خروج تاونسند

الموسوعة الحرة
تأثير الانهيار الجليدي في الغاز المعرض للإشعاع المؤين بين قطبين كهربائيين . يؤدي حدث التأين الأولي إلى تحرير إلكترون واحد، وكل تصادم لاحق يحرر إلكترونًا آخر، لذا يخرج إلكترونان من كل تصادم للحفاظ على الانهيار الجليدي.

في الكهرومغناطيسية ، يُعدّ تفريغ تاونسند أو انهيار تاونسند عملية تأين للغازات ، حيث تتسارع الإلكترونات الحرة بفعل مجال كهربائي ، فتصطدم بجزيئات الغاز، مما يؤدي إلى تحرير إلكترونات إضافية. بدورها، تتسارع هذه الإلكترونات وتُحرر إلكترونات أخرى. والنتيجة هي تضاعف متسلسل يسمح بزيادة ملحوظة في التوصيل الكهربائي عبر الغاز. يتطلب هذا التفريغ مصدرًا للإلكترونات الحرة ومجالًا كهربائيًا قويًا ؛ وبدون كليهما، لا تحدث هذه الظاهرة.

سُميت ظاهرة تفريغ تاونسند نسبة إلى جون سيلي تاونسند ، الذي اكتشف آلية التأين الأساسية من خلال عمله في حوالي عام 1897 في مختبر كافنديش ، كامبريدج.

وصف عام

يحدث الانهيار الجليدي في وسط غازي قابل للتأين (مثل الهواء ). يجب أن يسمح المجال الكهربائي ومتوسط ​​المسار الحر للإلكترونات الحرة باكتساب مستوى طاقة (سرعة) كافيًا لإحداث تأين تصادمي. إذا كان المجال الكهربائي ضعيفًا جدًا، فلن تكتسب الإلكترونات طاقة كافية. إذا كان متوسط ​​المسار الحر قصيرًا جدًا، فإن الإلكترون يفقد طاقته المكتسبة في سلسلة من التصادمات غير المؤينة. أما إذا كان متوسط ​​المسار الحر طويلًا جدًا، فإن الإلكترون يصل إلى المصعد قبل أن يصطدم بجزيء آخر.

يوضح الرسم التخطيطي المرفق آلية الانهيار الإلكتروني. يُطبَّق مجال كهربائي عبر وسط غازي؛ فتتولد الأيونات الأولية بفعل الإشعاع المؤين (مثل الأشعة الكونية ). ينتج عن حدث التأين الأولي زوج أيوني؛ يتسارع الأيون الموجب نحو المهبط بينما يتسارع الإلكترون الحر نحو المصعد . إذا كان المجال الكهربائي قويًا بما يكفي، فإن الإلكترون الحر يكتسب سرعة (طاقة) كافية لتحرير إلكترون آخر عند اصطدامه التالي بجزيء. ثم ينتقل الإلكترونان الحران نحو المصعد ويكتسبان طاقة كافية من المجال الكهربائي لإحداث المزيد من التأينات التصادمية، وهكذا. تُعد هذه العملية تفاعلًا متسلسلًا يُولِّد إلكترونات حرة. [ 1 ] في البداية، يزداد عدد التصادمات أُسِّيًا، ولكن في النهاية، ستنهار هذه العلاقة - يُعرف حد التكاثر في الانهيار الإلكتروني بحد رايثر .

يمكن أن يكون لانهيار تاونسند نطاق واسع من كثافات التيار. في الأنابيب الشائعة المملوءة بالغاز ، مثل تلك المستخدمة ككاشفات تأين غازية ، يمكن أن تتراوح مقادير التيارات المتدفقة أثناء هذه العملية من حوالي 10⁻¹⁸ إلى 10⁻⁵ أمبير .

الوصف الكمي

تألف جهاز تاونسند التجريبي المبكر من لوحين متوازيين مستويين يشكلان جانبين من حجرة مملوءة بغاز . وُصِلَ مصدر تيار مستمر عالي الجهد بين اللوحين، حيث كان اللوح ذو الجهد المنخفض بمثابة المهبط ، واللوح ذو الجهد العالي بمثابة المصعد . أجبر تاونسند المهبط على إطلاق الإلكترونات باستخدام التأثير الكهروضوئي عن طريق تعريضه للأشعة السينية ، ووجد أن التيار المتدفق عبر الحجرة يعتمد على المجال الكهربائي بين اللوحين. ومع ذلك، أظهر هذا التيار زيادة أسية مع تناقص المسافة بين اللوحين ، مما أدى إلى استنتاج مفاده أن أيونات الغاز تتكاثر أثناء انتقالها بين اللوحين بفعل المجال الكهربائي العالي.

