução eléctrica através do gás. A descarga requer uma fonte de elétrons livres e um significativo campo elétrico ; Sem ambos, o fenômeno não ocorre.

A descarga Townsend tem o nome de John Sealy Townsend , que descobriu o mecanismo de ionização fundamentais por seu trabalho entre 1897 e 1901.

descrição geral do fenômeno

A avalanche ocorre em um meio gasoso que pode ser ionizado (tal como ar ). O campo eléctrico e o caminho livre médio do electrão deve permitir que electrões livres para adquirir um nível de energia (velocidade) que pode causar ionização por impacto. Se o campo elétrico é muito pequeno, então os elétrons não adquirem energia suficiente. Se o caminho livre médio é muito curto, o elétron dá a sua energia adquirida em uma série de colisões não-ionizantes. Se o percurso médio livre é muito longa, então o electrão atinge o ânodo antes de colidir com outra molécula.

O mecanismo de avalanche é mostrado no diagrama abaixo. O campo eléctrico é aplicado através de um meio gasoso; iões iniciais são criados com radiações ionizantes (por exemplo, raios cósmicos). Um evento de ionização inicial produz um par de iões; o positivo ião acelera em direcção ao cátodo enquanto o electrão livre acelera em direcção ao ânodo . Se o campo eléctrico é suficientemente forte, o electrão livre pode ganhar velocidade suficiente (energia) para libertar outro electrões quando próximo colide com uma molécula. Os dois elétrons livres em seguida, viajar para o ânodo e ganhar energia suficiente do campo elétrico para causar mais ionisations impacto, e assim por diante. Este processo é eficaz uma reacção em cadeia que gera electrões livres. O número total de electrões que atingem o ânodo é igual ao número de colisões, mais o electrão livre de iniciação único. Inicialmente, o número de colisões cresce exponencialmente. O limite para a multiplicação em uma avalanche de electrões é conhecido como o limite Raether .

A avalanche Townsend pode ter uma ampla gama de densidades de corrente. Em comuns tubos cheios com gás , tais como os utilizados como detectores de ionização de gases , as magnitudes das correntes que fluem durante este processo pode variar de cerca de 10 -18 amperes e cerca de 10 -5 amperes.

descrição quantitativa do fenómeno

Aparelho experimental anterior de Townsend consistiu de placas paralelas planas que formam dois lados de uma câmara cheia com um gás . Uma corrente contínua de alta fonte de tensão foi ligado entre as placas; a placa de tensão mais baixa sendo o cátodo enquanto o outro era o ânodo . Forçou o cátodo para emitir electrões, utilizando o efeito fotoeléctrico através da irradiação com raios-X , e descobriu que a corrente que flui através da câmara dependia do campo eléctrico entre as placas. No entanto, esta corrente mostraram um aumento exponencial como as lacunas placa fez-se pequena, levando à conclusão de que os gases de iões foram multiplicando como eles movido entre as placas, devido ao campo eléctrico elevado.

Townsend observado correntes variam de forma exponencial ao longo de dez ou mais ordens de grandeza com uma tensão constante aplicada quando a distância entre as placas foi variada. Ele também descobriu que a pressão do gás de condução influenciada: ele era capaz de gerar iões em gases a baixa pressão com uma tensão muito mais baixa do que a requerida para gerar uma faísca. Esta observação derrubou o pensamento convencional sobre a quantidade de corrente que um gás irradiado poderia conduzir.

Os dados experimentais obtidos a partir dos seus experimentos são descritos pela seguinte fórmula

Onde

  • I é a corrente que flui no dispositivo,
  • I 0 é o fotoeléctrica corrente gerada no cátodo superfície,
  • e é o número de Euler
  • α n é o primeiro coeficiente de ionização Townsend , expressando o número de iões de pares gerados por unidade de comprimento (por exemplo, metros) por um ião negativo ( anião ) se deslocam de cátodo para ânodo ,
  • d é a distância entre as placas do dispositivo.

