Townsend decharge - Townsend discharge

Lavineffekt i gas udsat for ioniserende stråling mellem to pladeelektroder. Den oprindelige ioniseringshændelse frigiver en elektron, og hver efterfølgende kollision frigiver en yderligere elektron, så to elektroner dukker op fra hver kollision for at opretholde lavinen.

The Townsend udledning eller Townsend lavine er en gas ionisering proces, hvor frie elektroner accelereres af et elektrisk felt , kolliderer med gasmolekyler og dermed frie yderligere elektroner. Disse elektroner er på sin side accelereret og frigiver yderligere elektroner. Resultatet er en lavine multiplikation, der tillader elektrisk ledning gennem gassen. Udledningen kræver en kilde til frie elektroner og en betydelig elektrisk felt ; uden begge tilfælde forekommer fænomenet ikke.

Townsend-decharge er opkaldt efter John Sealy Townsend , der opdagede den grundlæggende ioniseringsmekanisme ved sit arbejde mellem 1897 og 1901.

Generel beskrivelse af fænomenet

Skredet forekommer i et luftformigt medium, der kan ioniseres (f.eks. Luft ). Det elektriske felt og elektronens gennemsnitlige fri bane skal tillade, at frie elektroner får et energiniveau (hastighed), der kan forårsage påvirkningionisering. Hvis det elektriske felt er for lille, får elektronerne ikke nok energi. Hvis den gennemsnitlige frie vej er for kort, opgiver elektronet sin erhvervede energi i en række ikke-ioniserende kollisioner. Hvis den gennemsnitlige frie vej er for lang, når elektronet anoden, inden den kolliderer med et andet molekyle.

Skredmekanismen er vist i det medfølgende diagram. Det elektriske felt påføres over et gasformigt medium; startioner dannes med ioniserende stråling (for eksempel kosmiske stråler). En original ioniseringshændelse producerer et ionpar; den positive ion accelererer mod katoden, mens den frie elektron accelererer mod anoden . Hvis det elektriske felt er stærkt nok, kan det frie elektron få en tilstrækkelig hastighed (energi) til at frigøre en anden elektron, når den derefter kolliderer med et molekyle. De to frie elektroner kører derefter mod anoden og får tilstrækkelig energi fra det elektriske felt til at forårsage yderligere påvirkning ioniseringer og så videre. Denne proces er effektivt en kædereaktion, der genererer frie elektroner. Det samlede antal elektroner, der når anoden, er lig med antallet af kollisioner plus det enkelt initierende frie elektron. Oprindeligt vokser antallet af kollisioner eksponentielt. Grænsen for multiplikation i et elektronskred kendes som Raether-grænsen .

Townsend-lavinen kan have en lang række aktuelle tætheder. I almindelige gasfyldte rør , såsom dem, der anvendes som gasformige ionisationsdetektorer , kan størrelser af strømme, der flyder under denne proces, spænde fra ca. 10 ^-18 amper til ca. 10 ⁻⁵ ampere.

Kvantitativ beskrivelse af fænomenet

Townsends tidlige eksperimentelle apparat bestod af plane parallelle plader, der dannede to sider af et kammer fyldt med en gas . En jævnstrøm høj spænding kilde blev forbundet mellem pladerne; den nedre spændingsplade var katoden, mens den anden var anoden . Han tvang katoden til at udsende elektroner ved hjælp af den fotoelektriske effekt ved at bestråle den med røntgenstråler , og han fandt ud af, at strømmen I, der flyder gennem kammeret, var afhængig af det elektriske felt mellem pladerne. Imidlertid viste denne strøm en eksponentiel forøgelse, da pladeafstanderne blev små, hvilket førte til konklusionen, at gasionerne multiplicerede, når de bevægede sig mellem pladerne på grund af det høje elektriske felt.

Townsend observerede strømme, der varierede eksponentielt over ti eller flere størrelsesordener med en konstant påført spænding, når afstanden mellem pladerne blev varieret. Han opdagede også, at gastryk påvirkede ledning: han var i stand til at generere ioner i gasser ved lavt tryk med en meget lavere spænding end det, der kræves for at generere en gnist. Denne observation væltede konventionel tankegang om den strømmængde, som en bestrålet gas kunne lede.

De eksperimentelle data opnået fra hans eksperimenter er beskrevet med følgende formel

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

hvor

• Jeg er strømmen i enheden,
• I ₀ er den fotoelektriske strøm genereret ved katodeoverfladen ,
• e er Eulers nummer
• α _n er den første Townsend ionisering koefficient , der udtrykker antallet af ion -par genereret per længdeenhed (for eksempel meter) af en negativ ion ( anion ) bevæger sig fra katoden til anoden ,
• d er afstanden mellem enhedens plader.

