타운센드 방전

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 일반적인 설명 (General description)
3. 정량적 설명 (Quantitative description)
- 3.1. 양이온의 움직임으로 인한 기체 이온화
- 3.2. 이온 충돌로 인한 음극 방출
4. 조건 (Conditions)
- 4.1. 펜닝 방전 (Penning discharge)
5. 응용 (Applications)
참조

1. 개요

타운센드 방전은 기체 매질에서 전기장이 가해질 때 발생하는 현상으로, 전자가 충돌 이온화를 일으키면서 전류가 증폭되는 현상을 말한다. 초기 이온은 이온화 방사선에 의해 생성되며, 자유 전자는 전기장 하에서 다른 전자를 방출하며 연쇄 반응을 일으킨다. 타운센드 방전은 전류 밀도에 따라 다양한 형태로 나타나며, 가스 충전관 및 기체 이온화 검출기에 활용된다. 정량적으로는 제1 및 제2 타운센드 이온화 계수를 사용하여 설명되며, 양이온의 움직임과 이온 충돌로 인한 음극 방출을 고려하여 모델링된다. 타운센드 방전은 가스 방전관의 작동 전압 상한을 설정하고, 가스 광전관 및 이온화 방사선 검출기(가이거-뮐러 계수관, 비례 계수관)의 작동 원리에 기여한다.

더 읽어볼만한 페이지

타운센드 방전
타운젠트 방전
타운젠트 방전 과정
유형	기체 방전
발견자	존 실리 타운젠트
발견 연도	1897년
관련 현상	전자 사태
상세 정보
설명	기체에 가해지는 전기장으로 인해 발생하는 기체 이온화 과정 전자가 중성 원자와 충돌하여 이온화시키는 과정 포함
발생 조건	충분히 낮은 기체 밀도 적절한 전기장 강도
응용 분야	기체 검출기 플라스마 디스플레이 패널 가스 레이저
관련 변수	타운젠트 제1 이온화 계수 (α) 타운젠트 제2 이온화 계수 (γ)

2. 일반적인 설명 (General description)

애벌런스는 이온화될 수 있는 기체 매질(예: 공기)에서 발생한다. 전기장과 전자의 평균 자유 행로는 자유 전자가 충돌 이온화를 일으킬 수 있는 에너지 수준(속도)을 얻도록 해야 한다. 전기장이 너무 작으면 전자는 충분한 에너지를 얻지 못한다. 평균 자유 행로가 너무 짧으면 전자는 일련의 비이온화 충돌에서 획득한 에너지를 소모한다. 평균 자유 행로가 너무 길면 전자는 다른 분자와 충돌하기 전에 양극에 도달한다.

애벌런스 메커니즘은 전기장이 기체 매질에 걸쳐 가해지면서 시작된다. 초기 이온은 이온화 방사선(예: 우주선)으로 생성된다. 최초의 이온화 사건은 이온 쌍을 생성한다. 양의 이온은 음극으로 가속되고 자유 전자는 양극으로 가속된다. 전기장이 충분히 강하면 자유 전자는 다음 분자와의 충돌에서 다른 전자를 방출할 수 있는 충분한 속도(에너지)를 얻을 수 있다. 그런 다음 두 개의 자유 전자가 양극으로 이동하여 전기장으로부터 추가 충돌 이온화를 일으키기에 충분한 에너지를 얻으며, 이러한 과정이 연쇄 반응으로 자유 전자를 생성한다.^[2] 처음에는 충돌 횟수가 기하급수적으로 증가하지만 결국 이 관계는 깨진다. 전자 애벌런스에서 증폭의 한계는 레이터 한계라고 알려져 있다.

