टाउनसेंड डिस्चार्ज

दो प्लेट इलेक्ट्रोड के बीच आयनीकरण विकिरण के अधीन गैस में हिमस्खलन प्रभाव। मूल आयनीकरण घटना एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करती है, और प्रत्येक बाद की टक्कर एक और इलेक्ट्रॉन को मुक्त करती है, इसलिए हिमस्खलन को बनाए रखने के लिए प्रत्येक टक्कर से दो इलेक्ट्रॉन निकलते हैं।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म में, टाउनसेंड डिस्चार्ज या टाउनसेंड हिमस्खलन गैसों के लिए एक आयनीकरण प्रक्रिया है जहां एक विद्युत क्षेत्र द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों को त्वरित किया जाता है, गैस के अणुओं से टकराते हैं, और परिणामस्वरूप अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करते हैं। वे इलेक्ट्रॉन बदले में त्वरित होते हैं और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करते हैं। नतीजा एक हिमस्खलन टूटना है जो गैस के माध्यम से विद्युत चालन की अनुमति देता है। निर्वहन के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों के स्रोत और एक महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है; दोनों के बिना, घटना घटित नहीं होती है।

टाउनसेंड डिस्चार्ज का नाम जॉन सीली टाउनसेंड के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने कैंब्रिज के कैवेंडिश प्रयोगशाला में 1897 के आसपास अपने काम से मौलिक आयनीकरण तंत्र की खोज की थी।

घटना का सामान्य विवरण

हिमस्खलन एक गैसीय माध्यम में होता है जो आयनीकरण (जैसे वायु) हो सकता है। विद्युत क्षेत्र और इलेक्ट्रॉन के औसत मुक्त पथ को मुक्त इलेक्ट्रॉनों को एक ऊर्जा स्तर (वेग) प्राप्त करने की अनुमति देनी चाहिए जो प्रभाव आयनीकरण का कारण बन सके। यदि विद्युत क्षेत्र बहुत छोटा है, तो इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त नहीं कर पाते हैं। यदि औसत मुक्त पथ बहुत छोटा है, तो इलेक्ट्रॉन गैर-आयनीकरण टकरावों की एक श्रृंखला में अपनी अधिग्रहीत ऊर्जा छोड़ देता है। यदि माध्य मुक्त पथ बहुत लंबा है, तो इलेक्ट्रॉन दूसरे अणु से टकराने से पहले एनोड तक पहुँच जाता है।

हिमस्खलन तंत्र को साथ के आरेख में दिखाया गया है। विद्युत क्षेत्र एक गैसीय माध्यम में लगाया जाता है; प्रारंभिक आयनों को आयनकारी विकिरण (उदाहरण के लिए, ब्रह्मांडीय किरणें) के साथ बनाया जाता है। एक मूल आयनन घटना एक आयन युग्म उत्पन्न करती है; धनात्मक आयन कैथोड की ओर गति करता है जबकि मुक्त इलेक्ट्रॉन एनोड की ओर गति करता है। यदि विद्युत क्षेत्र काफी शक्तिशाली है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन एक अणु के साथ अगली बार टकराने पर दूसरे इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए पर्याप्त वेग (ऊर्जा) प्राप्त कर सकता है। दो मुक्त इलेक्ट्रॉन फिर एनोड की ओर यात्रा करते हैं और विद्युत क्षेत्र से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं जिससे आगे के आयनीकरण हो जाते हैं, और इसी तरह। यह प्रक्रिया प्रभावी रूप से गैसों में एक चेन प्रतिक्रिया या इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन है जो मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है। प्रारंभ में, टक्करों की संख्या तेजी से बढ़ती है। एनोड तक पहुंचने वाले इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या 2ⁿ के सामान्य होती है n टक्करों की संख्या के साथ ही एकल आरंभ करने वाला मुक्त इलेक्ट्रॉन है। अंततः, यह संबंध टूट जाएगा - एक इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन में गुणन की सीमा को रैथर सीमा के रूप में जाना जाता है।

