En electromagnetismo , la descarga de Townsend o avalancha de Townsend es un proceso de ionización de gases en el que los electrones libres son acelerados por un campo eléctrico , chocan con las moléculas de gas y, en consecuencia, liberan electrones adicionales. Estos electrones, a su vez, son acelerados y liberan electrones adicionales. El resultado es una multiplicación de avalanchas que permite una conducción eléctrica significativamente mayor a través del gas. La descarga requiere una fuente de electrones libres y un campo eléctrico importante ; sin ambos, el fenómeno no ocurre.
La descarga de Townsend lleva el nombre de John Sealy Townsend , quien descubrió el mecanismo fundamental de ionización mediante su trabajo alrededor de 1897 en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.
La avalancha se produce en un medio gaseoso que puede ionizarse (como el aire ). El campo eléctrico y el camino libre medio del electrón deben permitir que los electrones libres adquieran un nivel de energía (velocidad) que pueda provocar la ionización por impacto. Si el campo eléctrico es demasiado pequeño, los electrones no adquieren suficiente energía. Si el camino libre medio es demasiado corto, el electrón cede la energía adquirida en una serie de colisiones no ionizantes. Si el camino libre medio es demasiado largo, entonces el electrón llega al ánodo antes de chocar con otra molécula.
El mecanismo de avalancha se muestra en el diagrama adjunto. El campo eléctrico se aplica a través de un medio gaseoso; Los iones iniciales se crean con radiación ionizante (por ejemplo, rayos cósmicos). Un evento de ionización original produce un par de iones; el ion positivo acelera hacia el cátodo mientras que el electrón libre acelera hacia el ánodo . Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, el electrón libre puede ganar suficiente velocidad (energía) para liberar otro electrón la próxima vez que colisione con una molécula. Luego, los dos electrones libres viajan hacia el ánodo y obtienen suficiente energía del campo eléctrico para provocar más ionizaciones de impacto, y así sucesivamente. Este proceso es efectivamente una reacción en cadena que genera electrones libres. [1] Inicialmente, el número de colisiones crece exponencialmente. El número total de electrones que llegan al ánodo es igual a 2 n, siendo n el número de colisiones, más el único electrón libre que lo inicia. Con el tiempo, esta relación se romperá: el límite de multiplicación en una avalancha de electrones se conoce como límite de Raether .
La avalancha de Townsend puede tener una amplia gama de densidades de corriente. En los tubos llenos de gas comunes , como los utilizados como detectores de ionización gaseosa , las magnitudes de las corrientes que fluyen durante este proceso pueden oscilar entre aproximadamente 10 −18 amperios y aproximadamente 10 −5 amperios. [ cita necesaria ]
Los primeros aparatos experimentales de Townsend consistían en placas planas paralelas que formaban dos lados de una cámara llena de gas . Entre las placas se conectó una fuente de alto voltaje de corriente continua ; la placa inferior era el cátodo mientras que la otra era el ánodo . Obligó al cátodo a emitir electrones utilizando el efecto fotoeléctrico irradiándolo con rayos X , y descubrió que la corriente I que circulaba por la cámara dependía del campo eléctrico entre las placas. Sin embargo, esta corriente mostró un aumento exponencial a medida que los espacios entre las placas se hicieron pequeños [ disputado ] , lo que llevó a la conclusión de que los iones del gas se multiplicaban a medida que se movían entre las placas debido al alto campo eléctrico.
Townsend observó corrientes que variaban exponencialmente en diez o más órdenes de magnitud con un voltaje aplicado constante cuando variaba la distancia entre las placas. También descubrió que la presión del gas influía en la conducción: era capaz de generar iones en gases a baja presión con un voltaje mucho menor que el necesario para generar una chispa. Esta observación anuló el pensamiento convencional sobre la cantidad de corriente que podría conducir un gas irradiado. [2]
Los datos experimentales obtenidos de sus experimentos se describen mediante la siguiente fórmula.
dónde
El voltaje casi constante [ ¿cuál? ] entre las placas es igual al voltaje de ruptura necesario para crear una avalancha autosostenida: disminuye cuando la corriente alcanza el régimen de descarga luminiscente . [ aclaración necesaria ] Experimentos posteriores revelaron que la corriente I aumenta más rápido de lo predicho por la fórmula anterior a medida que aumenta la distancia d : se consideraron dos efectos diferentes para modelar mejor la descarga: iones positivos y emisión catódica.
Townsend propuso la hipótesis de que los iones positivos también producen pares de iones, introduciendo un coeficiente que expresa el número de pares de iones generados por unidad de longitud por un ión positivo ( catión ) que se mueve del ánodo al cátodo . Se encontró la siguiente fórmula
ya que , de muy buen acuerdo con los experimentos.
El primer coeficiente de Townsend (α), también conocido como primer coeficiente de avalancha de Townsend, es un término utilizado cuando se produce ionización secundaria porque los electrones de ionización primaria obtienen suficiente energía del campo eléctrico acelerado o de la partícula ionizante original. El coeficiente da el número de electrones secundarios producidos por el electrón primario por unidad de longitud de trayectoria.
