타운젠드 방류

타운센드 방전 또는 타운센드 눈사태는 자유 전자가 전기장에 의해 가속되어 가스 분자와 충돌하여 결과적으로 추가 전자를 자유롭게 하는 가스 이온화 과정이다. 그 전자들은 차례로 가속되어 추가 전자를 자유롭게 한다. 그 결과는 눈사태의 곱셈으로 가스를 통한 전기 전도를 가능하게 한다. 방전에는 자유 전자의 원천과 상당한 전기장이 필요하다. 둘 다 없으면 현상이 일어나지 않는다.

타운센드 방류는 1897년경 케임브리지 캐번디시 연구소에서 그의 연구에 의해 근본적인 이온화 메커니즘을 발견한 존 씰리 타운센드의 이름을 따서 지어졌다.

현상에 대한 일반적 설명

눈사태는 이온화가 가능한 기체 매질에서 발생한다(공기 등). 전자의 전기장과 평균 자유 경로는 자유 전자가 충격 이온화를 일으킬 수 있는 에너지 수준(속도)을 획득할 수 있도록 해야 한다. 만약 전기장이 너무 작다면, 전자는 충분한 에너지를 얻지 못한다. 평균 자유 경로가 너무 짧으면 전자는 일련의 비이온 충돌에서 획득한 에너지를 포기한다. 만약 평균 자유 경로가 너무 길다면, 전자는 다른 분자와 충돌하기 전에 양극에 도달한다.

눈사태 메커니즘은 동봉된 도표에 나타나 있다. 전기장은 기체 매체에 걸쳐 적용된다. 초기 이온은 이온화 복사(예: 우주선)로 생성된다. 원래 이온화 이벤트는 이온 쌍을 생성하며, 양전자는 음극 쪽으로 가속하는 반면 자유 전자는 양극 쪽으로 가속한다. 만약 전기장이 충분히 강하면, 자유 전자는 다음에 분자와 충돌할 때 다른 전자를 자유롭게 할 수 있는 충분한 속도(에너지)를 얻을 수 있다. 그런 다음 두 개의 자유 전자는 양극을 향해 이동하며 전기장으로부터 충분한 에너지를 얻어서 더 이상의 충격 이온화를 일으키게 된다. 이 과정은 효과적으로 자유 전자를 생성하는 연쇄 반응이다.^[1] 처음에는 충돌 횟수가 기하급수적으로 증가한다. 양극에 도달하는 총 전자의 수는 충돌 횟수에 n을 더한 2와ⁿ 같으며, 게다가 단일 개시 자유 전자가 있다. 결국, 이 관계는 붕괴될 것이다 - 전자 눈사태에서 곱셈에 대한 한계는 레더 한계로 알려져 있다.

타운센드 눈사태는 광범위한 범위의 전류 밀도를 가질 수 있다. 가스 이온화 검출기로 사용되는 것과 같은 일반적인 가스 충전 튜브에서 이 프로세스 동안 흐르는 전류의 크기는 약 10암페어에서⁻¹⁸ 약 10암페어까지⁻⁵ 다양할 수 있다.^{[citation needed]}

현상에 대한 정량적 설명

타운센드의 초기 실험 기구는 가스를 채운 방의 양면을 이루는 평면 평행 판으로 구성되었다. 플레이트 사이에 직류 고전압 소스가 연결되었다. 낮은 전압 플레이트는 음극이고, 다른 전압 플레이트는 양극이었다. 그는 X선으로 조사하여 광전 효과를 이용해 음극이 전자를 방출하도록 강요했고, 그는 내가 방을 통과하는 전류가 판 사이의 전기장에 의존한다는 것을 발견했다. 그러나 이 전류는 판의 간격이^{[disputed – discuss]} 작아짐에 따라 기하급수적으로 증가하여, 높은 전기장으로 인해 판 사이를 이동하면서 가스 이온이 곱셈되고 있다는 결론을 내렸다.

타운젠드는 판 사이의 거리가 변화했을 때 일정한 인가 전압으로 10개 이상의 규모에 걸쳐 기하급수적으로 변화하는 전류를 관측했다. 그는 또한 가스 압력이 전도에 영향을 미친다는 것을 발견했다: 그는 스파크를 발생시키는 데 필요한 것보다 훨씬 낮은 전압으로 낮은 압력에서 가스에 이온을 발생시킬 수 있었다. 이 관찰은 조사된 가스가 전도할 수 있는 전류량에 대한 기존의 사고를 뒤집었다.^[2]

그의 실험에서 얻은 실험 데이터는 다음과 같은 공식으로 설명된다.