لاحظ تاونسند تغير التيارات بشكل أُسّي على مدى عشرة أضعاف أو أكثر مع تطبيق جهد ثابت عند تغيير المسافة بين اللوحين. كما اكتشف أن ضغط الغاز يؤثر على التوصيل: فقد تمكن من توليد أيونات في الغازات ذات الضغط المنخفض بجهد أقل بكثير من الجهد اللازم لتوليد شرارة. قلبت هذه الملاحظة المفاهيم التقليدية حول مقدار التيار الذي يمكن أن يوصله غاز مُشعّع. [ 2 ]

تُوصف البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها من تجاربه بالصيغة التالية

أناأنا0=هـαند،{\displaystyle {\frac {I}{I_{0}}}=e^{\alpha _{n}d},\,}

أين

الجهد شبه الثابت بين اللوحين يساوي جهد الانهيار اللازم لإحداث انهيار متواصل ذاتيًا: وهو يتناقص عندما يصل التيار إلى مرحلة التفريغ المتوهج . وكشفت تجارب لاحقة أن التيار I يرتفع أسرع مما تنبأت به الصيغة المذكورة أعلاه مع ازدياد المسافة d ؛ وقد أُخذ تأثيران مختلفان في الاعتبار لتحسين نمذجة التفريغ: الأيونات الموجبة وانبعاث الكاثود.

تأين الغاز الناتج عن حركة الأيونات الموجبة

طرح تاونسند فرضية مفادها أن الأيونات الموجبة تنتج أيضًا أزواجًا أيونية، وقدم معاملًاαص{\displaystyle \alpha _{p}}يعبّر عن عدد أزواج الأيونات المتولدة لكل وحدة طول بواسطة أيون موجب ( كاتيون ) ينتقل من المصعد إلى المهبط . وقد تم التوصل إلى الصيغة التالية:

أناأنا0=(αن-αص)هـ(αن-αص)دαن-αصهـ(αن-αص)د⟹أناأنا0≅هـαند1-(αص/αن)هـαند\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}}}}

منذαص≪αن{\displaystyle \alpha _{p}\ll \alpha _{n}}، وهو ما يتوافق بشكل جيد جداً مع التجارب.

معامل تاونسند الأول (α)، المعروف أيضًا بمعامل انهيار تاونسند الأول ، هو مصطلح يُستخدم عند حدوث التأين الثانوي نتيجة اكتساب إلكترونات التأين الأولي طاقة كافية من المجال الكهربائي المتسارع، أو من الجسيم المؤين الأصلي. يُعطي هذا المعامل عدد الإلكترونات الثانوية الناتجة عن الإلكترون الأولي لكل وحدة طول مسار.

انبعاث الكاثود الناتج عن اصطدام الأيونات

كما طرح تاونسند وهولست وأوسترهويس فرضية بديلة، تأخذ في الاعتبار زيادة انبعاث الإلكترونات من المهبط نتيجة اصطدام الأيونات الموجبة . وقد أدى ذلك إلى ظهور معامل التأين الثاني لتاونسند.ϵأنا{\displaystyle \epsilon _{i}}، وهو متوسط ​​عدد الإلكترونات المنبعثة من سطح ما بواسطة أيون موجب ساقط، وفقًا للصيغة

أناأنا0=هـαند1-ϵأنا(هـαند-1).{\displaystyle {\frac {I}{I_{0}}}={\frac {e^{\alpha _{n}d}}{1-{\epsilon _{i}}\left(e^{\alpha _{n}d}-1\right)}}.}

يمكن اعتبار هاتين الصيغتين بمثابة وصف لحالات حدية للسلوك الفعال للعملية: إذ يمكن استخدام أي منهما لوصف النتائج التجريبية نفسها. وتوجد صيغ أخرى تصف سلوكيات وسيطة مختلفة في المراجع، ولا سيما في المرجع 1 وما ورد فيه من اقتباسات.