Den næsten konstante spænding mellem pladerne er lig med den nedbrydningsspænding, der er nødvendig for at skabe et selvbærende skred: det aftager, når strømmen når glødudladningsregimet . Efterfølgende eksperimenter afslørede, at den nuværende I stiger hurtigere end forudsagt af den ovennævnte formel, når afstanden d øges: to forskellige effekter blev overvejet for bedre at kunne modellere udledningen: positive ioner og katodeemission.

Gasionisering forårsaget af bevægelse af positive ioner

Townsend fremførte hypotesen om, at positive ioner også producerer ionpar, og introducerer en koefficient, der udtrykker antallet af ionpar genereret pr. Enhedslængde af en positiv ion ( kation ), der bevæger sig fra anode til katode . Følgende formel blev fundet ${\ displaystyle \ alpha _ {p}}$

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

da i meget god aftale med eksperimenter. ${\ displaystyle \ alpha _ {p} \ ll \ alpha _ {n}}$

Den første Townsend-koefficient (α), også kendt som den første Townsend-lavine-koefficient, er et udtryk, hvor sekundær ionisering sker, fordi de primære ioniseringselektroner får tilstrækkelig energi fra det accelererende elektriske felt eller fra den oprindelige ioniserende partikel. Koefficienten angiver antallet af sekundære elektroner produceret af primærelektron pr.

Katodeemission forårsaget af påvirkning af ioner

Townsend, Holst og Oosterhuis fremsatte også en alternativ hypotese i betragtning af den øgede emission af elektroner fra katoden forårsaget af påvirkning af positive ioner . Dette introducerede Townsends anden ioniseringskoefficient ; det gennemsnitlige antal elektroner, der frigives fra en overflade af en positivt ion i henhold til følgende formel: ${\ displaystyle \ epsilon _ {i}}$

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

Disse to formler kan antages at beskrive begrænsende tilfælde af effektiv effektiv opførsel af processen: begge kan bruges til at beskrive de samme eksperimentelle resultater. Andre formler, der beskriver forskellige mellemopførsler, findes i litteraturen, især i reference 1 og citater deri.

Betingelser

Spændingsstrømskarakteristika for elektrisk udladning i neon ved 1 torr, med to plane elektroder adskilt med 50 cm.
A: tilfældige pulser ved kosmisk stråling
B: mætningstrøm
C: lavine Townsend-udladning
D: selvbærende Townsend-udladning
E: ustabil region: corona-udladning
F: sub-normal glødeafladning
G: normal glødeafladning
H: unormal glødeafladning
I: ustabil region: glødbueovergang
J: elektrisk lysbue
K: elektrisk lysbue
A-D region: mørk udladning ; ionisering foregår, nuværende under 10 mikroampler.
FH-region: glødudladning ; plasmaet udsender en svag glød.
IK-region: lysbueudladning ; store mængder produceret stråling.

En Townsend-udladning kan kun opretholdes over et begrænset område af gastryk og elektrisk feltintensitet. Det ledsagende diagram viser variationen i spændingsfald og de forskellige driftsområder for et gasfyldt rør med konstant tryk, men med en varierende strøm mellem dets elektroder. Townsend-lavinefenomener forekommer på det skrånende plateau BD. Ud over D opretholdes ioniseringen.

Ved højere tryk forekommer udledninger hurtigere end den beregnede tid for ioner til at krydse mellemrummet mellem elektroderne, og streamerteorien om gnistudladning af Raether, Meek og Loeb er relevant. I meget ikke-ensartede elektriske felter er korona-afladningsprocessen anvendelig. Se Elektronskred for yderligere beskrivelse af disse mekanismer.

Udledninger i vakuum kræver fordampning og ionisering af elektrodeatomer. En bue kan indledes uden en foreløbig decharge for Townsend; for eksempel når elektroder berører og derefter adskilles.

Applikationer

Rør til gasudladning

Starten af ​​Townsend-udladning sætter den øverste grænse for blokeringsspændingen, som et gasfyldt rør med glødudladning kan modstå. Denne grænse er Townsend udledning fordeling spænding , også kaldet tændspænding af røret.

