Elektrische Glimmentladung

Elektrische Glimmentladung ist eine Art von Plasma, das durch Durchleiten eines Stroms von 100 V bis zu mehreren kV durch ein Gas, gewöhnlich Argon oder ein anderes Edelgas, entsteht. Sie findet sich in Produkten wie Leuchtstoffröhren und Plasmafernsehern, wird in der Plasmaphysik und der analytischen Chemie verwendet und wurde als alternative Methode vorgeschlagen, mit der Sterne ihre sichtbaren Spektren erzeugen.

Die Glimmentladung verdankt ihren Namen der Tatsache, dass das Plasma leuchtet, weil die Elektronen durch Anregungskollisionen, die Photonen erzeugen, genügend Energie gewinnen, um sichtbares Licht zu erzeugen. Dieses Phänomen lässt sich am einfachsten durch das Zusammenwirken von Anode und Kathode erreichen, wodurch der komplexe Stromkreis entsteht, der das Leuchten hervorruft. An der Entstehung von Glimmentladungen sind die Bildung von begrenzten elektrischen Feldern und Plasmahüllen an jeder der Elektroden beteiligt. Die Ionisierung ist ebenfalls ein kritischer Teil einer Glimmentladung im Gleichgewichtszustand, da es zu jeder Zeit einen kontinuierlichen Verlust von Ionen aus jeder Komponente des Systems gibt, der durch einen äquivalenten Gewinn ausgeglichen werden muss.

Die einfachste Art von Glimmentladung ist eine Gleichstrom-Glimmentladung. In ihrer einfachsten Form besteht sie aus zwei Elektroden in einer Zelle, die bei niedrigem Druck (1-10 Torr) gehalten wird. Die Zelle ist in der Regel mit Argon gefüllt. Zwischen den beiden Elektroden wird ein Potenzial von mehreren hundert Volt angelegt. Eine kleine Population von Atomen in der Zelle wird zunächst durch zufällige Prozesse (z. B. Zusammenstöße zwischen Atomen oder mit Alphateilchen) ionisiert. Die (positiv geladenen) Ionen werden durch das elektrische Potenzial zur Kathode und die Elektronen durch dasselbe Potenzial zur Anode getrieben. Die anfängliche Ionen- und Elektronenpopulation stößt mit anderen Atomen zusammen und ionisiert sie. Solange das Potenzial aufrechterhalten wird, bleibt eine Population von Ionen und Elektronen bestehen.

Ein Teil der kinetischen Energie der Ionen wird auf die Kathode übertragen. Dies geschieht teilweise dadurch, dass die Ionen direkt auf die Kathode treffen. Der Hauptmechanismus ist jedoch weniger direkt. Die Ionen treffen auf die zahlreicheren neutralen Gasatome und übertragen einen Teil ihrer Energie auf diese. Diese neutralen Atome treffen dann auf die Kathode. Unabhängig davon, welche Art von Atomen auf die Kathode trifft, wird die Energie durch Kollisionen innerhalb der Kathode umverteilt, bis ein Teil der Kathode herausgeschleudert wird, in der Regel in Form von freien Atomen. Dieser Vorgang wird als Sputtern bezeichnet. Sobald sie sich von der Kathode gelöst haben, bewegen sich die Atome durch Drift und aufgrund der Energie, die sie beim Sputtern gewonnen haben, in den Hauptteil der Glimmentladung. Die Atome können dann durch Kollisionen angeregt werden. Diese Kollisionen können mit Ionen, Elektronen oder anderen Atomen erfolgen, die zuvor durch Kollisionen mit Ionen, Elektronen oder Atomen angeregt worden sind. Einmal angeregte Atome verlieren ihre Energie relativ schnell. Von den verschiedenen Möglichkeiten, wie diese Energie verloren gehen kann, ist die wichtigste die Strahlung, d. h. die Freisetzung eines Photons, das die Energie abtransportiert. In der optischen Atomspektroskopie kann die Wellenlänge dieses Photons zur Bestimmung der Identität des Atoms (d. h. welches chemische Element es ist) verwendet werden, und die Anzahl der Photonen ist direkt proportional zur Konzentration des Elements in der Probe. Einige Kollisionen (mit ausreichend hoher Energie) führen zur Ionisierung. In der atomaren Massenspektrometrie werden diese Ionen nachgewiesen. Ihre Masse gibt Aufschluss über die Art der Atome und ihre Menge über die Menge des Elements in der Probe.

