Таунсенда разряд – несамостоятельный и самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газах при низких давлениях и очень малых токах. Электрическое поле в разрядном промежутке однородно или слабо неоднородно и не искажается пространственным зарядом, имеющим маленькую плотность. Это условие может выполняться для сравнительно слабых токов, когда пространственные заряды, возникающие в объеме камеры, несущественны. Разряд, для которого это условие выполняется, называется таунсендовским. Назван по имени Дж. Таунсенда, создавшего в 1900 году его теорию.

Рассмотрим свободный электрон, возникший под влиянием внешнего ионизатора или вследствие какой-либо другой причины у катода. Ускоренный электрическим полем электрон может ионизовать атом при столкновении с ним. Вместо одного электрона возникает два электрона и ион. В результате по мере продвижения к аноду число электронов будет лавинообразно нарастать. Этот процесс называется электронной лавиной.

Для количественной характеристики ионизующей способности электронов и ионов Таунсенд ввел два коэффициента ионизации α и β. Первый из них определяется как среднее число ионов одного знака, производимое электроном на единице длины своего пути. Такой же смысл имеет коэффициент β, характеризующий ионизующую способность положительных ионов. Коэффициент ионизации электронами α значительно превосходит коэффициент ионизации положительными ионами β. Ионы, при ударе о катод могут также вырывать свободные электроны. Обозначим через γ среднее число электронов, вырываемых из катода одним положительным ионом.

Коэффициенты а, β и γ называют коэффициентами Таунсенда. Этими коэффициентами можно описывать разрядный ток. В случае плоских электродов, находящихся на расстоянии d друг от друга, и первичного тока i₀, создаваемого ионизатором, разрядный ток, определяемый указанными процессами, описывается

(1)

при наличии объёмной ионизации положительными ионами;

(2)

При вырывании положительными ионами электронов из катода;

(3)

При наличии обоих действий положительных ионов. Исследование элементарных процессов в разряде показало, что объемной ионизацией положительными ионами можно пренебречь, поэтому реальной является только формула (2). Л. Леб предположил, что основным процессом вырывания электронов из катода является фотоэффект, вызванный фотонами, возникающими в разрядном промежутке. Формула Леба имеет вид:

(4)

где θ – число фотонов, возникающих при прохождении электроном единицы пути; μ – коэффициент поглощения фотонов в газе; g – геометрический фактор, определяющей число фотонов, идущих к катоду; η – число фотоэлектронов, приходящихся на один фотон, достигающий катода. Обозначая ηgθ/(а - μ) = γ, можно получить формулу, практически не отличающуюся от (2). Эта формула принимается для несамостоятельного разряда Таунсенда при его описании и анализе, включая при этом в коэффициент γ все процессы, приводящие к вырыванию электронов из катода.

Теория таунсендного разряда позволяет объяснить переход несамостоятельного разряда в самостоятельный. Условием для этого перехода является равенство нулю знаменателя любой из предложенных формул. Математически это означает, что ток в разряде стремится к бесконечности. Такой вывод получается потому, что исключено из рассмотрения время образования разряда. Реально переход несамостоятельного разряда в самостоятельный означает пробой, при котором ток разряда неограниченно возрастает, будучи ограниченным только параметрами цепи. Физически равенство нулю знаменателя означает, что взамен одного электрона, покидающего катод, в результате всех процессов в объеме и на поверхности катода появляется новый электрон. Условие выполняется при определенных значениях коэффициентов Таунсенда, которые зависят от напряженности поля и давления газа. При этом происходит пробой газа или зажигание газового разряда.

Для аналитического описания α Таунсендом была предложена эмпирическая формула:

(5)

Хотя анализ реальных элементарных процессов взаимодействия электронов с молекулами газа приводит к более строгому выражению для α, теория Таунсенда, включая формулу (5), позволила обосновать закон Пашена, в частности, объяснить наличие минимума на кривой зависимости напряжения зажигания разряда от pd. Самостоятельный разряд Таунсенда называется также темным разрядом.

Теория Таунсенда в дальнейшем подвергалась многочисленным дополнениям и уточнениям. Таунсенд учитывал ионизацию только электронами и положительными ионами. Между тем в разряде могут происходить и другие процессы, приводящие к возникновению электронов. Таким процессом может быть освобождение электронов с катода, вызванное излучением самого разряда (так называемый фотоэлектрический эффект); в результате фотоэффекта на атомах газа (фотоионизация). Также нужно учесть и изменения электрического поля, которое вызывается объемными зарядами при ионизации газа. Эти процессы имеют место в газовом разряде одновременно, и поэтому точная теория самостоятельных газовых разрядов весьма сложна и не завершена в настоящее время. Также не учитывается рекомбинация ионов и электронов, прилипание свободных электронов к молекулам кислорода, с образованием отрицательных ионов кислорода. Однако, теория Таунсенда, несмотря на большое количество упрощений и недостатков, хорошо предлагает основную сущность возникновения самостоятельного разряда.

 

Теория разряда Таунсенда позволила описать реальные процессы взаимодействия электронов с молекулами газа. Хорошо описывает начальную стадию разряда, когда можно пренебречь влиянием объемного заряда(так называемый темный разряд). С помощью теории Таунсенда  получают критериии пробоя газа (Таунсендовский пробой). Таунсендовский разряд применяется для получения тлеющего разряда путем повышения силы тока.

Простейшая техническая реализация разряда Таунсенда – газоразрядная трубка с плоскими электродами. В данном случае рекомбинацией ионов и электронов можно пренебречь, так как за время прохождения между катодом и анодом они не успевают рекомбинировать. Токи должны быть маленькими, тогда возникающие пространственные токи пренебрежимо малы и теория Таунсенда применима.

Таунсенд в 1915 году выдвинул идею о развитии разряда как серии последоваельных лавин. В 1935 году Дж. Ретер визуально наблюдал одиночные лавины в камере Вильсона. 

На начальной стадии развития лавины рекомбинацией и влиянем пространственного заряда можно пренебречь. поскольку скорость дрейфа и диффузии ионов много меньше, чем электронов, лавина преобретает ворму клина.