Выписка из Таунсенда

В электромагнетизме разряд Таунсенда или лавина Таунсенда — это процесс ионизации газов , при котором свободные электроны ускоряются электрическим полем , сталкиваются с молекулами газа и, следовательно, освобождают дополнительные электроны. Эти электроны, в свою очередь, ускоряются и освобождают дополнительные электроны. Результатом является лавинообразное размножение , которое позволяет значительно увеличить электропроводность газа. Разряд требует источника свободных электронов и значительного электрического поля ; без того и другого явление не происходит.

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

Общее описание

Лавина возникает в газообразной среде, которая может быть ионизирована (например, в воздухе ). Электрическое поле и средняя длина свободного пробега электрона должны позволять свободным электронам приобретать уровень энергии (скорость), который может вызвать ударную ионизацию. Если электрическое поле слишком мало, электроны не приобретают достаточно энергии. Если длина свободного пробега слишком коротка, электрон отдает приобретенную энергию в серии неионизирующих столкновений. Если средняя длина свободного пробега слишком велика, то электрон достигает анода до столкновения с другой молекулой.

Лавинный механизм показан на прилагаемой схеме. Электрическое поле приложено к газообразной среде; исходные ионы создаются ионизирующим излучением (например, космическими лучами). Исходное событие ионизации создает ионную пару; положительный ион ускоряется по направлению к катоду , а свободный электрон ускоряется по направлению к аноду . Если электрическое поле достаточно сильное, свободный электрон может набрать достаточную скорость (энергию), чтобы освободить другой электрон при следующем столкновении с молекулой. Затем два свободных электрона направляются к аноду и получают от электрического поля достаточную энергию, чтобы вызвать дальнейшую ударную ионизацию и так далее. Этот процесс фактически представляет собой цепную реакцию , в результате которой генерируются свободные электроны. ^[1] Первоначально количество столкновений растет экспоненциально. Общее число электронов, достигающих анода , равно 2 ⁿ с числом столкновений n, плюс один инициирующий свободный электрон. В конце концов, эта связь нарушится — предел умножения в электронной лавине известен как предел Рэтера .

Лавина Таунсенда может иметь широкий диапазон плотностей течений. В обычных газонаполненных трубках , например, используемых в качестве детекторов газовой ионизации , величины токов, протекающих во время этого процесса, могут варьироваться от примерно 10–18 ^ампер до примерно 10–5 ^ампер . ^{[ нужна цитата ]}

Количественное описание

Ранний экспериментальный аппарат Таунсенда состоял из плоских параллельных пластин, образующих две стороны камеры, наполненной газом . Между пластинами был подключен источник высокого напряжения постоянного тока ; пластина с более низким напряжением является катодом , а другая — анодом . Он заставил катод испускать электроны, используя фотоэлектрический эффект , облучая его рентгеновскими лучами , и обнаружил, что ток $I$ , протекающий через камеру, зависит от электрического поля между пластинами. Однако этот ток демонстрировал экспоненциальный рост по мере того, как зазоры между пластинами становились маленькими ^[^спорно^–^{обсудить}^] , что привело к выводу, что ионы газа размножались по мере того, как они перемещались между пластинами из-за сильного электрического поля.

Таунсенд наблюдал экспоненциальное изменение токов на десять и более порядков величины при постоянном приложенном напряжении при изменении расстояния между пластинами. Он также обнаружил, что давление газа влияет на проводимость: он был способен генерировать ионы в газах при низком давлении с гораздо более низким напряжением, чем то, которое требуется для образования искры. Это наблюдение опровергло общепринятые представления о величине тока, который может проводить облученный газ. ^[2]

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

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

где

$I$ — ток, текущий в устройстве,
$I 0$ – фотоэлектрический ток, генерируемый на поверхности катода ,
$е$ - 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 обкладками равно напряжению пробоя , необходимому для создания самоподдерживающейся лавины: оно уменьшается при достижении током режима тлеющего разряда . ^{[ необходимы разъяснения ]} Последующие эксперименты показали, что ток $I$ растет быстрее, чем предсказывалось приведенной выше формулой, по мере увеличения расстояния $d$ : для лучшего моделирования разряда рассматривались два разных эффекта: положительные ионы и катодная эмиссия.

Ионизация газа, вызванная движением положительных ионов

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

{\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}}) е^{\альфа _{n}d}}}

поскольку , что очень хорошо согласуется с экспериментами. $\alpha _{p}\ll \alpha _{n}$

Первый коэффициент Таунсенда (α), также известный как первый лавинный коэффициент Таунсенда, — это термин, используемый в тех случаях, когда происходит вторичная ионизация, поскольку электроны первичной ионизации получают достаточную энергию от ускоряющего электрического поля или от исходной ионизирующей частицы. Коэффициент дает количество вторичных электронов, производимых первичным электроном на единицу длины пути.