टाउनसेंड हिमस्खलन में वर्तमान घनत्व की एक बड़ी श्रृंखला हो सकती है। सामान्य गैस से भरी नलियों में, जैसे कि गैसीय आयनीकरण संसूचक के रूप में उपयोग किए जाने वाले, इस प्रक्रिया के समय प्रवाहित होने वाली धाराओं का परिमाण लगभग 10^-18 एम्पीयर से लेकर लगभग 10⁻⁵ एम्पीयर तक हो सकता है

घटना का मात्रात्मक विवरण

टाउनसेंड के प्रारंभिक प्रायोगिक तंत्र में एक गैस से भरे कक्ष के दो किनारों को बनाने वाली प्लानर समानांतर प्लेटें सम्मिलित थीं। प्लेटों के बीच एक प्रत्यक्ष वर्तमान उच्च-वोल्टेज स्रोत जुड़ा हुआ था; निचला वोल्टेज प्लेट कैथोड था जबकि दूसरा एनोड था। उन्होंने कैथोड को एक्स-रे के साथ विकिरणित करके प्रकाश विद्युत प्रभाव का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए विवश किया, और उन्होंने पाया कि वर्तमान I कक्ष से होकर बहना प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र पर निर्भर करता है। चूँकि , इस धारा ने एक घातीय वृद्धि दिखाई क्योंकि प्लेट अंतराल छोटे हो गए, जिससे यह निष्कर्ष निकलता है कि उच्च विद्युत क्षेत्र के कारण प्लेटों के बीच गति करते समय गैस आयन गुणा कर रहे थे।

टाउनसेंड ने देखा कि प्लेटों के बीच की दूरी भिन्न होने पर एक निरंतर प्रयुक्त वोल्टेज के साथ परिमाण के दस या अधिक आदेशों में तेजी से भिन्न होती है। उन्होंने यह भी पता लगाया कि गैस के दबाव ने चालन को प्रभावित किया: वह चिंगारी उत्पन्न करने के लिए आवश्यक वोल्टेज की तुलना में बहुत कम वोल्टेज के साथ कम दबाव पर गैसों में आयन उत्पन्न करने में सक्षम थे। इस अवलोकन ने पारंपरिक सोच को उलट दिया कि वर्तमान की मात्रा एक विकिरणित गैस का संचालन कर सकती है।

उनके प्रयोगों से प्राप्त प्रायोगिक आँकड़ों का वर्णन निम्न सूत्र द्वारा किया गया है

${\frac {I}{I_{0}}}=e^{\alpha _{n}d},\,$

जहाँ

• I उपकरण में प्रवाहित होने वाली धारा है,
• I₀ कैथोड सतह पर उत्पन्न फोटो इलेक्ट्रिक धारा है,
• e e (गणितीय स्थिरांक) है|यूलर की संख्या
• α_n पहला टाउनसेंड आयनाइजेशन गुणांक है, जो कैथोड से एनोड तक जाने वाले ऋणात्मक आयन (आयन) द्वारा प्रति ईकाई लंबाई (जैसे मीटर) उत्पन्न आयन जोड़े की संख्या को व्यक्त करता है,
• d उपकरण की प्लेटों के बीच की दूरी है।

वह लगभग निरंतर वोल्टेज प्लेटों के बीच एक आत्मनिर्भर हिमस्खलन बनाने के लिए आवश्यक ब्रेकडाउन वोल्टेज के सामान्य है: यह तब घटता है जब धारा चमक निर्वहन शासन तक पहुँचता है। बाद के प्रयोगों से पता चला कि दूरी d बढ़ने पर वर्तमान I उपरोक्त सूत्र द्वारा पूर्वानुमान की तुलना में तेजी से बढ़ता है डिस्चार्ज को उत्तम मॉडल बनाने के लिए दो अलग-अलग प्रभावों पर विचार किया गया: सकारात्मक आयन और कैथोड उत्सर्जन है।

सकारात्मक आयनों की गति के कारण गैस आयनीकरण

टाउनसेंड ने परिकल्पना को आगे बढ़ाया कि सकारात्मक आयन भी आयन जोड़े का उत्पादन करते हैं, एक गुणांक $\alpha _{p}$ प्रस्तुत करते हैं एनोड से कैथोड तक जाने वाले सकारात्मक आयन (धनायन) द्वारा प्रति ईकाई लंबाई उत्पन्न आयन जोड़े की संख्या व्यक्त करना। निम्न सूत्र प्राप्त है

