Descarga de Townsend

Townsend propuso la hipótesis de que los iones positivos también producen pares de iones, introduciendo un coeficiente ${\displaystyle \alpha _{p}}$ que expresa el número de pares de iones generado por unidad de longitud por un ion positivo (catión) moviéndose de ánodo a cátodo.Se planteó la fórmula siguiente:

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

con ${\displaystyle \alpha _{p}\ll \alpha _{n}}$, muy concordante con los experimentos.

El primer coeficiente de Townsend (α), también conocido como primer coeficiente de Townsend de descarga es un término utilizado cuando la ionización secundaria se verifica porque los electrones de ionización primarios obtienen energía suficiente del campo eléctrico, o de una partícula inicialmente ionizada. El coeficiente da el número de electrones secundarios producidos por electrón primario y por unidad de longitud recorrida.

Townsend, Holst y Oosterhuis también desarrollaron una hipótesis alternativa, considerando que la emisión secundaria de electrones desde el cátodo era causada por el impacto de iones positivos. Esto introdujo el segundo coeficiente de ionización de Townsend ${\displaystyle \epsilon _{i}}$ ; el número medio de electrones liberado por una superficie por un ion positivo incidente, según la fórmula siguiente:

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

Estas dos fórmulas pueden ser interpretadas como descripciones de casos límite del comportamiento efectivo del proceso, y también pueden ser utilizadas para interpretar los resultados experimentales. Hay bibliografía con otras fórmulas que describen varios comportamientos intermedios (ver referencias).

El inicio de la descarga de Townsend fija el límite superior de la tensión de ruptura de descarga luminiscente que un tubo lleno de un gas puede resistir. Este límite es la tensión de ruptura de la descarga de Townsend, también llamado voltaje de ignición del tubo.

Oscilador de relajación con diodo de lámpara de gas neón de cátodo frío.

La aparición de la descarga de Townsend, precediendo a formas de rotura de la descarga luminiscente, modifica el valor de la tensión registrada en el interior de un protector de sobretensión. Por ejemplo, las lámparas de neón presentan zonas de resistencia diferencial negativa del tipo S. Esta resistencia negativa suele generar oscilaciones eléctricas y formas de onda, como en el oscilador de relajación cuyo esquema figura en el cuadro de la derecha. La oscilación generada en forma de dientes de sierra tiene la frecuencia

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

donde

• ${\displaystyle V_{\text{GLOW}}}$ es la tensión de ruptura de descarga luminiscente,
• ${\displaystyle V_{\text{TWN}}}$ es la tensión de ruptura de la descarga de Townsend,
• ${\displaystyle C_{1}}$, ${\displaystyle R_{1}}$ y ${\displaystyle V_{1}}$ son respectivamente la capacitancia, la resistencia y el voltaje de suministro del circuito.

Dado que la temperatura y la estabilidad en el tiempo de las características de los diodos de gas y de las lámparas de neón es baja, la dispersión estadística de los voltajes de ruptura es elevada, por lo que la fórmula sólo puede dar una indicación cualitativa de la frecuencia real de las oscilaciones.

La multiplicación en cascada durante la descarga de Townsend es utilizada en los fototubos de gas para amplificar la carga fotoeléctrica generada por la radiación incidente (luz visible o no) en el cátodo: las corrientes operativas son habitualmente entre 10~20 veces mayores que las generadas por los fototubos de vacío.

Variación de la carga de par de iones con la tensión aplicada:
Este diagrama muestra la relación de las regiones de detección de gases, utilizando un concepto experimental de la aplicación de un voltaje variable a una cámara cilíndrica que se somete a radiación ionizante. Partículas Alfa y Beta se representan para demostrar el efecto de diferentes energías ionizantes, pero el mismo principio se extiende a todas las formas de radiación ionizante. La cámara de iones y las regiones proporcionales pueden operar a presión atmosférica, y su salida varía con la energía de radiación. Sin embargo, en la práctica la región Geiger se opera a una presión reducida (alrededor de una décima de atmósfera) para permitir el funcionamiento con voltajes mucho más bajos; de lo contrario serían necesarios impracticables altos voltajes. La lectura de la región Geiger no diferencia entre las energías de radiación.

Las descargas de Townsend son fundamentales en el funcionamiento de los detectores de ionización gaseosa como el tubo Geiger-Müller y el contador proporcional, tanto para detectar radiaciones ionizantes como para medir su energía. La radiación incidente ioniza átomos o moléculas en el medio gaseoso para producir pares de iones, pero cada tipo de detector hace un uso distinto de los efectos de descarga resultantes.

En el caso del tubo Geiger-Müller, la elevada tensión del campo eléctrico es suficiente para causar la ionización completa del gas que rodea el ánodo para facilitar la generación inicial de un par de iones. El contador detecta cuándo se produce una descarga, pero no da información sobre la energía de la radiación incidente.[1]

En el caso de contadores proporcionales, se produce la generación de múltiples pares de iones en la "región de deriva de iones" próxima al cátodo. El campo eléctrico y la geometría del tubo están ideados de modo que se crea una "región de descarga" en la proximidad inmediata del ánodo. Un ion negativo que vaya a la deriva hacia el ánodo, si se introduce en esta región creará una descarga localizada independiente de los otros pares de iones, pudiendo todavía producir un efecto multiplicador. De este modo, se dispone de información espectroscópica de la energía de la radiación incidente por la magnitud del pulso producido por cada reacción de descarga iniciada.[1]

El gráfico adjunto muestra la variación de corriente de ionización para un sistema de cilindro co-axial. En la región de ionizada del tubo, no hay ninguna descarga y el voltaje aplicado sólo sirve para mover los iones hacia los electrodos para impedir su re-combinación. En la región proporcional, se registran descargas localizadas en la zona oculada por el gasi inmediatamente alrededor del ánodo, que es numéricamente proporcional al número de acontecimientos originales de ionización. Aumentando más el voltaje, se incrementa el número de descargas hasta que se alcanza la región Geiger, en la que el volumen del gas ionizado ocupa por completo el espacio alrededor de los ánodos ionizados, y toda la información acerca de las proporciones de la energía se pierde.[1] Más allá de la región Geiger, el gas forma un caudal continuo debido a la elevada fuerza del campo eléctrico.