3. 정량적 설명 (Quantitative description)

타운센드의 초기 실험 장치는 기체로 채워진 챔버의 양쪽 면을 형성하는 평면 평행판으로 구성되었다. 직류 고전압원이 판 사이에 연결되었고, 낮은 전압 판은 음극, 높은 전압 판은 양극이었다. 타운센드는 광전 효과를 사용하여 음극에 X선을 조사하여 전자를 방출하게 했고, 챔버를 통해 흐르는 전류가 판 사이의 전기장에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 판 간격이 작아짐에 따라 전류는 지수적으로 증가했는데, 이는 높은 전기장으로 인해 기체 이온이 판 사이를 이동하면서 증식된다는 결론으로 이어졌다.^[1]

타운센드는 판 사이의 거리를 변경했을 때 일정한 인가 전압에서 전류가 10자리 이상 지수적으로 변화하는 것을 관찰했다. 그는 또한 가스 압력이 전도에 영향을 미친다는 것을 발견했다. 그는 스파크를 발생시키는 데 필요한 전압보다 훨씬 낮은 전압으로 저압 가스에서 이온을 생성할 수 있었다.^[1]

실험 데이터는 다음 식으로 설명된다.

: $\frac{I}{I_0}=e^{\alpha_n d}, \,$

여기서

''I''는 장치에 흐르는 전류이다.
''I''₀는 음극 표면에서 생성된 광전 전류이다.
''e''는 오일러 수이다.
α_''n''은 음극에서 양극으로 이동하는 음이온 (음이온)에 의해 단위 길이(예: 미터)당 생성되는 이온 쌍의 수를 나타내는 *제1 타운센드 이온화 계수*이다.
''d''는 장치 판 사이의 거리이다.

판 사이의 거의 일정한 전압은 자체 유지 애벌런치를 생성하는 데 필요한 항복 전압과 같으며, 전류가 글로우 방전 영역에 도달하면 *감소*한다. 이후 실험에서 전류 ''I''가 거리 ''d''가 증가함에 따라 위의 공식으로 예측된 것보다 더 빠르게 증가하는 것으로 나타났다.

3. 1. 양이온의 움직임으로 인한 기체 이온화

타운센드는 양이온(양전하 이온) 또한 이온 쌍을 생성한다는 가설을 제시했다. 그는 양이온이 양극에서 음극으로 이동하면서 단위 길이당 생성되는 이온 쌍의 수를 나타내는 계수 α_p를 도입했다. 이에 따라 수정된 공식은 다음과 같다.^[1]

:

\frac{I}{I_0} \cong \frac{e^{1 - \frac{\alpha_p}{\alpha_n}e^

여기서 α_n ≫ α_p는 실험 결과와 잘 일치한다.

3. 2. 이온 충돌로 인한 음극 방출

타운센드, 홀스트, 오스터하이스는 양이온이 음극에 충돌하여 전자가 방출되는 현상을 고려하는 다른 가설을 제시했다. 이들은 입사하는 양이온에 의해 표면에서 방출되는 평균 전자 수를 나타내는 타운센드의 두 번째 이온화 계수 ${\displaystyle \epsilon _{i}}$를 도입했다.

4. 조건 (Conditions)

타운센드 방전은 제한된 범위의 기체 압력과 전기장 세기에서만 유지될 수 있다. 아래 그림은 일정한 압력에서 전극 간 전류 변동에 따른 기체 충전 튜브의 전압 강하 변화와 다양한 작동 영역을 보여준다. 타운센드 애벌랜치 현상은 기울어진 평탄부 B-D에서 발생하며, D를 넘어서면 이온화가 유지된다.

A: 우주 방사선에 의한 임의 펄스
B: 포화 전류
C: 애벌랜치 타운센드 방전
D: 자립형 타운센드 방전
E: 불안정한 영역: 코로나 방전
F: 아정상 글로우 방전
G: 정상 글로우 방전
H: 비정상 글로우 방전
I: 불안정한 영역: 글로우-아크 천이
J: 전기 아크
K: 전기 아크
'''A-D 영역: 암흑 방전''': 이온화가 발생하며 전류는 10 마이크로암페어 미만.
'''F-H 영역: 글로우 방전''': 플라즈마가 희미한 빛을 낸다.
'''I-K 영역: 아크 방전''': 다량의 방사선이 생성된다.

더 높은 압력에서는 방전이 이온이 전극 사이 간극을 통과하는 데 걸리는 시간보다 더 빠르게 발생하며, 라터와 미크, 로브의 불꽃 방전 스트리머 이론이 적용된다. 매우 불균일한 전기장에서는 코로나 방전 과정이 적용된다.