Die obige Abbildung zeigt die wichtigsten Bereiche, die in einer Glimmentladung vorhanden sein können. Die als „Glühen“ bezeichneten Bereiche emittieren signifikantes Licht, die als „dunkle Räume“ bezeichneten Bereiche nicht. Wenn sich die Entladung weiter ausdehnt (d. h. in der Geometrie der Abbildung horizontal gestreckt wird), kann die positive Spalte gestreift werden. Das heißt, es können sich abwechselnd dunkle und helle Bereiche bilden. Wird die Entladung dagegen horizontal gestaucht, entstehen weniger Bereiche. Die positive Säule wird komprimiert, während das negative Glühen die gleiche Größe behält, und bei ausreichend kleinen Lücken verschwindet die positive Säule ganz. Bei einer analytischen Glimmentladung ist die Entladung in erster Linie ein negatives Glühen mit dunklen Bereichen darüber und darunter.

Grundstruktur der Glimmentladung

Die Spannungs-Strom-Charakteristik einer Glimmentladung ist, wie viele Plasmaphänomene, stark nichtlinear, und die gewöhnliche lineare Physik kann nicht zur Erklärung ihrer Struktur herangezogen werden. Bei einer einfachen Gleichstrom-Glimmentladung können drei Hauptbereiche unterschieden werden: Dunkelentladung, Glimmentladung und Bogenentladung.

Die obige Abbildung ist ein typisches V/I-Diagramm einer Glimmentladung. Die Hauptmerkmale der Entladung wie die Durchbruchspannung, die Spannungs-Strom-Kennlinie und die Struktur der Entladung hängen von der Geometrie der Elektroden, dem verwendeten Gas, dem Druck und dem Elektrodenmaterial ab.

Dunkelentladung (Dunkelstrommodus)

Der Bereich zwischen A und E auf der Spannungs-Strom-Kennlinie wird als Dunkelentladung bezeichnet, weil die Entladung mit Ausnahme von Koronaentladungen und dem Durchschlag selbst für das Auge unsichtbar bleibt.

• A – B Während der Phase der Hintergrundionisierung des Prozesses fegt das elektrische Feld, das entlang der Achse der Entladungsröhre angelegt wird, die Ionen und Elektronen heraus, die durch die Ionisierung der Hintergrundstrahlung entstanden sind. Die Hintergrundstrahlung aus kosmischer Strahlung, radioaktiven Mineralien oder anderen Quellen erzeugt in der Luft bei atmosphärischem Druck einen konstanten und messbaren Ionisierungsgrad. Die Ionen und Elektronen wandern im angelegten elektrischen Feld zu den Elektroden und erzeugen einen schwachen elektrischen Strom. Mit zunehmender Spannung wird ein immer größerer Teil dieser Ionen und Elektronen mitgerissen.

• B – C Wird die Spannung zwischen den Elektroden weit genug erhöht, werden schließlich alle verfügbaren Elektronen und Ionen mitgerissen, und der Strom geht in die Sättigung. Im Sättigungsbereich bleibt der Strom konstant, während die Spannung erhöht wird. Dieser Strom hängt linear von der Stärke der Strahlungsquelle ab, was bei einigen Strahlungszählern nützlich ist.

• C – E Wird die Spannung an der Niederdruckentladungsröhre über den Punkt C hinaus erhöht, steigt der Strom exponentiell an. Das elektrische Feld ist jetzt so stark, dass die anfänglich im Gas vorhandenen Elektronen genügend Energie gewinnen können, bevor sie die Anode erreichen, um ein neutrales Atom zu ionisieren. Da das elektrische Feld noch stärker wird, kann das Sekundärelektron auch ein anderes neutrales Atom ionisieren, was zu einer Lawine von Elektronen- und Ionenproduktion führt. Der Bereich mit exponentiell ansteigendem Strom wird als Townsend-Entladung bezeichnet.