شروط

خصائص الجهد والتيار للتفريغ الكهربائي في النيون عند ضغط 1 تور، باستخدام قطبين مستويين يفصل بينهما 50  سم. أ: نبضات عشوائية ناتجة عن الإشعاع الكوني. ب: تيار التشبع. ج: تفريغ تاونسند الانهياري. د: تفريغ تاونسند ذاتي الاستدامة . هـ: منطقة غير مستقرة: تفريغ الهالة. و: تفريغ توهج دون المستوى الطبيعي. ز: تفريغ توهج طبيعي. ح: تفريغ توهج غير طبيعي . ط : منطقة غير مستقرة: انتقال التوهج إلى القوس الكهربائي. ي: قوس كهربائي. ك: قوس كهربائي. المنطقة أ-د: تفريغ مظلم ؛ يحدث تأين، التيار أقل من 10 ميكروأمبير. المنطقة و-ح: تفريغ توهج ؛ ينبعث من البلازما توهج خافت. المنطقة ط-ك: تفريغ القوس الكهربائي ؛ يتم إنتاج كميات كبيرة من الإشعاع.

لا يمكن استمرار تفريغ تاونسند إلا ضمن نطاق محدود من ضغط الغاز وشدة المجال الكهربائي. يوضح الرسم البياني المرفق تغير انخفاض الجهد ومناطق التشغيل المختلفة لأنبوب مملوء بالغاز بضغط ثابت، ولكن بتيار متغير بين قطبيه. تحدث ظاهرة انهيار تاونسند على الهضبة المائلة BD. بعد النقطة D، يستمر التأين.

عند الضغوط العالية، تحدث التفريغات الكهربائية بسرعة أكبر من الزمن المحسوب لعبور الأيونات الفجوة بين الأقطاب، وتنطبق نظرية التفريغ الشراري لرايثر وميك ولوب. في المجالات الكهربائية غير المنتظمة، تنطبق عملية التفريغ الإكليلي . انظر إلى انهيار الإلكترونات لمزيد من التفاصيل حول هذه الآليات.

تتطلب التفريغات في الفراغ تبخير وتأين ذرات الأقطاب الكهربائية. ويمكن بدء القوس الكهربائي دون حدوث تفريغ تاونسند تمهيدي، على سبيل المثال عندما تتلامس الأقطاب الكهربائية ثم تنفصل.

إطلاق سراح بينينغ

في وجود مجال مغناطيسي ، يمكن زيادة احتمالية حدوث تفريغ انهياري في ظروف الفراغ العالي من خلال ظاهرة تُعرف باسم تفريغ بنينغ. يحدث هذا عندما تُحاصر الإلكترونات داخل حد أدنى من الجهد، مما يؤدي إلى إطالة متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات [فرانكل 2014].

التطبيقات

أنابيب تفريغ الغاز

يُحدد بدء تفريغ تاونزند الحد الأقصى لجهد الحجب الذي يمكن أن يتحمله أنبوب مملوء بغاز التفريغ المتوهج . هذا الحد هو جهد انهيار تفريغ تاونزند ، ويُسمى أيضًا جهد اشتعال الأنبوب.

مذبذب استرخاء مصباح النيون/ثنائي غاز الكاثود البارد

يؤدي حدوث تفريغ تاونسند، الذي ينتج عنه انهيار التفريغ المتوهج ، إلى تشكيل خصائص التيار-الجهد لأنبوب تفريغ الغاز، مثل مصباح النيون، بحيث يحتوي على منطقة مقاومة تفاضلية سالبة من النوع S. يمكن استخدام هذه المقاومة السالبة لتوليد تذبذبات وأشكال موجية كهربائية ، كما هو الحال في مذبذب الاسترخاء الموضح رسمه التخطيطي في الصورة على اليمين. يتميز التذبذب الناتج، ذو الشكل المنشاري، بتردد معين.

