Elektrický žhavící výboj

Elektrický žhavící výboj je typ plazmatu, který vzniká průchodem proudu o napětí 100 V až několik kV plynem, obvykle argonem nebo jiným vzácným plynem. Vyskytuje se ve výrobcích, jako jsou zářivky a televizory s plazmovou obrazovkou, a používá se ve fyzice plazmatu a analytické chemii a byl navržen jako alternativní metoda, kterou hvězdy vytvářejí svá viditelná spektra.

Zářivý výboj vděčí za svůj název skutečnosti, že plazma je světélkující, přičemž světélkování vzniká proto, že elektrony získávají dostatečnou energii pro vznik viditelného světla excitačními srážkami, při nichž vznikají fotony. Tohoto jevu se nejsnáze dosahuje interakcí anody a katody, která vytváří složitý proudový obvod, jenž produkuje záři. Na vzniku žhavých výbojů se podílí tvorba omezených elektrických polí a plášťů plazmatu na každé z elektrod. Ionizace musí být také kritickou součástí žhavého výboje v rovnovážném stavu, protože v každém okamžiku bude docházet ke kontinuální ztrátě iontů z libovolně nastavené složky systému, která musí být vyvážena ekvivalentním ziskem.

Nejjednodušším typem žhavého výboje je stejnosměrný žhavý výboj. Ve své nejjednodušší podobě se skládá ze dvou elektrod v článku udržovaném při nízkém tlaku (1-10 torrů). Buňka je obvykle naplněna argonem. Mezi oběma elektrodami je přiveden potenciál několika set voltů. Malá populace atomů v cele je zpočátku ionizována náhodnými procesy (například srážkami mezi atomy nebo částicemi alfa). Ionty (které jsou kladně nabité) jsou elektrickým potenciálem hnány ke katodě a elektrony jsou stejným potenciálem hnány k anodě. Počáteční populace iontů a elektronů se sráží s jinými atomy a ionizuje je. Dokud se potenciál udržuje, populace iontů a elektronů zůstává.

Část kinetické energie iontů se přenáší na katodu. K tomu dochází částečně tím, že ionty narážejí přímo na katodu. Hlavní mechanismus je však méně přímý. Ionty narážejí na početnější neutrální atomy plynu a předávají jim část své energie. Tyto neutrální atomy pak dopadají na katodu. Ať už katodu zasáhne jakýkoli druh, srážky uvnitř katody tuto energii přerozdělují, dokud není část katody vyvržena, obvykle ve formě volných atomů. Tento proces se nazývá rozprašování. Jakmile se atomy uvolní z katody, přesunou se driftem a díky energii získané při rozprašování do větší části žhavého výboje. Atomy pak mohou být kolizně excitovány. Tyto srážky mohou probíhat s ionty, elektrony nebo jinými atomy, které byly předtím excitovány srážkami s ionty, elektrony nebo atomy. Jakmile jsou atomy jednou excitovány, ztratí svou energii poměrně rychle. Z různých způsobů, jak lze tuto energii ztratit, je nejdůležitější záření, což znamená, že se uvolní foton, který energii odnese pryč. V optické atomové spektroskopii lze vlnovou délku tohoto fotonu použít k určení identity atomu (tj. o jaký chemický prvek se jedná) a počet fotonů je přímo úměrný koncentraci daného prvku ve vzorku. Některé srážky (ty s dostatečně vysokou energií) způsobí ionizaci. V atomové hmotnostní spektrometrii se tyto ionty detekují. Jejich hmotnost určuje typ atomů a jejich množství odhaluje množství daného prvku ve vzorku.

Výše uvedený obrázek ukazuje hlavní oblasti, které se mohou vyskytovat v žhavicím výboji. Oblasti označené jako „žhavé“ vyzařují významné světlo; oblasti označené jako „temné prostory“ nikoli. Jak se výboj rozšiřuje (tj. v geometrii na obrázku je protažen vodorovně), může se kladný sloupec stávat pruhovaným. To znamená, že mohou vznikat střídavě tmavé a světlé oblasti. S tím souvisí, že horizontální stlačení výboje bude mít za následek menší počet oblastí. Kladný sloupec se stlačí, zatímco záporná záře zůstane stejně velká, a při dostatečně malých mezerách kladný sloupec zcela zmizí. V analytickém žhavém výboji je výboj především záporným žhavým sloupcem s tmavou oblastí nad a pod ním.

