電子なだれ
電子なだれとは、伝送媒体中の多数の自由電子が電界によって強い加速を受け、その後媒体中の他の原子と衝突して電離する（衝突電離）プロセスです。これにより新たな電子が放出され、それが加速して他の原子と衝突し、さらに多くの電子が放出されます。これは連鎖反応です。気体中では、この反応によって影響を受けた領域が導電性プラズマになります。
なだれ効果は、ジョン・シーリー・タウンゼントが1897 年から 1901 年にかけて行った研究で発見され、タウンゼント放電としても知られています。
電子雪崩は、気体中の絶縁破壊プロセスに不可欠です。このプロセスは、コロナ放電、ストリーマ、リーダ、あるいは電圧を印加している導電体間のギャップを完全に橋渡しするスパークや連続アークへと発展します。このプロセスは巨大なスパークにまで及びます。雷放電におけるストリーマは、ストリーマの前進先端部前方の高電位勾配で発生する電子雪崩の形成によって伝播します。電子雪崩が一旦発生すると、後端領域にある励起された媒質の原子から放出される紫外線 によって光電子が生成され、雪崩がさらに激化することがしばしばあります。
このプロセスは、アバランシェ過程のガス増倍効果を利用することで電離放射線の検出にも利用できます。これはガイガー・ミュラー管の電離機構であり、また限定的ながら比例計数管[ 1 ]の電離機構でもあります。また、スパークチェンバーやその他のワイヤーチェンバーにも利用されています。
分析
プラズマは、おそらく光励起や背景放射線の影響による、中性空気分子の稀な自然電離現象から始まる。この現象が電位勾配の大きい領域で発生すると、正に帯電したイオンは極性に応じて電極に強く引き寄せられ、あるいは反発される。一方、電子は反対方向に加速される。質量差が大きいため、電子はイオンよりも はるかに高い速度に加速される。
高速電子はしばしば中性原子と非弾性的に衝突し、時にはそれらをイオン化します。連鎖反応、すなわち「電子なだれ」では、強い電位勾配によって正イオンから分離されたばかりの電子がさらに加わり、最初の電子1個だけで瞬間的に電子と正イオンの巨大な雲が生成されます。しかし、自由電子は中性酸素分子または水蒸気分子（いわゆる電気陰性度の高い気体）に容易に捕獲され、負イオンを形成します。標準温度（ STP）の空気中では、自由電子は約11ナノ秒しか存在せず、その後捕獲されます。捕獲された電子は事実上、作用から排除され、もはやなだれ過程に寄与できなくなります。電子の生成速度が捕獲によって失われる速度を上回っている場合、電子の数は急速に増加し、この過程は指数関数的に増加します。この過程によってもたらされる増殖の度合いは非常に大きく、状況によっては数百万倍にも達します。増倍係数Mは次式で与えられます。
ここで、X 1とX 2は乗算が測定される位置であり、αは電離定数です。言い換えれば、位置X 1に1個の自由電子があると、位置X 2にはM個の自由電子が生じます。この式に電圧勾配を代入すると、次の式が得られます 。
ここで、Vは印加電圧、V BRは破壊電圧、nは経験的に導き出された 2 ～ 6 の値です。この式からわかるように、増倍率は印加電圧に大きく依存し、電圧が材料の破壊電圧に近づくにつれて、増倍率は無限大に近づき、制限要因は電荷キャリアの利用可能性になります。
雪崩の持続には、印加電圧を維持するための電荷の蓄積と、トリガーとなるイベントの継続的な発生源が必要です。いくつかのメカニズムによってこのプロセスが持続され、雪崩が次々と発生してコロナ電流が生成されます。電子は常に電場によって一方向に加速されるため、プラズマ電子の二次発生源が必要になります。つまり、雪崩は常に電極に向かって、または電極から離れて直線的に進みます。二次電子発生の主なメカニズムは、プラズマの極性によって異なります。いずれの場合も、最初の雪崩によって光子として放出されたエネルギーは、近くのガス分子をイオン化して、別の加速可能な電子を生成するために使用されます。異なるのは、この電子の発生源です。十分な大きさの 2 つの電極間で 1 つ以上の電子雪崩が発生すると、完全な雪崩ブレークダウンが発生し、ギャップを埋める 電気火花が発生します。
参照
参考文献
- ^ Glenn F Knoll、「放射線の検出と測定」第3版、2000年、John Wiley and sons Inc.
外部リンク
- 半導体のブレークダウン効果 2008年2月28日アーカイブ- Wayback Machine