Neon lampe / kold-katode gas diode kiposcillator

Forekomsten af ​​Townsend-udladning, der fører til glødudladningsnedbrydning, udformer strømspændingsegenskaberne for et gasudladningsrør, såsom en neonlampe på en sådan måde, at det har et negativt differentielt modstandsområde af S-typen. Den negative modstand kan bruges til at generere elektriske svingninger og bølgeformer , som i afslapningsoscillatoren, hvis skema er vist på billedet til højre. Den genererede savtandformede svingning har frekvens

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

hvor

• ${\ displaystyle V _ {\ text {GLOW}}}$er glimudladningen fordeling spænding ,
• ${\ displaystyle V _ {\ text {TWN}}}$er Townsend udledning fordeling spænding ,
• ${\ displaystyle C_ {1}}$, Og er henholdsvis kapacitans , den modstand og levering spænding af kredsløbet.${\ displaystyle R_ {1}}$${\ displaystyle V_ {1}}$

Eftersom temperatur og tid stabilitet af egenskaberne ved gas dioder og neon lamper er lav, og også den statistiske spredning af nedbrydningsprodukter spændinger er høj, kan den ovennævnte formel kun give en kvalitativ indikation af, hvad den reelle svingningsfrekvens er.

Gas-fotorør

Avalanche-multiplikation under Townsend-udladning bruges naturligt i gasfototubes til at forstærke den fotoelektriske ladning, der genereres af indfaldende stråling (synligt lys eller ej) på katoden : opnåelig strøm er typisk 10 ~ 20 gange større i forhold til den, der genereres af vakuumfototubes .

Ioniserende strålingsdetektorer

Plot af variation af ioniseringsstrøm mod påført spænding for en koaksial trådcylinder gasformig strålingsdetektor.

Townsend-lavineudledninger er grundlæggende for driften af gasformige ionisationsdetektorer som Geiger-Müller-røret og den forholdsmæssige tæller til enten at detektere ioniserende stråling eller måle dens energi. Den hændende stråling vil ionisere atomer eller molekyler i det gasformige medium for at frembringe ionpar, men forskellige anvendelser foretages af hver detektortype af de resulterende skredeffekter.

I tilfælde af et GM-rør er den høje elektriske feltstyrke tilstrækkelig til at forårsage fuldstændig ionisering af fyldgassen, der omgiver anoden, fra den oprindelige oprettelse af kun et ionpar. GM-rørets output bærer information om, at begivenheden har fundet sted, men ingen information om energien fra den hændende stråling.

I tilfælde af forholdsmæssige tællere forekommer multiple oprettelse af ionpar i "iondrift" -området nær katoden. Det elektriske felt og kammergeometrier vælges således, at der oprettes et "lavineområde" i umiddelbar nærhed af anoden. En negativ ion, der driver mod anoden, kommer ind i dette område og skaber en lokal lavine, der er uafhængig af dem fra andre ionpar, men som stadig kan give en multiplikationseffekt. På denne måde er spektroskopisk information om energien fra den indfaldende stråling tilgængelig efter størrelsen af ​​outputpulsen fra hver initierende begivenhed.

Det medfølgende diagram viser variationen i ioniseringsstrømmen for et koaksialt cylindersystem. I ionkammerregionen er der ingen snøskred, og den påførte spænding tjener kun til at bevæge ionerne mod elektroderne for at forhindre genkombination. I det forholdsmæssige område forekommer lokaliserede skred i gasrummet umiddelbart rundt om anoden, der er numerisk proportional med antallet af originale ioniserende begivenheder. Forøgelse af spændingen øger antallet af snøskred yderligere, indtil Geiger-regionen er nået, hvor det fulde volumen af ​​fyldningsgas omkring anoderne ioniseret, og al proportional energiinformation går tabt. Ud over Geiger-regionen er gas i kontinuerlig udladning på grund af den høje elektriske feltstyrke.

Se også

• Lavineopdeling
• Elektrisk lysbue
• Elektrisk udladning i gasser
• Feltelektronemission
• Paschens lov
• Fotoelektrisk effekt
• Townsend (enhed)

Noter

Referencer

• Little, PF (1956). "Sekundære effekter". I Flügge, Siegfried . Elektron-emission • Gas udledninger jeg . Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). XXI . Berlin - Heidelberg - New York : Springer-Verlag . s. 574–663..
• Gewartowski, James W .; Watson, Hugh Alexander (1965). Principper for elektronrør: Inklusive gitterstyrede rør, mikrobølgerør og gasrør . D. Van Nostrand Co., Inc.
• Reich, Herbert J. (1944). Teori og anvendelser af elektronrør (2. udgave). McGraw-Hill Co., Inc.Kapitel 11 " Elektrisk ledning i gasser " og kapitel 12 " Gløde- og bueudladningsrør og kredsløb ".
• Kuffel, E .; Zaengl, WS; Kuffel, J. (2004). Højspændingsteknologi Fundamentals (2. udgave). Butterworth-Heinemann . ISBN  978-0-7506-3634-6 .

eksterne links

• Simulering, der viser elektronstier under lavine