タウンゼント放電

Townsend discharge
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2 つのプレート電極間の電離放射線にさらされるガス中のアバランシェ効果。 最初のイオン化イベントは 1 電子を放出し、その後の各衝突はさらなる電子を放出するので、2 つの電子が各衝突から出て雪崩を持続する。
タウンゼント放電またはタウンゼント雪崩は、自由電子が電場によって加速され、ガス分子と衝突し、結果的に追加の電子を放出するガスイオン化プロセスである。 これらの電子は、加速され、追加の電子を自由にする。 その結果、ガスを介した電気伝導を可能にするアバランシェ増倍が行われる。 放電には、自由電子源と重要な電場が必要です。 両方がなければ、この現象は起こらない。
Townsend 放電は、John Sealy Townsend にちなんで命名されました。John Sealy Townsend は、1897 年から 1901 年までの彼の作品によって基本的なイオン化メカニズムを発見しました。

内容
1 現象の一般的な説明
2 現象の量的記述
2.1 正イオンの運動によるガスイオン化
2.2 イオンの衝突によるカソード放電
3 条件
4 アプリケーション
4.1 ガス放電管
4.2 ガス光電管
4.3 電離放射線検出器
5 関連項目
6 ノート
7 参考文献
8 外部リンク

現象の一般的な説明
アバランシェは、イオン化することができる気体媒体(例えば、空気)中で生じる。電場および電子の平均自由行程は、自由電子が衝突電離を引き起こし得るエネルギーレベル(速度)を獲得することを可能にしなければならない。電場が小さすぎると、電子は十分なエネルギーを得られません。平均自由行程が短すぎると、電子は一連の非電離衝突で獲得したエネルギーを放棄する。平均自由行程が長すぎると、電子は別の分子と衝突する前にアノードに到達する。
アバランシェメカニズムは添付の図に示されています。電場は、気体媒体を横切って印加される。初期イオンは電離放射線(例えば、宇宙線)で生成される。最初のイオン化事象はイオン対を生成する。陽イオンは陰極に向かって加速し、一方自由電子は陽極に向かって加速する。電場が十分に強い場合、自由電子は、次に分子と衝突するときに別の電子を解放するのに十分な速度(エネルギー)を得ることができる。 2 つの自由電子は、その後、アノードに向かって移動し、電場から十分なエネルギーを得て、さらなる衝突イオン化などを引き起こす。このプロセスは、事実上、自由電子を生成する連鎖反応である[1]アノードに到達する電子の総数は、衝突の数に加えて、単一の開始自由電子を加えたものに等しい。当初、衝突の数は指数関数的に増加します。電子雪崩における乗算の限界は、Raether 限界として知られている。
タウンゼント雪崩は、現在の密度の広い範囲を持つことができます。ガス状イオン化検出器として使用されるような一般的なガス充填管では、このプロセス中に流れる電流の大きさは、約 10＾18 アンペア〜約 10＾5 アンペアの範囲であり得る。

現象の定量的な説明
Townsend の初期の実験装置は、気体で満たされたチャンバの 2 つの側面を形成する平面平行プレートからなっていた。直流高電圧源をプレート間に接続した。低電圧プレートは陰極であり、他方は陽極であった。彼は X 線を照射して光電効果を利用してカソードに電子を放出させ、チャンバーを流れる電流 I はプレート間の電界に依存することを発見した。しかし、この電流は、プレートギャップが小さくなるにつれて指数関数的に増加した(論議されている)ので、高電界のためにプレート間を移動する際にガスイオンが逓増しているという結論に至った。
Townsend は、プレート間の距離が変化したときに一定の印加電圧で指数関数的に 10 倍以上変化する電流を観測した。 彼はまた、ガス圧力が伝導に影響を与えたことを発見しました。彼は、スパークを発生させるのに必要な電圧よりもはるかに低い電圧で、低圧でガス中にイオンを生成することができました。 この観察は、照射されたガスが伝導できる電流量に関する従来の考え方を覆していた[2]

プレート間のほぼ一定の電圧は、自立したアバランシェを作り出すために必要な降伏電圧に等しい。
電流がグロー放電状態に達すると減少する。距離 d が増加するにつれて上記の式によって予測されたものよりも優れている。放電をよりよくモデル化するために、正イオンおよび陰極放出という 2 つの異なる効果が考慮された。
正イオンの運動によるガスイオン化タウンゼントは、陽イオンはまた、陽イオンから陰極に移動する陽イオン(陽イオン)によって単位長さあたりに生成されるイオン対の数を表す係数を導入するという、イオン対も生成するという仮説を立てた。

第 1 のタウンゼント雪崩係数としても知られている第 1 のタウンゼント係数(α)は、第 1 のイオン化電子が加速電界または元のイオン化粒子から十分なエネルギーを得るために第 2 のイオン化が起こる場合に使用される用語である。係数は、単位経路長あたりの一次電子によって生成される二次電子の数を与える。