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

어디에

• 난 기기에서 흐르는 전류야
• 나는₀ 음극 표면에서 발생하는 광전류다.
• e는 오일러의 수이다.
• α는_n 음극에서 양극으로 이동하는 음이온(음극)에 의해 단위 길이(예: 미터)당 생성되는 이온 쌍의 수를 나타내는 최초의 타운젠드 이온화 계수다.
• d는 장치의 플레이트 사이의 거리다.

플레이트 사이의 거의 일정한^[which?] 전압은 자생하는 눈사태를 만드는 데 필요한 파괴 전압과 같다: 전류가 광 방출계에 도달하면 감소한다.^{[clarification needed]} 후속 실험에서는 거리 d가 증가함에 따라 위의 공식에 의해 예측된 것보다 전류 I가 더 빨리 상승한다는 것을 밝혀냈다: 방전을 더 잘 모형화하기 위해 두 가지 다른 효과를 고려했다: 양 이온과 음극 방출.

양의 이온 운동으로 인한 가스 이온화

타운젠드는 양극도 이온 쌍을 생성한다는 가설을 내세우며 양극에서 음극으로 이동하는 양의 이온(cation)에 의해 단위 길이당 생성 이온 쌍 수를 나타내는$$ 계수 ${\$를 도입했다. 다음 공식이 발견되었다.

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

${\displaystyle {\alpha p}_{}{\alpha n}_{}}$ ${\$ \$n}$ 이후 $실험$과 매우 잘 일치했다$.$

최초의 타운센드 눈사태 계수라고도 알려진 첫 번째 타운센드 계수(α )는 1차 이온화 전자가 가속 전기장 또는 원래 이온화 입자로부터 충분한 에너지를 얻기 때문에 이차 이온화가 발생하는 용어다. 계수는 단위 경로 길이당 일차 전자에 의해 생성되는 이차 전자의 수를 제공한다.

이온의 충격에 의한 음극방출

타운젠드, 홀스트, 오스테르후이스도 양이온의 충격에 의해 발생하는 음극에 의한 전자의 증가된 방출을 고려하여 대립 가설을 내세웠다. 이것은 다음과 같은 공식에 따라 타운센드의 두 번째 이온화 계수$$ i {\$displaystyle \epsilon _{i}$를 도입했다$.$

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

이 두 공식은 공정의 효과적인 행동의 제한 사례를 기술하는 것으로 생각할 수 있다: 둘 중 하나는 동일한 실험 결과를 기술하는 데 사용될 수 있다. 다양한 중간 행동을 기술하는 다른 공식들은 문헌, 특히 참고문헌 1과 인용문들에서 발견된다.

조건들

타운센드 방전은 제한된 범위의 가스 압력과 전기장 강도에서만 지속할 수 있다. 동봉된 그림은 일정한 압력으로 가스를 채운 튜브의 전압 강하 및 다른 작동 영역의 변화를 보여주지만 전극 사이의 전류는 변화한다. 타운젠드 눈사태 현상은 B-D 경사진 고원에서 발생한다. D 이상에서는 이온화가 지속된다.

높은 압력에서는 이온이 전극 사이의 간격을 통과하기 위해 계산된 시간보다 방전이 더 빠르게 발생하며, 레이더, 미크, 롭의 스파크 방전에 대한 스트림러머 이론을 적용할 수 있다. 매우 균일하지 않은 전기장에서는 코로나 방전 과정이 적용된다. 이러한 메커니즘에 대한 자세한 설명은 전자 눈사태를 참조하십시오.

진공에서 배출하려면 전극 원자의 기화 및 이온화가 필요하다. 아크는 예비 타운젠드 방전 없이 시작할 수 있다. 예를 들어 전극이 접촉한 후 분리되는 경우.

페닝 방전

자기장이 존재하는 경우, 높은 진공 조건에서 눈사태 방출이 발생할 가능성은 페닝 방전이라고 알려진 현상을 통해 증가할 수 있다. 이는 전자가 전위 최소치 내에 갇힐 수 있을 때 발생하며, 따라서 전자의 평균 자유 경로가 확장될 수 있다[Frankle 2014].

적용들

가스방전관

타운젠드 방전 시작은 예열 방전 가스를 채운 튜브가 견딜 수 있는 차단 전압에 대한 상한선을 설정한다. 이 한계는 Townsend 방전 파괴 전압으로 튜브의 점화 전압이라고도 한다.

타운젠드 방전 발생으로 인해 야광 방전 파손은 네온 램프와 같은 기체 방전관의 전류 전압 특성을 S형식의 음의 차동 저항 영역을 갖는 방식으로 형성한다. 음의 저항은 오른쪽 그림에 도식이 표시된 이완 오실레이터에서와 같이 전기 진동과 파형을 생성하는 데 사용할 수 있다. 톱니 모양의 진동은 주파수를 가진다.

