Descàrrega de Townsend

Efecte de descàrrega en cascada en un gas somés a radiació ionisant entre dos electrodos plans. El primer element ionizado llibera un electró, i cada colisió subsegüent llibera un atre més, de manera que emergixen dos electrons de cada colisió sostenint la descàrrega en cadena.

La descàrrega de Townsend és un procés de ionisació d'un gas a on els electrons lliures accelerats per un camp elèctric suficientment fort aumenten la conductivitat elèctrica a través del gas per un efecte en cascada causat per l'ionisació de molècules. Quan decreix el número de càrregues lliures o es debilita el camp elèctric, el fenomen cessa.

Deu el seu nom al físic britànic John Sealy Townsend, qui va descobrir el mecanisme de ionisació fonamental en els seus treballs realisats entre 1897 i 1901.

Descripció general del fenomen

La descàrrega és un efecte en cascada que es produïx en un mig gaseós que és ionizado (com per eixemple, l'aire) quan és somés a un camp elèctric suficientment elevat, capaç d'accelerar els electrons lliures al nivell d'energia necessari per a causar ionisació per impacte.

El mecanisme de descàrrega en cascada es descriu en l'esquema adjunt, a on un camp elèctric és aplicat a través d'un mig gaseós, a on es creen ions per la seua exposició a una radiació ionisant. A partir d'una primera molècula ionizada per la radiació, es produïx un parell de ions. El positiu accelera cap al càtodo, mentres que l'electró lliure accelera cap al ànodo. Si el camp elèctric és prou fort, l'electró lliure obté velocitat suficient (és dir, energia), i pot lliberar un atre electró quan colisione en una molècula. Els dos electrons lliures llavors viagen cap a l'ànodo, i obtenen energia suficient del camp elèctric per a provocar una nova ionisació per impacte. Este procés és efectivament una reacció en cadena de generació d'electrons, i depén de que els electrons lliures obtinguen energia suficient entre colisions per a sostindre la descàrrega. El número total dels electrons que alcancen l'ànodo és igual al número de colisions, més el número inicial d'electrons lliures. El llímit de la multiplicació d'electrons en una descàrrega és conegut com el llímit de Raether.

La descàrrega de Townsend pot tindre una àmplia gama de densitat. En tubos de gas comuns, com els utilisats en els detectors de ionisació gaseosa, les magnituts de les corrents que fluïxen durant este procés poden variar entre aproximadament 10⁻¹⁸ amperis a aproximadament 10⁻⁵ amperis.

Descripció quantitativa del fenomen

El montage bàsic dels primers experiments de Townsend quan investigava les descàrregues ionisants en gasos, constava de dos plaques paraleles planes situades als costats d'un recipient omplit en un gas. Una font elèctrica d'alta tensió es conectava entre les plaques (el càtodo al pol negatiu, i l'ànodo al positiu) forçant al càtodo a emetre electrons segons l'efecte fotoeléctrico irradiándolo en rajos X, trobant que el fluix de corrent $I$ a través del gas depenia del camp elèctric entre les plaques. Aixina i tot, esta corrent va mostrar un aument exponencial quan disminuïa la distància entre les plaques, aplegant a la conclusió de que els ions de gas es multiplicaven quan es desplaçaven entre les plaques per l'elevat camp elèctric.

Va observar que les corrents variaven exponencialment dèu o més órdens de magnitut per damunt del voltage constant aplicat quan la distància entre les plaques es variava. També va descobrir la dependència de la pressió del mig gaseós, i va ser capaç de generar ions en gasos a baixa pressió en un voltage molt més baix que el necessari per a generar una purna. Açò contradia l'idea convencional sobre la conductivitat elèctrica d'un gas irradiado.

La senya experimental obtinguda dels seus experiments es descriuen segons la fòrmula següent

$\frac{I}{I_0}=e^{{\alpha }_{n}d},$

a on

• $I$ és el fluix elèctric en el dispositiu,

• $I_0$ és la corrent fotoeléctrica generada en la superfície del càtodo,
• $e$ és el número de Euler,
• ${\alpha }_n$ és el primer primer coeficient de ionisació de Townsend, expressant el número de parells de ions generat per unitat de llongitut (p. eix. metro) per un ion negatiu (anión) movent-se de càtodo a ànodo,
• $d$ és la distància entre les plaques del dispositiu.

El voltage casi constant entre les plaques és igual a la tensíón de ruptura necesara per a crear una descàrrega autosostenible, i disminuïx quan la corrent alcança el règim de descàrrega luminescent. Els experiments subsegüents varen revelar per a l'intensitat $I$ auments majors que els pronosticats per la fòrmula segons aumentava la distància $d$ : dos efectes diferents varen ser considerats per a explicar la física del fenomen i per a poder fer un càlcul quantitatiu precís.

Ionisació del gas causada per moviment de ions positius

Townsend va propondre l'hipòtesis de que els ions positius també produïxen parells de ions, introduint un coeficient ${\alpha }_p$ que expressa el número de parells de ions generat per unitat de llongitut per un ion positiu (catión) movent-se d'ànodo a càtodo.Es va plantejar la fòrmula següent:

$\frac{I}{I_0}=\frac{({\alpha }_n-{\alpha }_p)e^{({\alpha }_n-{\alpha }_p)d}}{{\alpha }_n-{\alpha }_p{e}^{({\alpha }_n-{\alpha }_p)d}}⟹\frac{I}{I_0}\cong \frac{e^{{\alpha }_{n}d}}{1-({\alpha }_p/{\alpha }_n)e^{{\alpha }_{n}d}}$

en ${\alpha }_p\ll {\alpha }_n$, molt concordant en els experiments.

El primer coeficient de Townsend (α), també conegut com a primer coeficient de Townsend de descàrrega és un terme utilisat quan l'ionisació secundària es verifica perque els electrons de ionisació primaris obtenen energia suficient del camp elèctric, o d'una partícula inicialment ionizada. El coeficient dona el número d'electrons secundaris produïts per electró primari i per unitat de llongitut recorreguda.

Emissió del càtodo causada per impacte de ions

Townsend, Holst i Oosterhuis també varen desenrollar una hipòtesis alternativa, considerant que l'emissió secundària d'electrons des del càtodo era causada per l'impacte d'ions positius. Açò va introduir el segon coeficient de ionisació de Townsend ${ϵ}_i$ ; el número mig d'electrons lliberat per una superfície per un ion positiu incident, segons la fòrmula següent:

$\frac{I}{I_0}=\frac{e^{{\alpha }_{n}d}}{1-{ϵ}_i(e^{{\alpha }_{n}d}-1)}.$

Estes dos fòrmules poden ser interpretades com a descripcions de casos llímit del comportament efectiu del procés, i també poden ser utilisades per a interpretar els resultats experimentals. Hi ha bibliografia en atres fòrmules que descriuen varis comportaments intermijos (vore referències).