Выписка из Таунсенда

Эффект лавины в газе при воздействии ионизирующего излучения между двумя пластинчатыми электродами. Первоначальное событие ионизации высвобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, поэтому два электрона выходят из каждого столкновения, чтобы поддержать лавину.

Разряд Таунсенда или Таунсенд лавинный представляет собой газ ионизацию процесс , в котором свободные электроны ускоряются электрическим полем , сталкивается с молекулами газа и , следовательно, свободными электронами дополнительными. Эти электроны, в свою очередь, ускоряются и освобождают дополнительные электроны. В результате возникает лавинообразное разрастание , обеспечивающее электрическую проводимость газа. Разряд требует источника свободных электронов и значительного электрического поля ; без того и другого явления не возникает.

Разряд Таунсенда назван в честь Джона Сили Таунсенда , который открыл фундаментальный механизм ионизации в своей работе примерно в 1897 году в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Общее описание явления [ править ]

Лавина происходит в газовой среде, которая может быть ионизирована (например, воздух ). Электрическое поле , а длина свободного пробега электрона должна позволять свободные электроны , чтобы приобрести энергетический уровень (скорость) , что может привести к ударной ионизации. Если электрическое поле слишком мало, электроны не приобретают достаточно энергии. Если длина свободного пробега слишком мала, электрон теряет приобретенную энергию в серии неионизирующих столкновений. Если длина свободного пробега слишком велика, электрон достигает анода прежде, чем столкнется с другой молекулой.

Механизм лавины показан на прилагаемой схеме. Электрическое поле приложено к газовой среде; исходные ионы создаются ионизирующим излучением (например, космическими лучами). Исходное событие ионизации производит ионную пару; положительный ион ускоряется к катоду, а свободный электрон ускоряется к аноду . Если электрическое поле достаточно велико, свободный электрон может набрать достаточную скорость (энергию), чтобы освободить другой электрон при следующем столкновении с молекулой. Затем два свободных электрона движутся к аноду и получают достаточную энергию от электрического поля, чтобы вызвать дальнейшую ударную ионизацию и так далее. По сути, этот процесс представляет собой цепную реакцию, в которой генерируются свободные электроны.^[1] Изначально количество столкновений растет экспоненциально. Общее количество электронов, достигающих анода , равно 2 ^n, где n - количество столкновений, плюс один инициирующий свободный электрон. В конце концов, эта связь нарушится - предел умножения в электронной лавине известен как предел Ретера .

Лавина Таунсенда может иметь большой диапазон плотностей течений. В обычных газонаполненных трубках , таких как те, которые используются в качестве детекторов газовой ионизации , величины токов, протекающих во время этого процесса, могут находиться в диапазоне от примерно 10 ^-18 ампер до примерно 10 ^-5 ампер. ^{[ необходима цитата ]}

Количественное описание явления [ править ]

Ранняя экспериментальная установка Таунсенда состояла из плоских параллельных пластин, образующих две стороны камеры, заполненной газом . Постоянного тока высокого напряжения источника питания был подключен между пластинами; пластина более низкого напряжения была катодом, а другая - анодом . Он заставил катод испускать электроны с помощью фотоэлектрического эффекта , облучив его рентгеновскими лучами , и обнаружил, что ток I, протекающий через камеру, зависит от электрического поля между пластинами. Однако этот ток экспоненциально увеличивался по мере того, как зазоры между пластинами становились маленькими ^{[ оспаривается - обсудить ]}, что привело к выводу, чтоионыгазаразмножаются, перемещаясь между пластинами из-за высокого электрического поля.

Таунсенд наблюдал токи, экспоненциально изменяющиеся на десять или более порядков величины при постоянном приложенном напряжении, когда расстояние между пластинами менялось. Он также обнаружил, что давление газа влияет на проводимость: он способен генерировать ионы в газах при низком давлении с гораздо более низким напряжением, чем то, которое требуется для генерации искры. Это наблюдение перевернуло общепринятые представления о величине тока, который может проводить облученный газ. ^[2]

Экспериментальные данные, полученные в результате его экспериментов, описываются следующей формулой

${\ displaystyle {\ frac {I} {I_ {0}}} = e ^ {\ alpha _ {n} d}, \,}$

куда

• I - ток, протекающий в устройстве,
• I ₀ - фотоэлектрический ток, генерируемый наповерхности катода ,
• e - число Эйлера
• α _n - первый коэффициент ионизации Таунсенда , выражающий количество ионных пар, генерируемых на единицу длины (например, метр) отрицательным ионом ( анионом ), движущимся от катода к аноду ,
• d - расстояние между пластинами устройства.