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

तब से $\alpha _{p}\ll \alpha _{n}$प्रयोगों के साथ बहुत अच्छे स्वीकृति में।

प्रथम टाउनसेंड गुणांक ( α ), जिसे प्रथम टाउनसेंड हिमस्खलन गुणांक के रूप में भी जाना जाता है, एक शब्द का प्रयोग किया जाता है जहां द्वितीयक आयनीकरण होता है क्योंकि प्राथमिक आयनीकरण इलेक्ट्रॉन त्वरित विद्युत क्षेत्र से या मूल आयनीकरण कण से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। गुणांक प्राथमिक इलेक्ट्रॉन प्रति ईकाई पथ लंबाई द्वारा उत्पादित माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों की संख्या देता है।

आयनों के प्रभाव के कारण कैथोड उत्सर्जन

टाउनसेंड, होल्स्ट और ओस्टरहुइस ने सकारात्मक आयनों के प्रभाव के कारण कैथोड द्वारा इलेक्ट्रॉनों के द्वितीयक उत्सर्जन पर विचार करते हुए एक वैकल्पिक परिकल्पना भी सामने रखी है । इसने टाउनसेंड का दूसरा आयनीकरण गुणांक प्रस्तुत किया $\epsilon _{i}$; निम्न सूत्र के अनुसार एक घटना सकारात्मक आयन द्वारा सतह से जारी इलेक्ट्रॉनों की औसत संख्या:

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

इन दो सूत्रों को प्रक्रिया के प्रभावी व्यवहार के सीमित स्थिति का वर्णन करने के रूप में सोचा जा सकता है: या तो समान प्रयोगात्मक परिणामों का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। विभिन्न मध्यवर्ती व्यवहारों का वर्णन करने वाले अन्य सूत्र साहित्य, विशेष रूप से संदर्भ 1 और उसके उद्धरणों में पाए जाते हैं।।

नियम

50 cm द्वारा अलग किए गए दो प्लानर इलेक्ट्रोड के साथ 1 Torr पर नियॉन में विद्युत निर्वहन की वोल्टेज-वर्तमान विशेषताएं।
A: ब्रह्मांडीय विकिरण द्वारा यादृच्छिक स्पंदन
बी: संतृप्ति वर्तमान
सी: हिमस्खलन टाउनसेंड डिस्चार्ज
डी: आत्मनिर्भर टाउनसेंड डिस्चार्ज
ई: अस्थिर क्षेत्र: कोरोना डिस्चार्ज
एफ: उप-सामान्य चमक निर्वहन
जी: सामान्य चमक निर्वहन
एच: असामान्य चमक निर्वहन
I: अस्थिर क्षेत्र: चमक-चाप संक्रमण
जे: इलेक्ट्रिक आर्क
K: विद्युत चाप
ए-डी क्षेत्र: डार्क डिस्चार्ज; आयनीकरण होता है, धारा 10 माइक्रोएम्प्स से कम होता है।
एफएच क्षेत्र: चमक निर्वहन; प्लाज्मा एक फीकी चमक का उत्सर्जन करता है।
आई-के क्षेत्र: आर्क डिस्चार्ज; बड़ी मात्रा में विकिरण उत्पन्न हुआ।

एक टाउनसेंड डिस्चार्ज को गैस के दबाव और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता की सीमित सीमा पर ही बनाए रखा जा सकता है। साथ में प्लॉट एक स्थिर दबाव के साथ गैस से भरे ट्यूब के लिए वोल्टेज ड्रॉप और विभिन्न संचालक क्षेत्रों की भिन्नता को दर्शाता है, किंतु इसके इलेक्ट्रोड के बीच एक अलग धारा है। टाउनसेंड हिमस्खलन घटनाएं ढलान वाले पठार बी-डी पर होती हैं। डी से परे आयनीकरण कायम है।

