Townsend-lavina

A Townsend-lavina vagy más néven Townsend-kisülés egy gázionizáló folyamat, ahol kisszámú szabad elektron elegendően nagy elektromos tér hatására lavinaszerű növekedésbe kezd, az elektromos vezetés megnő. Amikor az elektromos térerősség vagy a szabad elektronok száma csökken, ez a hatás megszűnik.

Ezt a folyamatot alacsony áramsűrűség jellemzi. Általában a gázzal töltött csövekben az áram értéke 10^–18A - 10^–5A között van, miközben az alkalmazott feszültség értéke közel állandó.

Az ionizáció következő lépései a sötét kisülés, az elektromos gázkisülés és végül az ívkisülés, melyet a növekvő áramsűrűség okoz. Mindegyik kisülésfajtában az alapvető mechanizmus a lavinahatás. A Townsend-kisülést John Sealy Townsend angol fizikusról nevezték el, és többnyire „Townsend-lavina” a jelenség elnevezése.

A jelenség leírása

A jelenséget bemutató kísérlet alapfelépítése egy kondenzátor, melynek sík lapjai között gáz van, és fegyverzeteire magas feszültséget kapcsolnak. A kisebb feszültségű fegyverzet neve katód, míg a másik az anód. Townsend azt tapasztalta, hogy a kondenzátoron folyó I áram a fegyverzetekre adott elektromos térerősségtől úgy függ, hogy azt a gázionok megsokszorozzák. Azt tapasztalta, hogy miközben a feszültség állandó, az áram több nagyságrenddel is megnőhet. A kísérleti tapasztalat képletben kifejezve:

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

ahol

$I$ az átfolyó áram,
$I_{0}$ a katód felületén generált fotoelektromos áram
$e$ egy konstans, az Euler-féle szám
$\alpha _{n}$ az első Townsend ionizációs együttható, mely kifejezi az egységnyi hosszon keletkező ion párok számát, melyek a katódtól az anód felé haladnak
$d$ a fegyverzetek közti távolság.

A fegyverzetek közötti közel állandó feszültség egyenlő a letörési feszültséggel, mely szükséges az önfenntartó lavinahatáshoz; ez akkor kezd csökkenni, amikor az áram eléri az elektromos gázkisülési tartományt. Az ezt követő kísérlet kimutatta, hogy az I áram gyorsabban nő, mint azt jósolták, ha d távolság nő. Két különböző hatást kellett figyelembe venni, hogy a jelenség fizikáját meg lehessen magyarázni és lehetővé váljon egy mennyiségi számítás.

Pozitív ionok gázionizációja

Townsend hipotézise az volt, hogy a pozitív ionok ionpárokat is produkálnak. Bevezetett egy $\alpha _{p}$ együtthatót, ez az egységnyi hosszon generált ionpárok száma, melyek (a kationok) az anódtól a katódig mozognak. A következő kifejezést találta:

{\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}}}

mivel $\alpha _{p}<<\alpha _{n}$ , jó egyezésben van a kísérletekkel.

„Az első Townsend-együttható” (α), más néven az „első Townsend-lavina-együttható” kifejezi, hogy a másodlagos ionizáció azért történik, mert az elsődleges ionizáció elektronjai elegendő energiára tesznek szert a növekvő elektromos térből vagy az eredeti ionizáló részecskékből. Az együttható megadja a másodlagos elektronok számát, melyet az elsődleges elektronok generáltak egységnyi hosszon.

Ionok hatása a katódemisszióra

Egy alternatív hipotézist is felállítottak. Ez a katód elektronemisszióját tekintette, melyet a pozitív ionok okoznak; Townsend bevezette a „második Townsend-ionizációs együttható”-t, $\epsilon _{i}$ , mely az egy felületre beeső pozitív ion által kibocsátott elektronok átlagos száma:

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

A két egyenletről azt gondolta, hogy leírja a folyamat korlátozó tényezőit. Az irodalomban más leírások is találhatók^[1]

A lavina

A Townsend-lavina egy kaszkád típusú reakció, melyben az elegendő nagy elektromos térben mozgó elektronok játsszák a főszerepet. A reakció olyan térben zajlik, melyet ionizálni lehet, mint például a levegő. A pozitív ion a katód felé mozog, a szabad elektron pedig az anód felé. Az elektromos térben felgyorsul, és elegendő energiához jut ahhoz, hogy felszabadítson újabb elektronokat egy másik atommal vagy molekulával történő ütközéskor. A két szabad elektron megtesz egy bizonyos utat együtt, mielőtt egy újabb ütközés történik. Az anód felé mozgó elektronok száma megsokszorozódik egy kettes faktorral, így n ütközés után 2ⁿ szabad elektron lesz.

A lavinahatás egy bizonyos gáznyomáson és elektromos térerősségen fennmarad. Magasabb nyomásokon a kisülés sokkal gyorsabban történik, mint az elektronok mozgására kiszámolt idő, és ekkor az úgynevezett streamer-elmélet érvényes a szikrakisülésre. Nagy mértékben inhomogén elektromos terek esetén a koronakisülés folyamata érvényes. Vákuumban a kisüléshez az atomok porlasztása és az atomok ionizációja szükséges.

Felhasználás

Gázzal töltött fotócsövekben a Townsend-lavinahatás működik. Az elérhető áram 10~20–szor nagyobb, mint vákuumcsövekben. Bármely gázzal töltött elektroncsőben a Townsend-kisülés és a gázkisülés letörési feszültsége alakítja ki a $V_{A}-I_{A}$ karakterisztikát. Ezt a jelenséget használják oszcillátorok hullámformájának tervezésekor is és az úgynevezett relaxációs oszcillátornál is, melynek fűrészfog-hullámalakja van. Az oszcillátor frekvenciája:

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

ahol

$V_{\text{GLOW}}$ a letörési feszültség,
$V_{\text{TWN}}$ a Townsend-kisülés letörési feszültsége,
$C_{1}$ , $R_{1}$ és $V_{1}$ a kapacitás, ellenállás és a tápfeszültség

Mivel a gázdiódák, neonlámpák hőmérsékleti és időstabilitása alacsony, valamint a letörési feszültség szórása magas, a fenti képlet csupán közelítő képet ad az oszcillátor frekvenciájáról. Townsend-lavinahatás működik a Geiger–Müller-csőben és a proporcionális számlálóban is, ahol az ionizáló sugárzást mérik.

Irodalom

Little, P.F.. Electron-emission • Gas discharges I, Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). Springer-Verlag, 574–663. o. (1956)
James W Gewartowski and Hugh Alexander Watson. Principles of Electron Tubes: Including Grid-controlled Tubes, Microwave Tubes and Gas Tubes. D. Van Nostrand Co, Inc. (1965)
Herbert J. Reich. Theory and applications of electron tubes. McGraw-Hill Co, Inc. (1939, 1944) Chapter 11 "Electrical conduction in gases" and chapter 12 "Glow- and Arc-dischrage tubes and circuits"
E.Kuffel, W.S. Zaengl, J.Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals, Second edition. Butterworth-Heinemann (2004). ISBN 0-7506-3634-3

Kapcsolódó szócikkek

További információk

Források

↑ Little, P.F. (1956). "Secondary effects". In Flügge, Siegfried. Electron-emission • Gas discharges I. Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). XXI. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag. pp. 574–663.

[1] Little, P.F. (1956). "Secondary effects". In Flügge, Siegfried. Electron-emission • Gas discharges I. Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). XXI. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag. pp. 574–663.

[1]