Почти постоянное напряжение ^{[ какое? ]} между пластинами равно напряжению пробоя, необходимому для создания самоподдерживающейся лавины: оно уменьшается, когда ток достигает режима тлеющего разряда . ^{[ требуется пояснение ]} Последующие эксперименты показали, что ток I растет быстрее, чем предсказывается приведенной выше формулой, по мере увеличения расстояния d : для лучшего моделирования разряда были рассмотрены два различных эффекта: положительные ионы и катодная эмиссия.

Ионизация газа, вызванная движением положительных ионов [ править ]

Таунсенд выдвинул гипотезу, что положительные ионы также производят ионные пары, введя коэффициент, выражающий количество ионных пар, генерируемых на единицу длины положительным ионом ( катионом ), перемещающимся от анода к катоду . Была найдена следующая формула${\ displaystyle \ alpha _ {p}}$

${\ displaystyle {\ frac {I} {I_ {0}}} = {\ frac {(\ alpha _ {n} - \ alpha _ {p}) e ^ {(\ alpha _ {n} - \ alpha _ {p}) d}} {\ alpha _ {n} - \ alpha _ {p} e ^ {(\ alpha _ {n} - \ alpha _ {p}) d}}} \ qquad \ Longrightarrow \ qquad { \ frac {I} {I_ {0}}} \ cong {\ frac {e ^ {\ alpha _ {n} d}} {1 - ({\ alpha _ {p} / \ alpha _ {n}}) e ^ {\ alpha _ {n} d}}}}$

так как очень хорошо согласуется с экспериментами.${\ displaystyle \ alpha _ {p} \ ll \ alpha _ {n}}$

Первый коэффициент Таунсенда (α), также известный как первый Таунсенд лавинного коэффициента это термин , используемый , когда вторичная ионизация происходит потому , что первичные электроны ионизации получить достаточную энергию от ускоряющего электрического поля, или из исходной ионизирующей частицы. Коэффициент дает количество вторичных электронов, произведенных первичным электроном на единицу длины пути.

Катодная эмиссия, вызванная ударами ионов [ править ]

Таунсенд, Холст и Остерхус также выдвинули альтернативную гипотезу, рассматривая усиленную эмиссию электронов катодом, вызванную воздействием положительных ионов . Это ввело второй коэффициент ионизации Таунсенда ; среднее число электронов, выпущенных с поверхности падающим положительным ионом, согласно следующей формуле:${\ displaystyle \ epsilon _ {я}}$

${\ displaystyle {\ frac {I} {I_ {0}}} = {\ frac {e ^ {\ alpha _ {n} d}} {1 - {\ epsilon _ {i}} \ left (e ^ { \ alpha _ {n} d} -1 \ right)}}.}$

Эти две формулы можно рассматривать как описывающие предельные случаи эффективного поведения процесса: любую из них можно использовать для описания одних и тех же экспериментальных результатов. Другие формулы, описывающие различные промежуточные поведения, можно найти в литературе, особенно в ссылке 1 и цитировании в ней.

Условия [ править ]

Разряд Таунсенда может поддерживаться только в ограниченном диапазоне давления газа и напряженности электрического поля. На прилагаемом графике показано изменение падения напряжения и различные рабочие области для газонаполненной трубки с постоянным давлением, но с переменным током между ее электродами. Лавинные явления Таунсенда происходят на наклонном плато BD. За пределами D ионизация сохраняется.

При более высоких давлениях, разряды возникают быстрее , чем вычисленное время для ионов , чтобы пройти через зазор между электродами, и кос теорией искрового разряда в Ретер кроткого, Леб применимо. В сильно неоднородных электрических полях применим процесс коронного разряда . См. « Электронная лавина» для дальнейшего описания этих механизмов.

Разряд в вакууме требует испарения и ионизации электродных атомов. Возбуждение дуги возможно без предварительного таунсендовского разряда; например, когда электроды соприкасаются, а затем разделяются.

Приложения [ править ]

Газоразрядные трубки [ править ]

Запуск Townsend разряда устанавливает верхний предел блокирующего напряжения тлеющего разряда газонаполненных трубки могут выдержать. Этот предел представляет собой напряжение пробоя таунсендского разряда , также называемое напряжением зажигания лампы.