उच्च दबावों पर, इलेक्ट्रोड के बीच की खाई को पार करने के लिए आयनों के लिए परिकलित समय की तुलना में डिस्चार्ज अधिक तेजी से होता है, और हेंज राएदर, मीक, और लोएब के स्पार्क डिस्चार्ज का स्ट्रीमर सिद्धांत प्रयुक्त होता है। अत्यधिक गैर-समान विद्युत क्षेत्रों में, कोरोना डिस्चार्ज प्रक्रिया प्रयुक्त होती है। इन तंत्रों के अधिक विवरण के लिए इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन देखें।

निर्वात में निर्वहन के लिए इलेक्ट्रोड परमाणुओं के वाष्पीकरण और आयनीकरण की आवश्यकता होती है। प्रारंभिक टाउनसेंड डिस्चार्ज के बिना एक आर्क प्रारंभ किया जा सकता है; उदाहरण के लिए जब इलेक्ट्रोड स्पर्श करते हैं और फिर अलग हो जाते हैं।

पेनिंग डिस्चार्ज

एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, उच्च निर्वात स्थितियों के तहत हिमस्खलन निर्वहन की संभावना को पेनिंग डिस्चार्ज के रूप में जाना जाने वाली घटना के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है। यह तब होता है जब इलेक्ट्रॉन एक संभावित न्यूनतम के अंदर फंस सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों के औसत मुक्त पथ का विस्तार होता है [फ्रैंकल 2014]।

अनुप्रयोग

गैस-डिस्चार्ज ट्यूब

टाउनसेंड डिस्चार्ज की प्रारंभ वोल्टेज की ऊपरी सीमा निर्धारित करती है, एक ग्लो डिस्चार्ज गैस से भरी ट्यूब सहन कर सकती है। यह सीमा टाउनसेंड डिस्चार्ज ब्रेकडाउन वोल्टेज है, जिसे ट्यूब का प्रज्वलन वोल्टेज भी कहा जाता है।

नियॉन लैंप/कोल्ड-कैथोड गैस डायोड विश्राम थरथरानवाला

टाउनसेंड डिस्चार्ज की घटना, जिससे ग्लो डिस्चार्ज ब्रेकडाउन होता है, गैस-डिस्चार्ज ट्यूब की धारा -वोल्टेज विशेषता जैसे कि नीयन दीपक को इस तरह से आकार देता है कि इसमें एस-टाइप का एक ऋणात्मक अंतर प्रतिरोध क्षेत्र होता है। ऋणात्मक प्रतिरोध का उपयोग विद्युत दोलनों और तरंग को उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है, जैसा कि विश्राम दोलक में होता है जिसका योजनाबद्ध चित्र दाईं ओर दिखाया गया है। आरी के आकार के दोलन की आवृत्ति होती है

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

जहाँ

• $V_{\text{GLOW}}$ ग्लो डिस्चार्ज ब्रेकडाउन वोल्टेज है,
• $V_{\text{TWN}}$ टाउनसेंड डिस्चार्ज ब्रेकडाउन वोल्टेज है,
• $C_{1}$, $R_{1}$ और $V_{1}$ क्रमशः समाई, विद्युत प्रतिरोध और परिपथ की आपूर्ति वोल्टेज हैं।

चूंकि गैस डायोड और नियॉन लैंप की विशेषताओं का तापमान और समय स्थिरता कम है, और ब्रेकडाउन वोल्टेज का सांख्यिकीय फैलाव भी अधिक है, उपरोक्त सूत्र मात्र गुणात्मक संकेत दे सकता है कि दोलन की वास्तविक आवृत्ति क्या है।

गैस फोटोट्यूब

टाउनसेंड डिस्चार्ज के समय हिमस्खलन टूटने का स्वाभाविक रूप से फोटोट्यूब में उपयोग किया जाता है, कैथोड पर घटना विकिरण (दृश्यमान प्रकाश या नहीं) द्वारा उत्पन्न फोटोइलेक्ट्रिकआवेश को बढ़ाने के लिए: प्राप्य वर्तमान सामान्यतः फोटोट्यूब द्वारा उत्पन्न 10 ~ 20 गुना अधिक होता है।