Základní struktura žhavého výboje

Napěťová proudová charakteristika žhavého výboje je vysoce nelineární, stejně jako mnoho plazmových jevů, a k vysvětlení jejich strutury nelze použít běžnou lineární fyziku. U základního stejnosměrného žhavého výboje lze od sebe odlišit tři hlavní oblasti, temný výboj, žhavý dicharge a obloukový výboj.

Výše uvedený obrázek je typický graf V/I žhavého výboje. Hlavní charakteristiky výboje, jako je průrazné napětí, napěťová proudová charakteristika a struktura výboje, závisí na geometrii elektrod, použitém plynu, tlaku a materiálu elektrod.

Temný výboj (temný proudový režim)

Režim mezi A a E na napěťové proudové charakteristice se označuje jako temný výboj, protože s výjimkou koronových výbojů a vlastního průrazu zůstává výboj okem neviditelný.

• A – B Během fáze ionizace pozadí procesu elektrické pole působící podél osy výbojové trubice vymetá ionty a elektrony vzniklé ionizací ze záření pozadí. Pozadí záření z kosmického záření, radioaktivních minerálů nebo jiných zdrojů vytváří ve vzduchu za atmosférického tlaku konstantní a měřitelný stupeň ionizace. Ionty a elektrony migrují k elektrodám v přiloženém elektrickém poli a vytvářejí slabý elektrický proud. Zvyšující se napětí vymetá stále větší část těchto iontů a elektronů.

• B – C Pokud se napětí mezi elektrodami dostatečně zvýší, jsou nakonec vymeteny všechny dostupné elektrony a ionty a proud se nasytí. V oblasti nasycení zůstává proud při zvyšování napětí konstantní. Tento proud lineárně závisí na síle zdroje záření, což je režim užitečný v některých čítačích záření.

• C – E Pokud se napětí na nízkotlaké výbojové trubici zvýší nad bod C, proud exponenciálně vzroste. Elektrické pole je nyní dostatečně vysoké, takže elektrony původně přítomné v plynu mohou před dosažením anody získat dostatek energie k ionizaci neutrálního atomu. Jakmile elektrické pole ještě zesílí, může sekundární elektron ionizovat i další neutrální atom, což vede k lavinové produkci elektronů a iontů. Oblast exponenciálně rostoucího proudu se nazývá Townsendův výboj.

• D – E Korónové výboje vznikají v Townsendových temných výbojích v oblastech vysokého elektrického pole v blízkosti ostrých bodů, hran nebo drátů v plynech před elektrickým průrazem. Pokud jsou korónové výboje dostatečně vysoké, mohou být technicky vzato „zářícími výboji“, viditelnými okem. Při nízkých proudech je celá koróna tmavá, jak se na tmavé výboje sluší a patří. K příbuzným jevům patří tichý elektrický výboj, neslyšitelná forma filamentárního výboje, a kartáčový výboj, světelný výboj v nerovnoměrném elektrickém poli, kdy je současně aktivních mnoho koronových výbojů, které tvoří proudnice v plynu.

• E Elektrický výboj nastává v Townsendově režimu s přídavkem sekundárních elektronů emitovaných z katody v důsledku dopadu iontů nebo fotonů. Při průrazu neboli jiskrovém potenciálu VB se proud může zvýšit 104 až 108krát a je obvykle omezen pouze vnitřním odporem zdroje připojeného mezi desky. Je-li vnitřní odpor napájecího zdroje velmi vysoký, výbojka nemůže odebírat dostatečný proud k rozkladu plynu a výbojka zůstane v režimu koróny, přičemž na elektrodách jsou patrné malé korónové body nebo kartáčové výboje. Je-li vnitřní odpor napájecího zdroje relativně nízký, pak se plyn při napětí VB rozpadne a přejde do normálního režimu žhaveného výboje. Průrazné napětí pro určitý plyn a materiál elektrod závisí na součinu tlaku a vzdálenosti mezi elektrodami, pd, jak je vyjádřeno v Paschenově zákoně (1889).

Žhavý výboj (normální režim žhavení)

Režim žhaveného výboje vděčí za svůj název skutečnosti, že plazma je světélkující. Plyn svítí, protože energie a hustota počtu elektronů jsou dostatečně vysoké na to, aby excitačními srážkami vzniklo viditelné světlo. Mezi aplikace žhavého výboje patří zářivky, stejnosměrné paralelní plazmové reaktory, „magnetronové“ výboje používané k nanášení tenkých vrstev a elektrobombardovací plazmové zdroje.

