Una avalancha de electrones es un proceso en el que una serie de electrones libres en un medio de transmisión se someten a una fuerte aceleración por un campo eléctrico y posteriormente chocan con otros átomos del medio, ionizándolos de este modo ( ionización por impacto ). Esto libera electrones adicionales que se aceleran y chocan con otros átomos, liberando más electrones: una reacción en cadena . En un gas , esto hace que la región afectada se convierta en un plasma conductor de electricidad .
El efecto avalancha fue descubierto por John Sealy Townsend en sus trabajos entre 1897 y 1901, y también es conocido como descarga de Townsend .
Las avalanchas de electrones son esenciales para el proceso de ruptura dieléctrica dentro de los gases. El proceso puede culminar en descargas de corona , serpentinas , conductores o en una chispa o arco continuo que puentea completamente la brecha entre los conductores eléctricos que están aplicando el voltaje. El proceso se extiende a enormes chispas: las serpentinas en las descargas de rayos se propagan mediante la formación de avalanchas de electrones creadas en el gradiente de alto potencial delante de las puntas de las serpentinas que avanzan. Una vez iniciadas, las avalanchas a menudo se intensifican mediante la creación de fotoelectrones como resultado de la radiación ultravioleta emitida por los átomos del medio excitado en la región de la punta posterior.
El proceso también se puede utilizar para detectar la radiación ionizante mediante el efecto de multiplicación de gases del proceso de avalancha. Este es el mecanismo de ionización del tubo Geiger-Müller y, en cierta medida, del contador proporcional [1] y también se utiliza en cámaras de chispas y otras cámaras de alambre .
Un plasma comienza con un evento de ionización de "fondo" natural poco común de una molécula de aire neutra, tal vez como resultado de la fotoexcitación o la radiación de fondo . Si este evento ocurre dentro de un área que tiene un gradiente de potencial alto , el ion con carga positiva será fuertemente atraído hacia, o repelido lejos de, un electrodo dependiendo de su polaridad, mientras que el electrón será acelerado en la dirección opuesta. Debido a la enorme diferencia de masa, los electrones son acelerados a una velocidad mucho mayor que los iones.
Los electrones de alta velocidad a menudo chocan con átomos neutros de manera inelástica, a veces ionizándolos. En una reacción en cadena —o una "avalancha de electrones"—, los electrones adicionales recientemente separados de sus iones positivos por el fuerte gradiente de potencial, hacen que se genere momentáneamente una gran nube de electrones e iones positivos a partir de un solo electrón inicial. Sin embargo, los electrones libres son capturados fácilmente por moléculas neutras de oxígeno o vapor de agua (los llamados gases electronegativos ), formando iones negativos. En el aire a STP , los electrones libres existen solo unos 11 nanosegundos antes de ser capturados. Los electrones capturados se eliminan efectivamente del juego: ya no pueden contribuir al proceso de avalancha. Si los electrones se crean a un ritmo mayor que el que se pierden para capturarlos, su número se multiplica rápidamente, un proceso que se caracteriza por un crecimiento exponencial . El grado de multiplicación que este proceso puede proporcionar es enorme, hasta varios millones de veces según la situación. El factor de multiplicación M viene dado por
Donde X 1 y X 2 son las posiciones entre las que se mide la multiplicación y α es la constante de ionización. En otras palabras, un electrón libre en la posición X 1 dará como resultado M electrones libres en la posición X 2. Sustituyendo los gradientes de voltaje en esta ecuación, se obtiene
Donde V es el voltaje aplicado, V BR es el voltaje de ruptura y n es un valor derivado empíricamente entre 2 y 6. Como se puede ver en esta fórmula, el factor de multiplicación depende en gran medida del voltaje aplicado y, a medida que el voltaje se acerca al voltaje de ruptura del material, el factor de multiplicación se acerca al infinito y el factor limitante se convierte en la disponibilidad de portadores de carga.
Para que se produzca una avalancha es necesario contar con un depósito de carga que mantenga el voltaje aplicado, así como una fuente continua de eventos desencadenantes. Varios mecanismos pueden sostener este proceso, creando avalancha tras avalancha, para crear una corriente de corona . Se requiere una fuente secundaria de electrones de plasma , ya que los electrones siempre son acelerados por el campo en una dirección, lo que significa que las avalanchas siempre avanzan linealmente hacia un electrodo o se alejan de él . El mecanismo dominante para la creación de electrones secundarios depende de la polaridad de un plasma. En cada caso, la energía emitida en forma de fotones por la avalancha inicial se utiliza para ionizar una molécula de gas cercana y crear otro electrón acelerable. Lo que difiere es la fuente de este electrón. Cuando se producen una o más avalanchas de electrones entre dos electrodos de tamaño suficiente, puede producirse una ruptura completa de la avalancha , que culmina en una chispa eléctrica que cierra la brecha.