• D – E Koronaentladungen treten in Townsend-Dunkelentladungen in Bereichen mit hohem elektrischem Feld in der Nähe von scharfen Punkten, Kanten oder Drähten in Gasen vor dem elektrischen Durchschlag auf. Wenn die koronalen Ströme hoch genug sind, können Koronaentladungen technisch gesehen „Glimmentladungen“ sein, die mit dem Auge sichtbar sind. Bei niedrigen Strömen ist die gesamte Korona dunkel, wie es den dunklen Entladungen entspricht. Zu den verwandten Phänomenen gehören die stille elektrische Entladung, eine unhörbare Form der fadenförmigen Entladung, und die Büschelentladung, eine leuchtende Entladung in einem ungleichmäßigen elektrischen Feld, bei der viele Koronaentladungen gleichzeitig aktiv sind und Ströme durch das Gas bilden.

• E Der elektrische Durchschlag erfolgt im Townsend-Regime unter Hinzufügung von Sekundärelektronen, die von der Kathode aufgrund von Ionen- oder Photonenstößen emittiert werden. Am Durchbruchspotential VB kann der Strom um den Faktor 104 bis 108 ansteigen und wird in der Regel nur durch den Innenwiderstand des zwischen den Platten angeschlossenen Netzteils begrenzt. Ist der Innenwiderstand des Netzteils sehr hoch, kann die Entladungsröhre nicht genug Strom aufnehmen, um das Gas zu zerlegen, und die Röhre bleibt im Koronazustand, wobei kleine Koronapunkte oder Büschelentladungen an den Elektroden zu beobachten sind. Wenn der Innenwiderstand der Stromversorgung relativ niedrig ist, bricht das Gas bei der Spannung VB zusammen und geht in den normalen Glimmentladungszustand über. Die Durchbruchsspannung für ein bestimmtes Gas und ein bestimmtes Elektrodenmaterial hängt vom Produkt aus dem Druck und dem Abstand zwischen den Elektroden, pd, ab, wie im Paschen’schen Gesetz (1889) ausgedrückt.

Glimmentladung (normaler Glühzustand)

Der Glimmentladungszustand verdankt seinen Namen der Tatsache, dass das Plasma leuchtet. Das Gas leuchtet, weil die Elektronenenergie und die Elektronenzahldichte hoch genug sind, um durch Anregungskollisionen sichtbares Licht zu erzeugen. Zu den Anwendungen der Glimmentladung gehören Leuchtstoffröhren, Gleichstrom-Parallelplatten-Plasmareaktoren, „Magnetron“-Entladungen, die zur Abscheidung dünner Schichten verwendet werden, und Elektrobombardierungs-Plasmaquellen.

• F – G Nach einem diskontinuierlichen Übergang von E nach F tritt das Gas in den normalen Glühbereich ein, in dem die Spannung über mehrere Größenordnungen des Entladungsstroms hinweg nahezu unabhängig vom Strom ist. Die Elektrodenstromdichte ist in diesem Bereich unabhängig vom Gesamtstrom. Dies bedeutet, dass das Plasma bei niedrigen Strömen nur mit einem kleinen Teil der Kathodenoberfläche in Kontakt ist. Wenn der Strom von F auf G erhöht wird, nimmt der vom Plasma belegte Teil der Kathode zu, bis das Plasma am Punkt G die gesamte Kathodenoberfläche bedeckt.

• G – H Im Bereich des anormalen Glühens oberhalb des Punktes G steigt die Spannung mit zunehmendem Gesamtstrom erheblich an, um die Stromdichte der Kathode über ihren natürlichen Wert zu zwingen und den gewünschten Strom zu liefern. Vom Punkt G ausgehend und nach links verlaufend, ist eine Art Hysterese in der Spannungs-Strom-Kennlinie zu beobachten. Die Entladung hält sich bei wesentlich niedrigeren Strömen und Stromdichten als bei Punkt F und geht erst dann wieder in den Townsend-Zustand über.

Bogenentladungen (arc mode)

• H – K Bei Punkt H werden die Elektroden so heiß, dass die Kathode thermionisch Elektronen abgibt. Wenn die Gleichstromversorgung einen ausreichend niedrigen Innenwiderstand aufweist, geht die Entladung in einen Übergang von Glühen zu Lichtbogen (H-I) über. Im Bogenbereich von I bis K nimmt die Entladungsspannung mit steigendem Strom ab, bis am Punkt J große Ströme erreicht werden, und danach steigt die Spannung mit zunehmendem Strom langsam an.