• F – G Po nespojitém přechodu z E do F přechází plyn do normální žhavé oblasti, ve které je napětí téměř nezávislé na proudu v rozsahu několika řádů výbojového proudu. Elektrodová proudová hustota je v tomto režimu nezávislá na celkovém proudu. To znamená, že při nízkých proudech je plazma v kontaktu pouze s malou částí povrchu katody. Se zvyšováním proudu od bodu F do bodu G se podíl katody obsazený plazmatem zvětšuje, až plazma v bodě G pokryje celý povrch katody.

• G – H V režimu abnormálního žhavení nad bodem G se s rostoucím celkovým proudem výrazně zvyšuje napětí, aby se hustota katodového proudu dostala nad svou přirozenou hodnotu a poskytla požadovaný proud. Počínaje bodem G a směrem doleva je v charakteristice napětí a proudu pozorována forma hystereze. Výboj se udržuje při podstatně nižších proudech a proudových hustotách než v bodě F a teprve poté provede přechod zpět do Townsendova režimu.

Obloukové výboje (obloukový režim)

• H – K V bodě H se elektrody zahřejí natolik, že katoda emituje elektrony termionicky. Pokud má stejnosměrný zdroj dostatečně nízký vnitřní odpor, dojde k přechodu výboje ze žhavení na oblouk, H-I. Obloukový režim od I do K je takový, kdy napětí výboje klesá s rostoucím proudem, dokud není dosaženo velkých proudů v bodě J, a poté napětí pomalu roste s rostoucím proudem.

Fúze v žhavicích výbojích

Vlastnosti žhavicích výbojů byly navrženy jako ideální způsob vytváření fúzní energie a byly vyvinuty některé fúzní techniky, které využívají vlastností a různých režimů činnosti žhavicích výbojů jako důležité součásti tohoto procesu. Nejvýznamnější z nich je inerciálně-elektrostatická fúze (IECF). V tomto procesu jsou ionty paliva zachyceny čistě elektrostatickým polem v konvergentní geometrii, na rozdíl od magnetického udržení a dalších podobných populárnějších metod. Vynálezcem tohoto konceptu byl americký vědec Philo Farnsworth, který s touto myšlenkou přišel v 50. letech 20. století. Mezi další varianty tohoto konceptu patří Polywellova koncepce, Penningova past, perodicky oscilující plazmová koule (POPS) a zařízení s více elektrodami (#elektrody >2). Všechna tato zařízení obsahují určitou vlastnost, která je činí složitějšími než jednoduchá dvouelektrodová žhavicí výbojová zařízení, často se záměrem obejít některé ztrátové mechanismy spojené se zařízeními IECF.

Inerciálně-elektrostatická fúze (IECF)

Zdroj neutronů/protonů pro inerciálně-elektrostatickou fúzi (IECF) je kompaktní zařízení jednoduché konfigurace založené na
vlastnostech žárového výboje. V podstatě se skládá z průhledné duté katody uprostřed kulové vakuové komory (slouží jako anoda), která je obvykle naplněna palivovým plynem D2, a mezi nimi probíhá žhavicí výboj. Vznikající vysokoenergetické ionty interagují s plynem v pozadí (srážky paprsek-poprsek) a samy se sebou (srážky paprsek-paprsek) v malém objemu kolem středového bodu, což vede k vysoké rychlosti fúzních reakcí. Výsledkem je neutronový generátor produkující neutrony v řádu 106-108 neutronů za sekundu. V zařízeních využívajících ještě vyšší rychlosti vstřikování mohou vstřikované ionty vytvářet hlubokou samovolně generovanou potenciálovou studnu, která omezuje zachycené ionty svazku a vytváří ještě vyšší rychlosti reakcí. Zařízení lze modifikovat použitím směsi plnicího plynu deuteria a helia-3, která bude zdrojem protonů i neutronů. IECF má také slibné využití pro detekci nášlapných min.

Způsoby činnosti spojené s IECF

Žhavý výboj v zařízeních IECF lze rozdělit podle čtyř charakteristických režimů výboje. Jedná se o režim centrálního žhavení, režim hvězdy, režim svatozáře a režim proudu. Názvy popisují vizuální vzhled světla vyzařovaného výboji. Každý režim je spojen s jinou strukturou potenciální studny, a tedy i rychlostí produkce neutronů, pro dané provozní parametry. Každý z nich vyžaduje jedinečnou kombinaci provozních parametrů, tj. napětí, proudu, tlaku a parametrů mřížky.