진공에서의 방전은 전극 원자의 기화와 이온화를 필요로 한다. 아크는 전극이 접촉했다가 분리될 때와 같이 예비 타운센드 방전 없이 시작될 수 있다.

타운센드는 평면 평행판 콘덴서에 가스를 채우고 단자 사이에 직류 고전압원을 연결한 장치를 통해 가스의 방전 이온화를 실험했다. 낮은 전압 차의 단자를 음극, 다른 쪽을 양극이라고 불렀다. 음극에서 전자를 강제로 방출시켰을 때, 콘덴서에 흐르는 전류는 플레이트 사이 전계에 의존하고, 가스 이온이 플레이트 사이를 움직이면서 증식하는 것을 발견했다. 인가 전압은 일정했지만, 그는 10자리 이상 변하는 전류를 관측했다. 첫 실험 데이터는 다음 공식으로 설명된다.

:

\dfrac{\mathit{I}}{\mathit{I_0}} = \mathrm{e}^{\alpha_nd}

''I''는 전류
$I_0$ 는 음극 표면에서 발생하는 광전 전류
e는 오일러 수
$\alpha_n$ 은 음극에서 양극으로 이동하는 음이온에 의해 단위 길이당 발생하는 이온 쌍의 수를 나타내는 타운센드 1차 전리 계수
d는 장치 플레이트 간 거리

플레이트 간 거의 일정한 전압은 자기 유지형 전자 붕괴를 일으키는 데 필요한 항복 전압과 같다. 전류가 글로우 방전 형태로 도달하면 감소한다. 이후 실험에서 전류가 거리가 증가함에 따라 위 공식으로 예측되는 것보다 더 빠르게 증가하는 것이 밝혀졌다.

4. 1. 펜닝 방전 (Penning discharge)

자기장이 존재할 때, 펜닝 방전으로 알려진 현상을 통해 고진공 상태에서 애벌런치 방전이 발생할 가능성이 증가할 수 있다. 이는 전자가 전위 최소값 내에 갇히게 되어 전자의 평균 자유 행로가 연장될 때 발생한다.^[1]

5. 응용 (Applications)

타운센드 방전은 가스 광전관에서 음극에 입사하는 방사선에 의해 유발된 광전자 수를 증폭하는 데 사용된다. 이때 얻을 수 있는 전류는 진공 광전관에서 발생하는 전류의 약 10~20배이다.^[1]

타운센드 방전의 시작은 글로 방전 가스 방전관이 견딜 수 있는 차단 전압의 상한선을 설정한다. 이 한계는 타운센드 방전 항복 전압이며, 튜브의 점화 전압이라고도 한다.

가이거-뮐러 계수관 및 비례 계수관과 같은 가스 이온화 검출기는 전리 방사선을 감지하거나 그 에너지를 측정하는 데 사용되며, 타운센드 방전은 이러한 검출기 작동의 기본 원리이다.^[2]

5. 1. 가스 방전관 (Gas-discharge tubes)

타운센드 방전의 발생은 글로 방전 항복으로 이어지며, 네온 램프와 같은 가스 방전관의 전류-전압 특성을 S형 음성 미분 저항 영역을 갖도록 만든다. 음성 저항은 릴랙세이션 발진 회로와 같이 전기적 발진 및 파형을 생성하는 데 사용할 수 있다.

생성된 톱니파형 발진의 주파수는 다음과 같다.

:

f\cong\frac{1}{R_1C_1\ln\frac{V_1-V_\text{GLOW}}{V_1-V_\text{TWN}}},

여기서

$V_\text{GLOW}$ 는 글로 방전 항복 전압이고,
$V_\text{TWN}$ 은 타운센드 방전 항복 전압이며,
$C_1$ , $R_1$ 및 $V_1$ 은 각각 회로의 커패시턴스, 저항 및 공급 전압이다.

가스 다이오드와 네온 램프의 특성 온도 및 시간 안정성이 낮고, 항복 전압의 통계적 분산도 높기 때문에, 위의 공식은 실제 발진 주파수가 무엇인지에 대한 질적 지표만 제공할 수 있다.