Возникновение Townsend разряда, что приводит к тлеющему разряду пробой формирует вольт-амперную характеристику в виде газоразрядной трубки , такие как неоновая лампа в пути таким образом, что он имеет сопротивление отрицательных дифференциальное область S-типа. Отрицательное сопротивление может использоваться для генерации электрических колебаний и сигналов , как в релаксационном генераторе , схема которого показана на рисунке справа. Генерируемые пилообразные колебания имеют частоту

${\ displaystyle f \ cong {\ frac {1} {R_ {1} C_ {1} \ ln {\ frac {V_ {1} -V _ {\ text {GLOW}}}} {V_ {1} -V _ {\ текст {TWN}}}}}},}$

куда

• ${\ displaystyle V _ {\ text {GLOW}}}$- напряжение пробоя тлеющего разряда ,
• ${\displaystyle V_{\text{TWN}}}$- напряжение пробоя таунсендовского разряда ,
• ${\displaystyle C_{1}}$, и - соответственно емкость , сопротивление и напряжение питания цепи.${\displaystyle R_{1}}$${\displaystyle V_{1}}$

Поскольку температурная и временная стабильность характеристик газовых диодов и неоновых ламп низкая, а также высокий статистический разброс пробивных напряжений, приведенная выше формула может дать только качественное представление о реальной частоте колебаний.

Газовые фототрубки [ править ]

Лавинное умножение во время разряда Таунсенда естественно используется в газовых фототрубках для усиления фотоэлектрического заряда, генерируемого падающим излучением (видимым светом или нет) на катод : достижимый ток обычно в 10-20 раз больше, чем ток, генерируемый вакуумными фотолампами .

Детекторы ионизирующего излучения [ править ]

Лавинные разряды Таунсенда являются основой работы газовых детекторов ионизации, таких как трубка Гейгера – Мюллера и пропорциональный счетчик, как для обнаружения ионизирующего излучения, так и для измерения его энергии. Падающее излучение ионизирует атомы или молекулы в газовой среде с образованием ионных пар, но каждый тип детектора по-разному использует результирующие лавинные эффекты.

В случае трубки GM высокой напряженности электрического поля достаточно, чтобы вызвать полную ионизацию заполняющего газа, окружающего анод, после первоначального создания только одной ионной пары. На выходе трубки GM содержится информация о том, что событие произошло, но нет информации об энергии падающего излучения. ^[1]

В случае пропорциональных счетчиков многократное рождение ионных пар происходит в области «дрейфа ионов» вблизи катода. Электрическое поле и геометрия камеры выбираются таким образом, чтобы в непосредственной близости от анода создавалась «лавинная зона». Отрицательный ион, дрейфующий к аноду, входит в эту область и создает локализованную лавину, которая не зависит от лавины от других ионных пар, но все же может обеспечить эффект размножения. Таким образом, спектроскопическая информация об энергии падающего излучения доступна по величине выходного импульса от каждого инициирующего события. ^[1]

На прилагаемом графике показано изменение тока ионизации для системы соосных цилиндров. В области ионной камеры нет лавин, и приложенное напряжение служит только для перемещения ионов к электродам для предотвращения повторной комбинации. В области пропорциональности в газовом пространстве непосредственно вокруг анода возникают локализованные лавины, которые численно пропорциональны количеству исходных событий ионизации. При дальнейшем увеличении напряжения количество лавин увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута область Гейгера, когда весь объем наполняющего газа вокруг анодов ионизируется, и вся информация о пропорциональной энергии теряется. ^[1] За пределами области Гейгера газ находится в непрерывном разряде из-за высокой напряженности электрического поля.

См. Также [ править ]

• Лавина
• Электрическая дуга
• Электрический разряд в газах
• Автоэлектронная эмиссия
• Закон Пашена
• Фотоэлектрический эффект
• Таунсенд (единица)

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Литтл, П.Ф. (1956). «Вторичные эффекты». В Flügge, Зигфрид (ред.). Электронно-излучение • газовых разрядов I . Handbuch der Physik (Энциклопедия физики). XXI . Берлин - Гейдельберг - Нью-Йорк : Springer-Verlag . С. 574–663..
• Gewartowski, Джеймс В .; Уотсон, Хью Александр (1965). Принципы электронных трубок: в том числе трубки с сеткой, микроволновые трубки и газовые трубки . D. Van Nostrand Co., Inc.
• Райх, Герберт Дж. (1944). Теория и приложения электронных ламп (2-е изд.). McGraw-Hill Co., Inc.Глава 11 « Электропроводность в газах » и глава 12 « Трубки и цепи тлеющего и дугового разряда ».
• Kuffel, E .; Заенгл, WS; Каффель, Дж. (2004). Основы техники высокого напряжения (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-7506-3634-6.

Внешние ссылки [ править ]

• Моделирование, показывающее траектории электронов во время лавины