Una avalancha de electrones es un proceso en el que varios electrones libres en un medio de transmisión son sometidos a una fuerte aceleración por un campo eléctrico y posteriormente chocan con otros átomos del medio, ionizándolos así ( ionización por impacto ). Esto libera electrones adicionales que se aceleran y chocan con más 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 de avalancha fue descubierto por John Sealy Townsend en su trabajo entre 1897 y 1901, y también se conoce como la descarga de Townsend .
Las avalanchas de electrones son esenciales para el proceso de descomposición dieléctrica dentro de los gases. El proceso puede culminar en descargas de corona , serpentinas , líderes o en una chispa o arco continuo que cubre por completo el espacio 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 por la formación de avalanchas de electrones creadas en el gradiente de alto potencial por delante de las puntas de avance de las serpentinas. Una vez iniciadas, las avalanchas a menudo se intensifican por la creación de fotoelectrones como resultado de la radiación ultravioleta emitida por los átomos del medio excitado en la región de la punta de popa.
El proceso también se puede utilizar para detectar 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 .
Análisis
Un plasma comienza con un raro evento de ionización de "fondo" natural de una molécula de aire neutra, quizás como resultado de la fotoexcitación o la radiación de fondo . Si este evento ocurre dentro de un área que tiene un alto gradiente de potencial , el ión cargado positivamente será fuertemente atraído hacia, o repelido lejos de, un electrodo dependiendo de su polaridad, mientras que el electrón se acelerará en la dirección opuesta. Debido a la enorme diferencia de masa, los electrones se aceleran a una velocidad mucho más alta que los iones.
Los electrones de alta velocidad a menudo chocan con los 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 una gran nube de electrones e iones positivos se genere momentáneamente por un solo electrón inicial. Sin embargo, los electrones libres son capturados fácilmente por moléculas de vapor de agua o oxígeno neutro (los llamados gases electronegativos ), formando iones negativos. En el aire en STP , los electrones libres existen solo durante unos 11 nanosegundos antes de ser capturados. Los electrones capturados se eliminan eficazmente del juego: ya no pueden contribuir al proceso de avalancha. Si los electrones se crean a una velocidad mayor de la que se pierden para capturar, su número se multiplica rápidamente, un proceso que se caracteriza por un crecimiento exponencial . El grado de multiplicación que puede proporcionar este proceso 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 . Sustituir los gradientes de voltaje en esta ecuación da como resultado
Donde V es el voltaje aplicado, V BR es el voltaje de ruptura yn 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 la tensión 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.
El sustento de la avalancha requiere un depósito de carga para mantener 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 o alejándose de un electrodo . 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 creando otro electrón acelerable. Lo que difiere es la fuente de este electrón. Cuando ocurren una o más avalanchas de electrones entre dos electrodos de tamaño suficiente, puede ocurrir una ruptura completa de la avalancha , culminando en una chispa eléctrica que cierra el espacio.
Ver también
- Descarga Townsend
- Desglose por avalancha
- Diodo de avalancha
- descarga de corona
- Multipactor
- Tubo Geiger-Müller
- contador Geiger
- Cámara de chispas
- Cámara de alambre
- Desglose fuera de control
- Lista de artículos sobre plasma (física)
Referencias
- ^ Glenn F Knoll, 'Detección y medición de radiación' 3ra edición, 2000, John Wiley and sons Inc.
enlaces externos
- Efectos de avería en semiconductores