आयनीकरण विकिरण संसूचक

एक सह-अक्षीय तार सिलेंडर गैसीय विकिरण संसूचक के लिए प्रयुक्त वोल्टेज के विरुद्ध आयनीकरण वर्तमान की भिन्नता का प्लॉट।

टाउनसेंड एवलांच डिस्चार्ज गैसीय आयनीकरण संसूचक के संचालन के लिए मौलिक हैं जैसे कि गीजर-मुलर ट्यूब और आनुपातिक काउंटर या तो आयनकारी विकिरण का पता लगाने या इसकी ऊर्जा को मापने में घटना विकिरण आयन जोड़े बनाने के लिए गैसीय माध्यम में परमाणुओं या अणुओं को आयनित करेगा, किंतु परिणामी हिमस्खलन प्रभावों के प्रत्येक संसूचक प्रकार द्वारा अलग-अलग उपयोग किया जाता है।

जीएम ट्यूब के स्थिति में उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत मात्र एक आयन जोड़ी के प्रारंभिक निर्माण से एनोड के आसपास भरण गैस के पूर्ण आयनीकरण का कारण बनने के लिए पर्याप्त है। जीएम ट्यूब आउटपुट में यह जानकारी होती है कि घटना घटी है, किंतु घटना विकिरण की ऊर्जा के बारे में कोई जानकारी नहीं है।

आनुपातिक काउंटरों के स्थिति में, कैथोड के पास आयन बहाव क्षेत्र में आयन जोड़े का एकाधिक निर्माण होता है। विद्युत क्षेत्र और कक्ष ज्यामिति का चयन किया जाता है जिससे एनोड के तत्काल निकटता में एक हिमस्खलन क्षेत्र बनाया जा सकता है । एनोड की ओर बहने वाला एक ऋणात्मक आयन इस क्षेत्र में प्रवेश करता है और एक स्थानीयकृत हिमस्खलन बनाता है जो अन्य आयन जोड़े से स्वतंत्र होता है, किंतु जो अभी भी गुणन प्रभाव प्रदान कर सकता है। इस तरह आपतित विकिरण की ऊर्जा पर स्पेक्ट्रोस्कोपिक जानकारी प्रत्येक आरंभिक घटना से आउटपुट पल्स के परिमाण द्वारा उपलब्ध होती है।

साथ में प्लॉट एक सह-अक्षीय सिलेंडर प्रणाली के लिए आयनीकरण वर्तमान की भिन्नता को दर्शाता है। आयन कक्ष क्षेत्र में, कोई हिमस्खलन नहीं होता है और प्रयुक्त वोल्टेज मात्र पुन: संयोजन को रोकने के लिए आयनों को इलेक्ट्रोड की ओर ले जाने का कार्य करता है।

आनुपातिक क्षेत्र में, स्थानीयकृत हिमस्खलन तुरंत एनोड के चारों ओर गैस स्थान में होते हैं जो मूल आयनीकरण घटनाओं की संख्या के लिए संख्यात्मक रूप से आनुपातिक होते हैं। वोल्टेज बढ़ने से हिमस्खलन की संख्या तब तक बढ़ जाती है जब तक कि गीजर क्षेत्र तक नहीं पहुंच जाता है, जहां एनोड्स के चारों ओर भरण गैस की पूरी मात्रा आयनित हो जाती है, और सभी आनुपातिक ऊर्जा जानकारी खो जाती है। उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत के कारण गीजर क्षेत्र से परे गैस निरंतर निर्वहन में है।

यह भी देखें

• हिमस्खलन टूटना
• इलेक्ट्रिक आर्क
• गैसों में विद्युत निर्वहन
• क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन
• पासचेन का नियम
• प्रकाश विद्युत प्रभाव
• टाउनसेंड (इकाई)

संदर्भ

• 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. Chapter 11 "Electrical conduction in gases" and chapter 12 "Glow- and Arc-discharge tubes and circuits".
• 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. S2CID 123114495. Retrieved Dec 15, 2021.

बाहरी संबंध

• Simulation showing electron paths during avalanche