Fusion in Glimmentladungen

Die Eigenschaften von Glimmentladungen wurden als idealer Weg zur Erzeugung von Fusionsenergie vorgeschlagen, und einige Fusionstechniken wurden entwickelt, um die Eigenschaften und verschiedenen Betriebsarten von Glimmentladungen als wichtige Komponente in diesem Prozess zu nutzen. Die bekannteste davon ist die Trägheitsfusion mit elektrostatischem Einschluss (IECF). Bei diesem Verfahren werden die Brennstoffionen mit rein elektrostatischen Feldern in einer konvergenten Geometrie eingefangen, im Gegensatz zum magnetischen Einschluss und anderen ähnlichen, bekannteren Methoden. Der Erfinder dieses Konzepts war der US-Wissenschaftler Philo Farnsworth, der in den 1950er Jahren auf diese Idee kam. Andere Variationen dieses Konzepts sind das Polywell-Konzept, die Penning-Falle, die Perodically Oscillating Plasma Sphere (POPS) und Multi-Elektroden-Geräte (#Elektroden >2). Alle diese Geräte weisen einige Merkmale auf, die sie komplexer machen als die einfachen Glimmentladungsgeräte mit zwei Elektroden, oft mit der Absicht, einige der Verlustmechanismen zu umgehen, die mit IECF-Geräten verbunden sind.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Eine Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)-Neutronen/Protonenquelle ist eine kompakte Vorrichtung mit einfacher Konfiguration, die auf
den Eigenschaften der Glimmentladung basiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer transparenten Hohlkathode in der Mitte einer kugelförmigen Vakuumkammer (die als Anode dient), die in der Regel mit einem D2-Brennstoffgas gefüllt ist, und einer dazwischen stattfindenden Glimmentladung. Die dabei entstehenden hochenergetischen Ionen wechselwirken mit dem Hintergrundgas (Strahl-Hintergrund-Kollisionen) und mit sich selbst (Strahl-Strahl-Kollisionen) in einem kleinen Volumen um den zentralen Punkt, was zu einer hohen Rate an Fusionsreaktionen führt. Das Ergebnis ist ein Neutronengenerator, der Neutronen in der Größenordnung von 106-108 Neutronen pro Sekunde erzeugt. In Geräten mit noch höheren Injektionsraten können die injizierten Ionen eine tiefe, selbst erzeugte Potentialmulde bilden, die die gefangenen Strahl-Ionen einschließt und so noch höhere Reaktionsraten ermöglicht. Die Vorrichtung kann durch die Verwendung eines Füllgasgemischs aus Deuterium und Helium-3 modifiziert werden, um sowohl Protonen als auch Neutronen zu erzeugen. IECF hat auch vielversprechende Anwendungen für die Detektion von Landminen.

Arbeitsweisen der IECF

Die Glimmentladung in IECF-Maschinen kann in vier verschiedene Entladungsarten eingeteilt werden. Es handelt sich um den Zentralglühmodus, den Sternmodus, den Halo-Modus und den Jet-Modus. Die Namen beschreiben das visuelle Erscheinungsbild des von den Entladungen ausgestrahlten Lichts. Jeder Modus ist bei gegebenen Betriebsparametern mit einer anderen Potentialtopfstruktur und damit einer anderen Neutronenproduktionsrate verbunden. Jeder Modus erfordert eine einzigartige Kombination von Betriebsparametern, d.h. Spannung, Strom, Druck und Gitterparameter.

• Zentralglühen Im Zentralglühen wird ein kugelförmiges Glühen in der Mitte der Kugel erzeugt. Um es zu erzeugen, kann eine Ionenquelle wie eine Ionenkanone oder ein Ionenquellengitter oder eine Elektronen emittierende Kathode verwendet werden. Bei der Kathode wird das Gitter so kugelförmig wie möglich gestaltet und aus vielen feinen Gitterdrähten mit vielen Öffnungen zusammengesetzt, um eine große geometrische Transparenz und einen einigermaßen gleichmäßigen und sphärisch symmetrischen Ionenfluss zu erzielen. Bei einem solchen Betrieb ist die Transparenz des Gitters ein Schlüsselparameter: Da die Ionen fast gleichmäßig durch das Gitter fließen, wird ein Teil des Stroms abgefangen und geht an den Gitterdrähten verloren. Je höher die geometrische Transparenz des Gitters ist, desto geringer ist der Verlustanteil der Ionen und desto höher ist die Ionenrezirkulationsrate. Die Reaktionsrate im Zentrum des Gitters wird entsprechend erhöht, und die Aufheizung und Zerstäubung des Gitters durch Ionenbeschuss wird verringert. Die Entwicklung und Optimierung solcher Gitterkonstruktionen war daher das Hauptziel früherer Forscher auf diesem Gebiet. Bei ähnlichen Betriebsspannungen und -strömen liefert dieser Modus nur etwa ein Drittel der Neutronenleistung pro Leistungseinheit im Vergleich zum Star-Modus.