و≅1R1ج1ln⁡V1-VيشعV1-Vبلدة،{\displaystyle f\cong {\frac {1}{R_{1}C_{1}\ln {\frac {V_{1}-V_{\text{GLOW}}}{V_{1}-V_{\text{TWN}}}}}},}

أين

نظراً لانخفاض استقرار درجة الحرارة والوقت لخصائص الثنائيات الغازية ومصابيح النيون ، وارتفاع التشتت الإحصائي لفولتية الانهيار، فإن الصيغة المذكورة أعلاه لا يمكن أن تعطي سوى مؤشر نوعي لما هو التردد الحقيقي للتذبذب.

أنابيب ضوئية غازية

يستخدم التضاعف الانهياري أثناء تفريغ تاونسند بشكل طبيعي في الأنابيب الضوئية الغازية ، لتضخيم الشحنة الكهروضوئية الناتجة عن الإشعاع الساقط (ضوء مرئي أو غير مرئي) على الكاثود : التيار الذي يمكن تحقيقه عادة ما يكون أكبر بمقدار 10 إلى 20 مرة مقارنة بالتيار الناتج عن الأنابيب الضوئية المفرغة .

كاشفات الإشعاع المؤين

رسم بياني لتغير تيار التأين مقابل الجهد المطبق لكاشف الإشعاع الغازي ذي الأسطوانة السلكية المحورية.

تُعدّ تفريغات تاونسند الانهيارية أساسيةً لعمل كواشف التأين الغازية ، مثل أنبوب جايجر-مولر والعداد النسبي ، سواءً في الكشف عن الإشعاع المؤين أو قياس طاقته. يُؤيّن الإشعاع الساقط الذرات أو الجزيئات في الوسط الغازي مُنتجًا أزواجًا أيونية، ولكن تختلف طريقة استخدام تأثيرات الانهيار الناتجة باختلاف نوع الكاشف.

في حالة أنبوب جايجر-مولر، تكون شدة المجال الكهربائي العالية كافية لإحداث تأين كامل للغاز المحيط بالمصعد، وذلك بمجرد تكوين زوج أيوني واحد. يحمل خرج أنبوب جايجر-مولر معلومات تفيد بوقوع الحدث، ولكنه لا يحمل أي معلومات عن طاقة الإشعاع الساقط. [ 1 ]

في حالة العدادات التناسبية، يحدث تكوين متعدد لأزواج الأيونات في منطقة "انجراف الأيونات" بالقرب من المهبط. يتم اختيار المجال الكهربائي وهندسة الحجرة بحيث تتكون "منطقة انهيار" في جوار المصعد مباشرةً. يدخل أيون سالب ينجرف نحو المصعد هذه المنطقة، مُحدثًا انهيارًا موضعيًا مستقلًا عن الانهيارات الناتجة عن أزواج الأيونات الأخرى، ولكنه مع ذلك يُمكن أن يُحدث تأثيرًا مضاعفًا. وبهذه الطريقة، تتوفر معلومات طيفية حول طاقة الإشعاع الساقط من خلال مقدار نبضة الخرج الناتجة عن كل حدث بدء. [ 1 ]

يُظهر الرسم البياني المرفق تغير تيار التأين لنظام أسطوانة متحدة المحور. في منطقة غرفة التأين، لا تحدث انهيارات، ويقتصر دور الجهد المطبق على تحريك الأيونات نحو الأقطاب الكهربائية لمنع إعادة التركيب. في المنطقة التناسبية، تحدث انهيارات موضعية في حيز الغاز المحيط مباشرةً بالمصعد، وتتناسب عدديًا مع عدد أحداث التأين الأصلية. يؤدي رفع الجهد إلى زيادة عدد الانهيارات حتى الوصول إلى منطقة جايجر، حيث يتأين كامل حجم غاز التعبئة المحيط بالمصاعد، وتُفقد جميع معلومات الطاقة التناسبية. [ 1 ] خارج منطقة جايجر، يكون الغاز في حالة تفريغ مستمر نتيجةً لشدة المجال الكهربائي العالية.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. 1 2 3 4 غلين ف. نول. الكشف عن الإشعاع وقياسه ، الطبعة الثالثة 2000. جون وايلي وأولاده، ISBN 0-471-07338-5
  2. ↑ جون سيلي إدوارد تاونسند. 1868-1957 بقلم أ. فون إنجل. مذكرات سيرة ذاتية لزملاء الجمعية الملكية. 1957 3، 256-272

مراجع