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

어디에

• ${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\text{ELOG}}_{}}$ ${\$GLOW$}}$은(는) 예열 방전 파괴 전압이며,
• ${\$$TWN}}$은(는) 타운젠드 방전 파괴 전압이며,
• ${\displaystyle C_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$ ${\displaystyle {R\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$ $V{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$} 각각은 회로의 캐패시턴스, 저항 및 공급 전압이다.

가스 다이오드 및 네온 램프의 특성의 온도와 시간 안정성이 낮고, 또한 고장 전압의 통계적 산포도 높기 때문에, 위의 공식은 진동의 실제 주파수가 무엇인지 정성적 표시만 할 수 있다.

가스 포토튜브

타운센드 방전 중 눈사태 증식은 자연적으로 가스 광튜브에 사용되며, 음극에서 입사 방사선에 의해 발생하는 광전하를 증폭시키기 위해 사용된다. 달성 가능한 전류는 일반적으로 진공 광튜브에 의해 발생하는 전류보다 10~20배 더 크다.

이온화 방사선 검출기

타운센드 눈사태 방전은 가이거-뮐러 튜브 및 비례 계수기와 같은 기체 이온화 검출기(Geiger-Müler tube)의 작동에 기본적이다. 입사 방사선은 기체 매체에 있는 원자나 분자를 이온화시켜 이온 쌍을 생성하지만, 결과적인 눈사태 효과의 검출기 유형에 따라 다른 사용이 이루어진다.

GM 튜브의 경우 전기장 강도가 높으면 단 하나의 이온 쌍이 처음 생성될 때부터 양극을 둘러싼 충진 가스의 완전한 이온화를 유발하기에 충분하다. GM 튜브 출력은 사건이 발생했다는 정보를 전달하지만 사고 방사선의 에너지에 대한 정보는 전달하지 않는다.^[1]

비례 카운터의 경우 음극 근처의 "이온 드리프트" 영역에서 이온 쌍의 다중 생성이 발생한다. 전기장과 실내 기하학을 선택하여 양극과 바로 인접한 곳에 "아발란치 지역"이 생성되도록 한다. 양극을 향해 표류하는 음이온이 이 지역으로 유입되어 다른 이온 쌍으로부터의 눈사태와는 독립적이지만 여전히 곱셈 효과를 제공할 수 있는 국소화된 눈사태를 생성한다. 이러한 방식으로 입사 방사선의 에너지에 대한 분광 정보는 각 개시 사건에서 출력 펄스의 크기에 의해 이용할 수 있다.^[1]

동축 실린더 시스템의 이온화 전류의 변동을 나타낸 그림이다. 이온실 영역에서는 눈사태가 없고 인가된 전압은 재조합을 방지하기 위해 이온을 전극 쪽으로 이동시키는 역할만 한다. 비례 지역에서 국부적 눈사태는 원래 이온화 사건의 수에 수치적으로 비례하는 양극을 바로 둘러싸고 있는 가스 공간에서 발생한다. 전압을 증가시키면 양극 주위의 충진 가스의 전체 부피가 이온화되고 모든 비례 에너지 정보가 손실되는 가이거 지역에 도달할 때까지 눈사태의 수가 더욱 증가한다.^[1] 가이거 지역 외에서는 높은 전기장 강도로 인해 가스가 연속적으로 방출되고 있다.

참고 항목

• 눈사태파괴
• 전호
• 기체 내 전기 방전
• 전자장 방출
• 파센의 법칙
• 광전 효과
• 타운젠드(단위)

메모들

참조

• Little, P. F. (1956). "Secondary effects". In Flügge, Siegfried (ed.). Electron-emission • Gas discharges I. Handbuch der Physik (Encyclopedia of Physics). Vol. XXI. Berlin-Heidelberg-New York City: Springer-Verlag. pp. 574–663..
• Gewartowski, James W.; Watson, Hugh Alexander (1965). Principles of Electron Tubes: Including Grid-controlled Tubes, Microwave Tubes and Gas Tubes. D. Van Nostrand Co., Inc.
• Reich, Herbert J. (1944). Theory and applications of electron tubes (2nd ed.). McGraw-Hill Co., Inc. 11장 "가스의 전기 전도" 및 12장 "광저 및 아크 방전 튜브 및 회로"
• Kuffel, E.; Zaengl, W. S.; Kuffel, J. (2004). High Voltage Engineering Fundamentals (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3634-6.
• Frankle, FM, et al. (2014). "Penning discharge in the KATRIN pre-spectrometer". Journal of Instrumentation. 9 (7): P07028. Bibcode:2014JInst...9P7028F. doi:10.1088/1748-0221/9/07/P07028. Retrieved Dec 15, 2021.

외부 링크

• 눈사태 시 전자 경로를 보여주는 시뮬레이션