A tensão quase constante entre as placas é igual à tensão de ruptura necessária para criar uma avalanche de auto-sustentação: ele diminui quando a corrente atinge a descarga luminescente regime. Expericias subsequentes revelaram que a corrente que sobe mais rapidamente do que previsto pela fórmula acima medida que a distância d aumentos: dois efeitos diferentes foram consideradas de modo a melhor modelo o de descarga: iões positivos e de emissão de cátodo.

ionização do gás causado pelo movimento de íons positivos

Townsend colocar a hipótese de que os iões positivos também produzir pares de iões, a introdução de um coeficiente de expressar o número de iões de pares gerados por unidade de comprimento por um ião positivo ( catião ) que se deslocam de ânodo para cátodo . A fórmula seguinte foi encontrado

desde que , em muito bom acordo com os experimentos.

O primeiro coeficiente Townsend (α), também conhecido como primeiro coeficiente de avalanche Townsend é um termo usado onde ionização secundária ocorre porque os electrões primários ionização ganham energia suficiente do campo eléctrico de aceleração, ou a partir da partícula ionizante originais. O coeficiente dá o número de electrões secundários produzidos por electrão primário por unidade comprimento do percurso.

emissão de cátodo causada pelo impacto de íons

Townsend, Holst e Oosterhuis também apresentou uma hipótese alternativa, considerando a emissão aumentada de elétrons pelo cátodo causada pelo impacto da positivos íons . Isto introduziu segundo coeficiente de ionização de Townsend ; o número médio de electrões libertados a partir de uma superfície por um ião positivo incidente, de acordo com a seguinte fórmula:

Estas duas fórmulas pode ser pensada como a descrição de casos limitantes do comportamento efectivo do processo: ou pode ser usado para descrever os mesmos resultados experimentais. Outras fórmulas que descrevem vários comportamentos intermediários são encontrados na literatura, particularmente em referência 1 e as citações aí.

condições

Características tensão-corrente de descarga eléctrica em néon a 1 torr, com dois eléctrodos planares separadas por 50 cm.
A: impulsos aleatórios por radiação cósmica
B: saturação corrente
C: avalanche Townsend descarga
D: auto-sustentada Townsend descarregar
E: região instável: descarga de coroa
F: sub-normais de descarga luminescente
G: normal de descarga luminescente
H: descarga anormal brilho
I: instável região: brilho de arco de transição
J: eléctrico de arco
K: eléctrico de arco
região A-D: descarga escuro ; ionização ocorre, a corrente inferior a 10 microamperes.
Região FH: descarga luminosa ; o plasma emite um brilho fraco.
Região IK: descarga de arco ; grandes quantidades de radiação produzida.

Uma descarga Townsend só pode ser sustentado sobre uma gama limitada de pressão de gás e da intensidade do campo eléctrico. A trama em anexo mostra a variação da queda de tensão e as diferentes regiões de operação para um tubo cheio de gás com uma pressão constante, mas uma corrente variável entre os seus eléctrodos. Os fenômenos avalanche Townsend ocorre no planalto inclinado BD. Para além de D a ionização é sustentada.

A pressões mais elevadas, as descargas ocorrer mais rapidamente do que o tempo calculado para iões para atravessar a lacuna entre os eléctrodos, e a teoria da flâmula de descarga de faíscas de Raether, Meek e Loeb é aplicável. Em campos eléctricos altamente não-uniformes, a descarga de coroa processo é aplicável. Veja avalanche Electron para descrição mais detalhada destes mecanismos.

As descargas em vácuo exigem vaporização e ionização de átomos de eléctrodos. Um arco pode ser iniciado sem uma descarga preliminar Townsend; por exemplo, quando os eléctrodos tocar e são então separados.

aplicações

os tubos de descarga de gás

A partida da descarga Townsend define o limite superior para a tensão de bloqueio uma descarga luminescente tubo cheio de gás podem suportar. Este limite é a descarga Townsend tensão de ruptura , também chamada tensão de ignição do tubo.