• Sternmodus: Um den Sternmodus zu erzeugen, wird ein Gitter so konstruiert, dass der Durchmesser der Gitteröffnung einen erheblichen Teil des Hauptumfangs des Gitters ausmacht. Dies führt zu einer lokalen Vertiefung der Potenzialfläche. (Diese Vertiefung muss vermieden werden, um den Central Glow Mode zu erzeugen.) Diese Vertiefung wiederum bewirkt, dass der Ionenfluss fokussiert wird und die charakteristischen radialen Ionenstrahlen oder „Speichen“ des Star Mode bildet. Bei planaren Entladungen ist eine Betrachtung der Hülle in nur einer Dimension möglich, aber die diskrete Natur des Kathodengitters einer kugelförmigen Glimmentladung führt zu einer komplizierten 3D-Potentialstruktur. Dies führt dazu, dass die Kathode aufgrund der Krümmung des Feldes zwischen den einzelnen Drähten des Kathodengitters wie eine Linse für geladene Teilchen wirkt. Dies bedeutet, dass wir keinen homogenen Teilchenfluss zwischen den Elektroden haben, sondern eine heterogene Flussstruktur von Plasma-„Speichen“, die Teilchen zwischen den Elektroden transportieren. Die Speichen sind auch leuchtend, wie in Abb. 1 dargestellt. Der Sternmodus tritt typischerweise bei Drücken von ~ 1 bis 25 mTorr auf.
• Halo-Modus: Der Halo-Modus wird auf die gleiche Weise eingeleitet wie der Star-Modus und ist in vielerlei Hinsicht ähnlich, jedoch in der Regel bei niedrigeren Drücken und damit höheren Kathodenspannungen. Der Übergang zum Halo-Modus erfolgt durch Vergrößerung einer oder mehrerer Gitteröffnungen (d. h. durch physisches Entfernen des Drahtabschnitts, der benachbarte Öffnungen trennt). Dies bewirkt einen Elektronenfluss aus dem zentralen Volumen (Elektronenstrahl), wodurch der Halo-Modus entsteht. Dann wird ein starker Elektronenstrahl beobachtet, der durch die vergrößerte(n) Öffnung(en) fließt. Bis zu sechs Jets wurden auf gegenüberliegenden Seiten des betreffenden Gitters erzeugt. Der Strahl wiederum erzeugt neue Ionen durch Kollisionsionisation der neutralen Hintergrundstrahlung. Die daraus resultierenden Ionen- und Elektronenströme bewirken eine vollständige Umverteilung der Raumladung und bilden so eine neue Potentialtopfstruktur, die durch ein helles zentrales Glühen und eine äußere glühende Halo-Region gekennzeichnet ist. Es bildet sich ein heller weißer, kugelförmiger Halo konzentrisch zum Kathodengitter mit einem hellen Punkt in der Mitte. Dementsprechend wurde diese Betriebsart als Halo-Modus bezeichnet. Der Halo wurde immer von dem oben erwähnten Elektronenstrahl begleitet, der als ein grundlegendes Merkmal dieser Betriebsart gilt. Der Halo-Modus bietet im Allgemeinen eine um den Faktor 1,5 bis 3 höhere Neutronenemissionsrate pro Leistungseinheit als der Star-Modus.

• Jet-Modus: Wenn der Druck über den „Star Mode“-Betriebsbereich hinaus erhöht wird, ist die Entladung mit Ausnahme der radialen Varianz sichtbar gleichmäßiger und wird von einem Elektronenstrahl durch ein bestimmtes Gitterloch des Kathodengitters begleitet. Siehe Abb. 2. Aus diesem Grund wird dieser Modus als „Jet Mode“ bezeichnet. Trotz der visuellen Gleichförmigkeit besteht im „Jet Mode“ eine heterogene Elektronenflussstruktur zwischen Anode und Kathode.

Hinweise