Townsend, Holst y Oosterhuis también propusieron una hipótesis alternativa, considerando la emisión aumentada de electrones por el cátodo provocada por el impacto de iones positivos . Esto introdujo el segundo coeficiente de ionización de Townsend ; el número promedio de electrones liberados desde una superficie por un ion positivo incidente, según la siguiente fórmula:
Se puede pensar que estas dos fórmulas describen casos límite del comportamiento efectivo del proceso: cualquiera de ellas puede usarse para describir los mismos resultados experimentales. En la literatura se encuentran otras fórmulas que describen diversos comportamientos intermedios, particularmente en la referencia 1 y las citas allí.
Una descarga de Townsend sólo puede mantenerse dentro de un rango limitado de presión de gas e intensidad de campo eléctrico. El gráfico adjunto muestra la variación de la caída de voltaje y las diferentes regiones operativas para un tubo lleno de gas con una presión constante, pero una corriente variable entre sus electrodos. El fenómeno de avalancha de Townsend se produce en la meseta inclinada BD. Más allá de D la ionización se mantiene.
A presiones más altas, las descargas ocurren más rápidamente que el tiempo calculado para que los iones atraviesen el espacio entre los electrodos, y es aplicable la teoría de descarga de chispas de Raether , Meek y Loeb. En campos eléctricos muy irregulares se aplica el proceso de descarga en corona . Consulte Avalancha de electrones para obtener una descripción más detallada de estos mecanismos.
Las descargas al vacío requieren la vaporización e ionización de los átomos de los electrodos. Se puede iniciar un arco sin una descarga preliminar de Townsend; por ejemplo, cuando los electrodos se tocan y luego se separan.
En presencia de un campo magnético, la probabilidad de que se produzca una descarga de avalancha en condiciones de alto vacío puede aumentar mediante un fenómeno conocido como descarga de Penning. Esto ocurre cuando los electrones pueden quedar atrapados dentro de un potencial mínimo, extendiendo así el camino libre medio de los electrones [Fränkle 2014].
El inicio de la descarga Townsend establece el límite superior del voltaje de bloqueo que puede soportar un tubo lleno de gas de descarga incandescente . Este límite es el voltaje de ruptura de descarga de Townsend , también llamado voltaje de encendido del tubo.
La aparición de la descarga de Townsend, que conduce a la ruptura de la descarga luminiscente , da forma a la característica corriente-voltaje de un tubo de descarga de gas , como una lámpara de neón, de tal manera que tiene una región de resistencia diferencial negativa del tipo S. La resistencia negativa se puede utilizar para generar oscilaciones eléctricas y formas de onda , como en el oscilador de relajación cuyo esquema se muestra en la imagen de la derecha. La oscilación en forma de diente de sierra generada tiene una frecuencia
La multiplicación de avalanchas durante la descarga de Townsend se utiliza naturalmente en los fototubos de gas para amplificar la carga fotoeléctrica generada por la radiación incidente (luz visible o no) en el cátodo : la corriente alcanzable suele ser entre 10 y 20 veces mayor que la generada por los fototubos de vacío .
Las descargas de avalanchas de Townsend son fundamentales para el funcionamiento de detectores de ionización gaseosa como el tubo Geiger-Müller y el contador proporcional , ya sea para detectar radiación ionizante o medir su energía. La radiación incidente ionizará átomos o moléculas en el medio gaseoso para producir pares de iones, pero cada tipo de detector hace un uso diferente de los efectos de avalancha resultantes.
En el caso de un tubo GM, la alta intensidad del campo eléctrico es suficiente para provocar la ionización completa del gas de relleno que rodea el ánodo a partir de la creación inicial de un solo par de iones. La salida del tubo GM transmite información de que ha ocurrido el evento, pero no información sobre la energía de la radiación incidente. [1]
En el caso de los contadores proporcionales, se produce una creación múltiple de pares de iones en la región de "deriva de iones" cerca del cátodo. Las geometrías del campo eléctrico y de la cámara se seleccionan de modo que se cree una "región de avalancha" en las proximidades inmediatas del ánodo. Un ion negativo que se desplaza hacia el ánodo entra en esta región y crea una avalancha localizada que es independiente de las de otros pares de iones, pero que aún puede proporcionar un efecto de multiplicación. De esta manera se dispone de información espectroscópica sobre la energía de la radiación incidente mediante la magnitud del pulso de salida de cada evento iniciador. [1]
El gráfico adjunto muestra la variación de la corriente de ionización para un sistema de cilindro coaxial. En la región de la cámara de iones no hay avalanchas y el voltaje aplicado solo sirve para mover los iones hacia los electrodos para evitar la recombinación. En la región proporcional, se producen avalanchas localizadas en el espacio de gas inmediatamente alrededor del ánodo que son numéricamente proporcionales al número de eventos ionizantes originales. El aumento del voltaje aumenta aún más el número de avalanchas hasta que se alcanza la región de Geiger, donde se ioniza todo el volumen del gas de relleno alrededor de los ánodos y se pierde toda la información de energía proporcional. [1] Más allá de la zona de Geiger, el gas se descarga continuamente debido a la elevada intensidad del campo eléctrico.
