Townsend absolutorium - Townsend discharge

Lavinový efekt v plynu vystaveném ionizujícímu záření mezi dvěma deskovými elektrodami. Původní ionizační událost uvolňuje jeden elektron a každá následující srážka uvolňuje další elektron, takže z každé srážky vycházejí dva elektrony, které udrží lavinu.

Výboj Townsend nebo Townsend lavinové je plynový ionizační proces, kde volné elektrony jsou urychlovány s elektrickým polem , v kolizi s molekulami plynu, a v důsledku volné další elektrony. Tyto elektrony jsou zase zrychlené a uvolňují další elektrony. Výsledkem je množení laviny, které umožňuje elektrické vedení plynem. Výboj vyžaduje zdroj volných elektronů a významné elektrické pole ; bez obou se tento jev nevyskytuje.

Townsendův výboj je pojmenován po Johnu Sealy Townsendovi , který svou prací mezi lety 1897 a 1901 objevil základní ionizační mechanismus.

Obecný popis jevu

Lavina se vyskytuje v plynném prostředí, které lze ionizovat (například vzduch ). Elektrické pole a střední volná dráha elektronu musí umožnit volné elektrony získat úroveň energie (rychlost), která může způsobit nárazu ionizaci. Pokud je elektrické pole příliš malé, elektrony nezískávají dostatek energie. Pokud je střední volná dráha příliš krátká, elektron se vzdá své nabyté energie v sérii neionizujících srážek. Pokud je střední volná dráha příliš dlouhá, pak elektron dosáhne anody před srážkou s jinou molekulou.

Lavinový mechanismus je uveden v doprovodném diagramu. Elektrické pole je aplikováno na plynné médium; počáteční ionty jsou vytvářeny ionizujícím zářením (například kosmickým zářením). Originální ionizační událost produkuje iontový pár; kladný iont zrychluje směrem ke katodě, zatímco volný elektron zrychluje směrem k anodě . Pokud je elektrické pole dostatečně silné, může volný elektron získat dostatečnou rychlost (energii), aby uvolnil další elektron, když se srazí s molekulou. Dva volné elektrony pak cestují směrem k anodě a získávají dostatek energie z elektrického pole, aby způsobily další nárazové ionizace atd. Tento proces je účinně řetězovou reakcí, při které se generují volné elektrony. Celkový počet elektronů dosahujících anodu se rovná počtu srážek plus jeden iniciační volný elektron. Zpočátku počet kolizí exponenciálně roste. Limita pro množení v elektronové lavině je známá jako Raetherova limita .

Lavina Townsend může mít velkou škálu aktuálních hustot. V běžných trubkách naplněných plynem , jako jsou ty, které se používají jako detektory plynné ionizace , se mohou velikosti proudů proudících během tohoto procesu pohybovat od asi 10 ⁻¹⁸ ampérů do asi 10 − ⁵ ampérů.

Kvantitativní popis jevu

Townsendův raný experimentální přístroj sestával z rovinných rovnoběžných desek tvořících dvě strany komory naplněné plynem . Stejnosměrné vysoké napětí zdroje byl připojen mezi deskami; dolní deska napětí byla katoda, zatímco druhá byla anoda . Přinutil katody pro emitování elektronů pomocí fotoelektrického jevu ozářením s rentgenovými paprsky , a zjistil, že proud I protékající komory závisel na elektrického pole mezi deskami. Tento proud však vykazoval exponenciální nárůst, protože mezery desek se zmenšovaly, což vedlo k závěru, že plynové ionty se množily, když se pohybovaly mezi deskami kvůli vysokému elektrickému poli.

Townsend pozoroval proudy kolísající exponenciálně nad deset a více řádů s konstantním aplikovaným napětím, když se měnila vzdálenost mezi deskami. Zjistil také, že tlak plynu ovlivňoval vedení: byl schopen generovat ionty v plynech při nízkém tlaku s mnohem nižším napětím, než jaké je zapotřebí k vytvoření jiskry. Toto pozorování vyvrátilo konvenční myšlení o množství proudu, který by mohl ozářený plyn vést.

Experimentální data získaná z jeho experimentů jsou popsána následujícím vzorcem

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

kde

• I je proud tekoucí v zařízení,
• I ₀ je fotoelektrický proud generovaný napovrchu katody ,
• e je Eulerovo číslo
• α _n je první Townsendův ionizační koeficient , vyjadřující počet iontových párů generovaných na jednotku délky (např. metr) záporným iontem ( aniontem ) pohybujícím se z katody na anodu ,
• d je vzdálenost mezi deskami zařízení.