イオンの衝突による陰極放射
Townsend、Holst および Oosterhuis はまた、陽イオンの衝突によって引き起こされる陰極による電子放出の増大を考慮して、別の仮説を立てた。これは Townsend の第 2 イオン化係数を導入した。入射陽イオンによって表面から放出された電子の平均数。
これらの 2 つの公式は、プロセスの有効な挙動の限定的な場合を説明するものと考えることができる。どちらかを用いて同じ実験結果を記述することができる。 種々の中間的挙動を記述する他の式が文献、特に文献 1 およびその中の引用文献に見出される。

Conditions
1 トールでのネオンにおける放電の電圧 - 電流特性。50cm 離れた 2 つの平面電極。
A:宇宙線によるランダムパルス
B:飽和電流
C:アバランシェタウンゼント排出
D:自立型タウンゼント排出
E:不安定領域:コロナ放電
F:準正常グロー放電
G:通常のグロー放電
H:異常グロー放電
I:不安定領域:グロー - アーク転移
J:電気アーク
K:電気アーク
A-D 領域:暗放電;イオン化が起こり、電流は 10μA 未満になる。
F-H 領域:グロー放電;プラズマが微弱な輝きを放つ。
I-K 領域:アーク放電;大量の放射線が発生する。

タウンゼント排出は、限られた範囲のガス圧および電場強度でしか持続することができない。付随するプロットは、一定の圧力を有するが、その電極間に変化する電流を有するガス充填管についての電圧降下の変化および異なる動作領域を示す。タウンゼントの雪崩現象は、傾斜地 B-D で発生します。

D を超えてイオン化が持続する。
より高い圧力では、イオンが電極間のギャップを横切る計算時間よりも急速に放電が起こり、Raether、Meek および Loeb の火花放電のストリーマ理論が適用可能である。非常に不均一な電場では、コロナ放電プロセスが適用可能である。これらのメカニズムの詳細については、電子雪崩を参照してください。
真空中での放電は、電極原子の蒸発およびイオン化を必要とする。予期せぬタウンセンドの放電なしでアークを開始することができます。例えば電極が接触して分離されたときなどである。

アプリケーション

ガス放電管
タウンゼント放電の開始は、グロー放電ガス充填管が耐えることができる遮断電圧の上限を設定する。
この限界値は、チューブの点火電圧とも呼ばれるタウンゼント放電破壊電圧です。
ネオンランプ/冷陰極ガスダイオード緩和発振器グロー放電破壊に至るタウンゼント放電の発生は、ネオンランプなどのガス放電管の電流 - 電圧特性を、S タイプの負性微分抵抗領域を有するように形作る。 負の抵抗は、回路図が右の図に示されている緩和発振器のように、電気振動と波形を生成するために使用できます。 生成された鋸歯状の振動は周波数を有するwhere グロー放電耐圧、
タウンゼントの放電破壊電圧であり、それぞれ回路の静電容量、抵抗および電源電圧である。ガスダイオードおよびネオンランプの特性の温度および時間安定性が低く、また破壊電圧の統計的分散も高いため、上記の式は振動の実際の周波数が何であるかを定性的に示すだけである。

ガス光電管

タウンゼント放電中のアバランシェ増倍は、ガスフォトチューブで自然に使用され、カソード上の入射放射線(可視光または非可視光)によって発生した光電荷を増幅します:達成可能な電流は、真空フォトチューブによって生成される電流に対して通常 10〜20 倍です。

電離放射線検出器
同軸ワイヤーシリンダー気体放射検出器の印加電圧に対するイオン化電流の変化のプロット。
Townsend のアバランシェ放電は、ガイガー・ミュラー管や比例計数器のようなガス状イオン化検出器の動作にとって基本であり、電離放射線の検出またはそのエネルギーの測定のいずれかである。入射放射線は、気体媒体中の原子または分子をイオン化してイオン対を生成するが、結果として得られるアバランシェ効果の各検出器タイプによって異なる使用がなされる。
GM 管の場合、高い電界強度は、ただ 1 つのイオン対の最初の生成からアノードを取り囲む充填ガスの完全なイオン化を引き起こすのに十分である。 GM チューブの出力には、イベントが発生したが、入射した放射線のエネルギーに関する情報はないという情報が含まれています。[1]
比例計数器の場合、カソード付近の「イオンドリフト」領域でイオン対の多重生成が起こる。電場およびチャンバの形状は、アノードのすぐ近くに「アバランシェ領域」が形成されるように選択される。
陽極に向かって漂う負イオンはこの領域に入り、他のイオン対からのものとは無関係の局在化した雪崩を生成するが、依然として増倍効果をもたらすことができる。このようにして、入射放射線のエネルギーに関する分光情報は、各開始事象からの出力パルスの大きさによって利用可能である。[1]
付随するプロットは、同軸シリンダシステムのイオン化電流の変化を示す。イオンチャンバー領域では、アバランシェがなく、印加された電圧は、イオンを電極に向かって移動させて再結合を防止する働きをするだけである。比例領域では、元のイオン化事象の数に数値的に比例するアノード直ぐのガス空間に局在化した雪崩が発生する。電圧を増加させると、アノード周辺の充填ガスの全体積がイオン化され、すべての比例エネルギー情報が失われるガイガー領域に達するまで、雪崩の数がさらに増加する。[1]ガイガー領域を越えて、ガスは、高い電界強度のために連続的に放電する。