5. 2. 가스 광전관 (Gas phototubes)

애벌런치 증폭은 타운센드 방전 과정에서 자연스럽게 광전관에서 사용되어, 음극에 입사하는 방사선(가시광선 등)에 의해 생성된 광전 효과 전하를 증폭한다. 이때 얻을 수 있는 전류는 일반적으로 진공 광전관에서 생성되는 전류보다 10~20배 더 크다.^[1]

타운센드 방전 사이의 쇄도 현상은 음극에서의 입사 방사선에 의해 유발된 광전자 수를 증폭하기 위해 가스 광전관에서 사용된다. 달성 가능한 전류는 진공 광전관에서 발생하는 것의 약 10~20배이다.^[2]

5. 3. 이온화 방사선 검출기 (Ionising radiation detectors)

동축 와이어 실린더 기체 방사선 검출기에 대한 인가 전압에 따른 이온화 전류의 변화 플롯

타운센드 붕괴는 가이거-뮐러 계수관 및 비례 계수관과 같은 가스 이온화 검출기의 작동에 기본이 된다. 이러한 검출기는 전리 방사선을 감지하거나 그 에너지를 측정하는 데 사용된다. 입사 방사선은 기체 매질 내의 원자 또는 분자를 이온화하여 이온 쌍을 생성하지만, 각 검출기 유형은 결과적인 붕괴 효과를 다르게 사용한다.^[2]

가이거 영역을 지나면 높은 전기장 강도로 인해 기체가 지속적으로 방전된다.

타운센드 방전 사이의 쇄도 현상은 음극에서의 입사 방사선에 의해 유발된 광전자 수를 증폭하기 위해 가스 광전관에서 사용된다. 달성 가능한 전류는 진공 광전관에서 발생하는 것의 약 10~20배이다. 타운센드 방전의 시작은 글로 방전의 가스 충전 튜브가 견딜 수 있는 저지 전압에 상한을 설정한다. 이 한계는 타운센드 방전의 절연 파괴 전압이며, 튜브의 점화 전압이라고도 불린다. 타운센드 방전과 글로 방전의 절연 파괴 전압의 존재는 어떤 가스 다이오드나 네온등의 전류-전압 특성(

V_A

-

I_A

)을 형성한다. 어떤 의미에서는 S-타입의 부성 미분 저항 영역이 있으며, 이는 전기 진동과 파형을 발생시키는 데 보통 사용된다.

5. 3. 1. 가이거-뮐러 계수관 (GM tubes)

높은 전기장 강도는 단 하나의 이온 쌍이 처음 생성된 시점부터 양극 주위의 충전 기체를 완전히 이온화시키기에 충분하다. GM 튜브의 출력은 해당 사건이 발생했음을 알려주지만 입사 방사선의 에너지에 대한 정보는 제공하지 않는다.^[2]

5. 3. 2. 비례 계수관 (Proportional counters)

비례 계수관에서는 음극 근처의 "이온 드리프트" 영역에서 여러 개의 이온 쌍이 생성된다. 전기장 및 챔버 기하학은 양극 바로 근처에 "붕괴 영역"이 생성되도록 설계된다. 음극으로 이동하는 음이온은 이 영역에 들어가 다른 이온 쌍으로부터 독립적인 국소적 붕괴를 생성하지만, 이는 여전히 증폭 효과를 제공한다. 이러한 방식으로, 각 시작 이벤트로부터의 출력 펄스 크기로 입사 방사선의 에너지에 대한 분광학적 정보를 얻을 수 있다.^[2]

동축 실린더 시스템의 이온화 전류 변화는 첨부된 플롯과 같다. 이온 챔버 영역에서는 붕괴가 발생하지 않으며, 인가된 전압은 재결합을 방지하기 위해 이온을 전극으로 이동시키는 역할만 한다. 비례 영역에서는 양극 주변의 기체 공간에서 국소적 붕괴가 발생하며, 이는 원래의 이온화 이벤트 수에 비례한다. 전압을 더 증가시키면 붕괴 수가 증가하여 가이거 영역에 도달하게 되며, 이 경우 양극 주변의 충전 기체 전체가 이온화되고 모든 비례 에너지 정보가 손실된다.^[2]

참조

_[1] 간행물 John Sealy Edward Townsend. 1868-1957 1957
_[2] 서적 Radiation Detection and Measurement John Wiley and sons 2000

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com