Téměř konstantní napětí mezi deskami se rovná průraznému napětí potřebnému k vytvoření soběstačné laviny: klesá, když proud dosáhne režimu výboje . Následné experimenty odhalily, že proud I stoupá rychleji, než předpovídal výše uvedený vzorec, jak se vzdálenost d zvyšuje: pro lepší modelování výboje byly uvažovány dva různé efekty: kladné ionty a katodová emise.

Ionizace plynu způsobená pohybem kladných iontů

Townsend předložil hypotézu, že kladné ionty také produkují iontové páry, zavedením koeficientu vyjadřujícího počet iontových párů generovaných na jednotku délky pozitivním iontem ( kationtem ) pohybujícím se z anody na katodu . Byl nalezen následující vzorec ${\ displaystyle \ alpha _ {p}}$

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

protože ve velmi dobré shodě s experimenty. ${\ displaystyle \ alpha _ {p} \ ll \ alpha _ {n}}$

První koeficient Townsend (α), také známý jako první Townsend lavinová koeficient je termín, kdy dochází k sekundární ionizace, protože primární ionizace elektrony získat dostatečnou energii z urychlovací elektrického pole, nebo z původního ionizující částice. Koeficient udává počet sekundárních elektronů produkovaných primárním elektronem na jednotku délky dráhy.

Emise katody způsobená dopadem iontů

Townsend, Holst a Oosterhuis rovněž navrhli alternativní hypotézu, vzhledem k zvýšené emisi elektronů katodou způsobené dopadem kladných iontů . Tím byl zaveden Townsendův druhý ionizační koeficient ; průměrný počet elektronů uvolněných z povrchu dopadajícím kladným iontem podle následujícího vzorce: ${\ displaystyle \ epsilon _ {i}}$

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

Tyto dva vzorce lze považovat za popisující omezující případy efektivního chování procesu: buď lze použít k popisu stejných experimentálních výsledků. Další vzorce popisující různá intermediární chování se nacházejí v literatuře, zejména v literatuře 1 a jejích citacích.

Podmínky

Napěťově-proudová charakteristika elektrického výboje v neonové atmosféře při 1 torru, se dvěma rovinnými elektrodami oddělenými 50 cm.
A: náhodné impulsy kosmickým zářením
B: saturační proud
C: lavina Townsendův výboj
D: soběstačný Townsendův výboj
E: nestabilní oblast: koronový výboj
F: subnormální výboj
G: normální výboj
H: abnormální výboj
I: nestabilní oblast: přechod zářecího oblouku
J: elektrický oblouk
K: elektrický oblouk
A-D oblast: tmavý výboj ; dojde k ionizaci, proud pod 10 mikroampérů.
FH oblast: žhavící výboj ; plazma vydává slabou záři.
Oblast IK: výboj oblouku ; velké množství vyprodukovaného záření.

Výboj Townsend lze udržet pouze v omezeném rozsahu tlaku plynu a intenzity elektrického pole. Doprovodný graf ukazuje kolísání úbytku napětí a různé provozní oblasti pro trubku naplněnou plynem s konstantním tlakem, ale proměnlivým proudem mezi jejími elektrodami. Lavinové jevy Townsend se vyskytují na svažité náhorní plošině BD. Za D je ionizace udržována.

Při vyšších tlacích dochází k výbojům rychleji, než je vypočítaná doba, po kterou ionty procházejí mezerou mezi elektrodami, a lze použít teorii streameru jiskrového výboje Raethera, Meek a Loeba. Ve vysoce nejednotných elektrických polích je použit proces koronového výboje . Další popis těchto mechanismů najdete v elektronové lavině .

Výboje ve vakuu vyžadují odpařování a ionizaci atomů elektrod. Oblouk lze zahájit bez předběžného výboje Townsend; například když se elektrody dotýkají a jsou poté odděleny.

Aplikace

Výbojky

Výchozí výboje Townsend nastavuje horní limit pro blokovací napětí doutnavý výboj plynová trubka odolává. Tento limit je Townsendovo průrazné napětí výboje , nazývané také zapalovací napětí trubice.