Lâmpada de néon / cátodo frio diodo gás oscilador de relaxação

A ocorrência de descarga Townsend, levando a descarga luminescente repartição molda a característica corrente-tensão de um tubo de descarga de gás tais como um lâmpada de néon de uma forma tal que ele tem uma resistência diferencial negativa região do tipo-S. A resistência negativa pode ser usada para gerar eléctricos oscilações e formas de onda , como no oscilador de relaxação , cuja esquemático é mostrado na figura do lado direito. O dente de serra em forma de oscilação gerado tem frequência

Onde
Uma vez que a temperatura e tempo a estabilidade das características dos diodos de gás e lâmpadas de néon é baixo, e também a dispersão estatística de desagregação tensões é elevada, a fórmula acima só pode dar uma indicação qualitativa do que a frequência de oscilação é verdadeiro.

fototubos gás

Multiplicação avalanche durante a descarga Townsend é naturalmente utilizado em fototubos gás , para amplificar o fotoeléctrica carga gerada pela radiação incidente (luz visível ou não) sobre o cátodo : corrente atingível é normalmente 10 ~ 20 vezes maior relativamente à gerada por fototubos vácuo .

Detectores de radiação ionizante

Lote de variação da corrente de ionização contra a tensão aplicada por um cilindro de arame detector de radiação gasoso co-axial.

Townsend descargas de avalanche são fundamentais para o funcionamento dos detectores de ionização de gases , tais como o tubo Geiger-Muller e o contador proporcional em qualquer detecção de radiação ionizante ou medição da sua energia. A radiação incidente irá ionizar átomos ou moléculas no meio gasoso para produzir pares de iões, mas o uso diferente é feita por cada tipo de detector dos efeitos resultantes de avalanche.

No caso de um tubo de GM a elevada intensidade do campo eléctrico é suficiente para provocar a ionização completa do gás de enchimento em torno do ânodo da criação inicial de apenas um par de iões. A saída do tubo GM carrega a informação de que o evento ocorreu, mas nenhuma informação sobre a energia da radiação incidente.

No caso de contadores proporcionais, múltiplos criação de pares de iões ocorre na região "ion deriva" perto do cátodo. As geometrias de campo e de câmara eléctricos são seleccionados de modo a que uma "região avalanche" é criada na proximidade imediata do ânodo. Um ião negativo deriva para o ânodo entra nesta região e cria uma avalanche localizada que é independente dos outros a partir de pares de iões, mas que ainda pode proporcionar um efeito de multiplicação. Desta forma, informações espectroscópicas sobre a energia da radiação incidente está disponível pela magnitude do pulso de saída de cada evento inicial.

A trama em anexo mostra a variação da corrente de ionização por um sistema de cilindro co-axial. Na região da câmara de ião, não há avalanches e a tensão aplicada apenas serve para deslocar os iões para os eléctrodos para impedir a re-combinação. Na região proporcional, avalanches localizadas ocorrer no espaço de gás imediatamente em volta do ânodo que são numericamente proporcional ao número de eventos ionizantes originais. Aumentando a tensão aumenta ainda mais o número de avalanches até a região de Geiger é atingido quando o volume total do gás de enchimento em torno dos ânodos ionizados, e todas as informações de energia proporcional está perdido. Além da região de Geiger o gás é em descarga contínua devido à alta intensidade de campo eléctrico.

Veja também

Notas

Referências

  • Little, PF (1956). "Efeitos secundários". Em Flügge, Siegfried . Electron emissão • descargas de gás I . Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). XXI . Berlin - Heidelberg - Nova York : Springer-Verlag . pp. 574-663..
  • Gewartowski, James W .; Watson, Hugh Alexander (1965). Princípios de tubos de elétrons: Incluindo os tubos comandados por grade, Micro-ondas Tubos e tubos de gás . D. Van Nostrand Co., Inc.
  • Reich, Herbert J. (1944). Teoria e aplicação de tubos de electrões (2nd ed.). McGraw-Hill Co., Inc.Capítulo 11 " da condução eléctrica em gases " e capítulo 12 " Glow- e tubos Arc-descarga e circuitos ".
  • Kuffel, E .; Zaengl, WS; Kuffel, J. (2004). Alta Tensão Engenharia Fundamentals (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN  0-7506-3634-3 .

links externos