Катодная эмиссия, вызванная воздействием ионов

Таунсенд, Холст и Остерхейс также выдвинули альтернативную гипотезу, рассматривающую усиленную эмиссию электронов катодом , вызванную воздействием положительных ионов . Это ввело второй коэффициент ионизации Таунсенда ; среднее количество электронов, высвобождаемых с поверхности падающим положительным ионом, согласно следующей формуле: $\epsilon _ {i}$

{\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 цитатах там.

Условия

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

При более высоких давлениях разряды происходят быстрее , чем рассчитанное время прохождения ионами зазора между электродами, и применима стримерная теория искрового разряда Рэтера , Мика и Леба. В сильно неоднородных электрических полях применим процесс коронного разряда . См. «Электронная лавина» для дальнейшего описания этих механизмов.

Разряды в вакууме требуют испарения и ионизации атомов электрода. Дугу можно зажечь без предварительного разряда Таунсенда; например, когда электроды соприкасаются, а затем разделяются.

Выписка из Пеннинга

При наличии магнитного поля вероятность возникновения лавинного разряда в условиях высокого вакуума может быть увеличена за счет явления, известного как разряд Пеннинга. Это происходит, когда электроны могут оказаться захваченными внутри потенциального минимума, тем самым увеличивая длину свободного пробега электронов [Fränkle 2014].

Приложения

Газоразрядные трубки

Запуск разряда Таунсенда устанавливает верхний предел напряжения блокировки, которое может выдержать газонаполненная трубка тлеющего разряда . Этот предел представляет собой напряжение пробоя разряда Таунсенда , также называемое напряжением зажигания трубки.

Возникновение разряда Таунсенда, приводящего к пробою тлеющего разряда , формирует вольт-амперную характеристику газоразрядной трубки , например неоновой лампы, таким образом, что она имеет область отрицательного дифференциального сопротивления S-типа. Отрицательное сопротивление можно использовать для генерации электрических колебаний и сигналов , как в релаксационном генераторе , схема которого показана на рисунке справа. Генерируемые пилообразные колебания имеют частоту

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

где

$V_{\text{GLOW}}$ – напряжение пробоя тлеющего разряда ,
$V_{\text{TWN}}$ – напряжение пробоя разряда Таунсенда ,
$C_{1}$ , и – соответственно емкость , сопротивление и напряжение питания цепи. $R_{1}$ $V_{1}$

Поскольку температурная и временная стабильность характеристик газовых диодов и неоновых ламп невысока, а также велик статистический разброс напряжений пробоя, приведенная формула может дать лишь качественное представление о том, какова реальная частота колебаний.

Газовые фототрубки

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

Детекторы ионизирующего излучения

Лавинные разряды Таунсенда имеют основополагающее значение для работы газообразных ионизационных детекторов , таких как трубка Гейгера-Мюллера и пропорциональный счетчик , при обнаружении ионизирующего излучения или измерении его энергии. Падающее излучение ионизирует атомы или молекулы в газовой среде с образованием ионных пар, но каждый тип детектора по-разному использует возникающие лавинные эффекты.

В случае трубки GM высокой напряженности электрического поля достаточно, чтобы вызвать полную ионизацию наполняющего газа, окружающего анод, за счет первоначального создания всего одной ионной пары. Выход трубки GM несет информацию о том, что событие произошло, но не содержит информации об энергии падающего излучения. ^[1]

В случае пропорциональных счетчиков многократное рождение ионных пар происходит в области «дрейфа ионов» вблизи катода. Геометрия электрического поля и камеры подобраны таким образом, чтобы в непосредственной близости от анода создавалась «лавинная область». Отрицательный ион, дрейфующий к аноду, попадает в эту область и создает локализованную лавину, независимую от лавин других ионных пар, но все же способную обеспечить эффект мультипликации. Таким образом, спектроскопическая информация об энергии падающего излучения доступна по величине выходного импульса от каждого инициирующего события. ^[1]

Прилагаемый график показывает изменение тока ионизации для системы коаксиальных цилиндров. В области ионной камеры лавин не возникает, а приложенное напряжение служит лишь для перемещения ионов к электродам, чтобы предотвратить рекомбинацию. В пропорциональной области в газовом пространстве непосредственно вокруг анода возникают локализованные лавины, численно пропорциональные числу первоначальных ионизирующих событий. Увеличение напряжения еще больше увеличивает количество лавин до тех пор, пока не будет достигнута область Гейгера, где весь объем наполняющего газа вокруг анодов ионизируется, и вся пропорциональная информация об энергии теряется. ^[1] За пределами области Гейгера газ находится в непрерывном разряде из-за высокой напряженности электрического поля.

Смотрите также

Примечания

^ abcd Гленн Ф Нолл. Обнаружение и измерение радиации , третье издание, 2000 г. Джон Уайли и сыновья, ISBN 0-471-07338-5
^ Джон Сили Эдвард Таунсенд. 1868-1957 гг. А. фон Энгель. Биографические мемуары членов Королевского общества. 1957 3, 256-272

Внешние ссылки

Моделирование, показывающее пути электронов во время лавины