Neonová lampa / relaxační oscilátor plynové diody se studenou katodou

Výskyt vypouštění Townsend, což vede k doutnavým výbojem členění tvaruje voltampérová charakteristika o vypouštěcí trubicí pro plyn , jako je například neon světlo takovým způsobem, že má odpor negativní diferenciální oblast S-typu. Záporný odpor lze použít ke generování elektrických oscilací a tvarů vln , jako v relaxačním oscilátoru, jehož schéma je znázorněno na obrázku vpravo. Generovaná kmitání ve tvaru pilovitého zubu má frekvenci

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

kde

• ${\ displaystyle V _ {\ text {GLOW}}}$je průrazné napětí žhavého výboje ,
• ${\ displaystyle V _ {\ text {TWN}}}$je Townsendovo výbojové průrazné napětí ,
• ${\ displaystyle C_ {1}}$, a jsou příslušně kapacita , odpor a napájecí napětí obvodu.${\ displaystyle R_ {1}}$${\ displaystyle V_ {1}}$

Jelikož je teplotní a časová stabilita charakteristik plynových diod a neonových lamp nízká a statistický rozptyl poruchových napětí vysoký, výše uvedený vzorec může poskytnout pouze kvalitativní údaj o skutečné frekvenci kmitání.

Plynové fototrubičky

Násobení laviny během Townsendova výboje se přirozeně používá v plynových fototrubičkách k zesílení fotoelektrického náboje generovaného dopadajícím zářením (viditelným nebo ne) na katodě : dosažitelný proud je obvykle 10–20krát větší než v případě generovaného vakuovými fototrubičkami .

Detektory ionizujícího záření

Graf variace ionizačního proudu proti aplikovanému napětí pro detektor plynného záření koaxiálního drátěného válce.

Lavinové výboje Townsend jsou zásadní pro činnost detektorů plynné ionizace , jako je Geiger-Müllerova trubice a proporcionální čítač při detekci ionizujícího záření nebo při měření jeho energie. Dopadající záření ionizuje atomy nebo molekuly v plynném médiu za vzniku iontových párů, ale každý typ detektoru využívá různé výsledné lavinové efekty.

V případě GM trubice je vysoká intenzita elektrického pole dostatečná k tomu, aby způsobila úplnou ionizaci plnicího plynu obklopujícího anodu od počátečního vytvoření pouze jednoho iontového páru. Výstup GM trubice nese informace, že k události došlo, ale žádné informace o energii dopadajícího záření.

V případě proporcionálních čítačů dochází v oblasti „iontového driftu“ poblíž katody k vícenásobnému vytváření iontových párů. Geometrie elektrického pole a komory jsou vybrány tak, aby v bezprostřední blízkosti anody byla vytvořena „lavinová oblast“. Negativní iont unášený k anodě vstupuje do této oblasti a vytváří lokalizovanou lavinu, která je nezávislá na lavinách z jiných iontových párů, ale která může stále poskytovat multiplikační efekt. Tímto způsobem jsou k dispozici spektroskopické informace o energii dopadajícího záření o velikosti výstupního impulsu z každé iniciační události.

Doprovodný graf ukazuje změnu ionizačního proudu pro systém souosého válce. V oblasti iontové komory nejsou žádné laviny a aplikované napětí slouží pouze k pohybu iontů směrem k elektrodám, aby se zabránilo opětovné kombinaci. V proporcionální oblasti se v plynném prostoru bezprostředně kolem anody vyskytují lokalizované laviny, které jsou numericky úměrné počtu původních ionizujících událostí. Zvýšení napětí dále zvyšuje počet lavin, dokud není dosaženo oblasti Geiger, kde je ionizován plný objem plnicího plynu kolem anod a všechny proporcionální energetické informace jsou ztraceny. Za oblastí Geiger je plyn v nepřetržitém výboji kvůli vysoké síle elektrického pole.

Viz také

• Členění laviny
• Elektrický oblouk
• Elektrický výboj v plynech
• Polní elektronová emise
• Paschenův zákon
• Fotoelektrický efekt
• Townsend (jednotka)

Poznámky

Reference

• Malý, PF (1956). "Sekundární efekty". Ve Flügge, Siegfried . Electron emisí • zemní plyn vypouští I . Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). XXI . Berlín - Heidelberg - New York : Springer-Verlag . 574–663..
• Gewartowski, James W .; Watson, Hugh Alexander (1965). Principy elektronových trubek: Včetně trubek řízených mřížkou, mikrovlnných trubek a plynových trubek . D. Van Nostrand Co., Inc.
• Reich, Herbert J. (1944). Teorie a aplikace elektronových trubic (2. vyd.). McGraw-Hill Co., Inc.Kapitola 11 „ Elektrické vedení v plynech “ a kapitola 12 „ Žárovky a výbojky a oblouky “.
• Kuffel, E .; Zaengl, WS; Kuffel, J. (2004). Základy vysokého napětí (2. vydání). Butterworth-Heinemann . ISBN  978-0-7506-3634-6 .

externí odkazy

• Simulace ukazující dráhy elektronů během laviny