• Režim „Central Glow“ V režimu „Central Glow“ vzniká uprostřed koule záře ve tvaru koule. K jeho vytvoření lze použít iontový zdroj, jako je iontové dělo nebo mřížka iontového zdroje nebo katoda emitující elektrony. V katodě je mřížka vyrobena v co nejkulatějším tvaru a skládá se z mnoha jemných mřížkových drátků s mnoha otvory, aby se dosáhlo velké geometrické průhlednosti a přiměřeně rovnoměrného a sféricky symetrického toku iontů. Při takovém provozu je průhlednost mřížky klíčovým parametrem: protože ionty protékají mřížkou téměř rovnoměrně, část proudu je zachycena a ztracena na drátech mřížky. Čím vyšší je geometrická průhlednost mřížky, tím nižší je ztrátový podíl iontů – tím se zvyšuje rychlost recirkulace iontů. Rychlost reakce ve středovém bodě se odpovídajícím způsobem zvyšuje a ohřev a rozprašování mřížky bombardováním ionty se snižuje. Vývoj a optimalizace takových konstrukcí mřížek byly proto hlavním cílem dřívějších pracovníků v této oblasti. Při podobných provozních napětích a proudech poskytuje tento režim pouze asi třetinový neutronový výkon na jednotku příkonu ve srovnání s režimem hvězdy.

• Režim hvězda: Pro vytvoření hvězdicového režimu se mřížka konstruuje tak, aby průměr mřížkového otvoru tvořil podstatnou část hlavního obvodu mřížky. To způsobí lokální prohloubení potenciální plochy. (Této depresi je třeba se vyhnout, aby se vytvořil režim centrální záře.) Tato deprese zase způsobí, že se proud iontů soustředí a vytvoří charakteristické radiální iontové paprsky nebo „paprsky“ režimu hvězda. U rovinných výbojů je možné uvažovat plášť pouze v 1 rozměru, ale diskrétní povaha katodové mřížky žhavého výboje v kulovém tvaru vede ke komplikované 3D potenciálové struktuře. To má za následek, že katoda působí jako účinná čočka nabitých částic v důsledku zakřivení pole mezi jednotlivými dráty katodové mřížky. To znamená, že nemáme homogenní tok částic mezi elektrodami, ale spíše heterogenní strukturu toku „paprsků“ plazmatu, které transportují částice mezi elektrodami. Tyto paprsky jsou také světélkující, jak je naznačeno na obr. 1. Hvězdicový režim se typicky vyskytuje při tlaku ~ 1 až 25 mTorr.
• Režim halo: Tento režim je iniciován stejným způsobem jako režim hvězdy a je v mnoha ohledech podobný, ale obvykle při nižších tlacích, a tedy i vyšších katodových napětích. Přechod do režimu Halo se provádí zvětšením jednoho nebo více mřížkových otvorů (tj. fyzickým odstraněním části drátu oddělující sousední otvory). To způsobí tok elektronů ze středového objemu (elektronový proud), za jehož podmínek se vyvine režim Halo. Pak je pozorován silný proud elektronů, který proudí zvětšeným otvorem (otvory). Na protilehlých stranách dané mřížky se vytvořilo až šest jetů. Jet zase vytváří nové ionty srážkovou ionizací neutrálního pozadí. Výsledné toky iontů a elektronů způsobují úplné přerozdělení prostorového náboje, čímž vzniká nová struktura potenciálové studny charakterizovaná jasnou centrální září a vnější zářící oblastí halo. Jasné bílé kulovité halo se vytváří soustředně ke katodové mřížce s jasnou skvrnou uprostřed. V souladu s tím byl tento provozní režim označen jako režim svatozáře. Halo vždy doprovázel výše zmíněný elektronový jet, který je považován za základní charakteristiku tohoto režimu. Režim Halo obecně nabízí 1,5 až 3krát vyšší rychlost emise neutronů na jednotku vstupního výkonu než režim Hvězda.

• Tryskový režim: Při zvýšení tlaku nad provozní režimy „hvězdného režimu“ je výboj viditelně rovnoměrnější s výjimkou radiální odchylky a je doprovázen elektronovým proudem přes určitý otvor mřížky katodové mřížky. Viz obr. 2. Z tohoto důvodu se tento režim označuje jako „Jet Mode“. Navzdory vizuální uniformitě existuje v režimu „Jet Mode“ mezi anodou a katodou stále heterogenní struktura toku elektronů.

Poznámky

.