Descărcarea electrică cu incandescență

Descărcarea electrică cu incandescență este un tip de plasmă formată prin trecerea unui curent de la 100 V până la câțiva kV printr-un gaz, de obicei argon sau alt gaz nobil. Se regăsește în produse precum luminile fluorescente și televizoarele cu ecran cu plasmă și este utilizată în fizica plasmei și în chimia analitică, fiind propusă ca o metodă alternativă prin care stelele își produc spectrele vizibile.

Devacuarea luminoasă își datorează numele faptului că plasma este luminoasă, luminozitatea este produsă deoarece electronii capătă suficientă energie pentru a genera lumină vizibilă prin coliziuni de excitație care generează fotoni. Acest fenomen este cel mai ușor de realizat prin interacțiunea dintre un anod și un catod, care generează circuitul complex de curent care produce strălucirea. În formarea descărcărilor luminoase este implicată formarea unor câmpuri electrice restrânse și a unor învelișuri de plasmă la fiecare dintre electrozi. Ionizarea trebuie să fie, de asemenea, o parte critică a unei descărcări luminoase în stare de echilibru, deoarece va exista o pierdere continuă de ioni din orice componentă stabilită a sistemului la un moment dat, care trebuie să fie echilibrată de un câștig echivalent.

Cel mai simplu tip de descărcare luminoasă este o descărcare luminoasă în curent continuu. În forma sa cea mai simplă, aceasta constă din doi electrozi într-o celulă menținută la presiune scăzută (1-10 torr). Celula este umplută de obicei cu argon. Între cei doi electrozi se aplică un potențial de câteva sute de volți. O mică populație de atomi din interiorul celulei este inițial ionizată prin procese aleatorii (coliziuni între atomi sau cu particule alfa, de exemplu). Ionii (care sunt încărcați pozitiv) sunt împinși spre catod de potențialul electric, iar electronii sunt împinși spre anod de același potențial. Populația inițială de ioni și electroni se ciocnește cu alți atomi, ionizându-i. Atâta timp cât potențialul este menținut, rămâne o populație de ioni și electroni.

O parte din energia cinetică a ionilor este transferată către catod. Acest lucru se întâmplă parțial prin faptul că ionii lovesc direct catodul. Cu toate acestea, mecanismul principal este mai puțin direct. Ionii lovesc atomii mai numeroși ai gazului neutru, transferându-le o parte din energia lor. Acești atomi neutri lovesc apoi catodul. Indiferent de speciile care lovesc catodul, coliziunile din interiorul catodului redistribuie această energie până când o parte din catod este expulzată, de obicei sub formă de atomi liberi. Acest proces este cunoscut sub numele de pulverizare (sputtering). Odată eliberați de catod, atomii se deplasează în grosul descărcării luminoase prin derivă și datorită energiei pe care au obținut-o în urma pulverizării. Atomii pot fi apoi excitați prin coliziune. Aceste coliziuni pot avea loc cu ioni, electroni sau alți atomi care au fost excitați anterior prin coliziuni cu ioni, electroni sau atomi. Odată excitați, atomii își vor pierde energia destul de repede. Dintre diferitele moduri în care această energie poate fi pierdută, cel mai important este prin radiație, ceea ce înseamnă că un foton este eliberat pentru a transporta energia. În spectroscopia atomică optică, lungimea de undă a acestui foton poate fi utilizată pentru a determina identitatea atomului (adică ce element chimic este), iar numărul de fotoni este direct proporțional cu concentrația elementului respectiv în probă. Unele coliziuni (cele cu o energie suficient de mare) vor provoca ionizare. În spectrometria de masă atomică, acești ioni sunt detectați. Masa lor identifică tipul de atomi, iar cantitatea lor relevă cantitatea acelui element din eșantion.

Figura de mai sus prezintă principalele regiuni care pot fi prezente într-o descărcare luminoasă. Regiunile descrise ca „străluciri” emit lumină semnificativă; regiunile etichetate ca „spații întunecate” nu o fac. Pe măsură ce descărcarea devine mai extinsă (adică întinsă pe orizontală în geometria figurii), coloana pozitivă poate deveni striată. Altfel spus, se pot forma regiuni alternativ întunecate și luminoase. În mod corelativ, comprimarea descărcării pe orizontală va rezulta în mai puține regiuni. Coloana pozitivă va fi comprimată, în timp ce strălucirea negativă va rămâne de aceeași dimensiune și, cu spații suficient de mici, coloana pozitivă va dispărea cu totul. Într-o descărcare luminoasă analitică, descărcarea este în primul rând o strălucire negativă cu o regiune întunecată deasupra și dedesubt.

Structura de bază a descărcării luminoase

Caracteristica curentului de tensiune a unei descărcări luminoase este foarte neliniară, la fel ca multe fenomene plasmatice, iar fizica liniară obișnuită nu poate fi aplicată pentru a explica structura acestora. Pentru o descărcare luminoasă de bază în curent continuu, se pot distinge trei regiuni principale una față de cealaltă, descărcarea întunecată, dicarderea luminoasă și descărcarea în arc.

Figura de mai sus este un grafic V/I tipic al unei descărcări luminoase. Principalele caracteristici ale descărcării, cum ar fi tensiunea de rupere, caracteristica curentului de tensiune și structura descărcării, depind de geometria electrozilor, de gazul utilizat, de presiune și de materialul electrodului.

Descărcare întunecată (mod de curent întunecat)

Regimul cuprins între A și E pe caracteristica tensiune-curent este denumit descărcare întunecată deoarece, cu excepția descărcărilor corona și a descărcării propriu-zise, descărcarea rămâne invizibilă pentru ochi.

• A – B În timpul etapei de ionizare de fond a procesului, câmpul electric aplicat de-a lungul axei tubului de descărcare mătură ionii și electronii creați prin ionizare din radiația de fond. Radiațiile de fond provenite din raze cosmice, minerale radioactive sau alte surse produc un grad constant și măsurabil de ionizare în aer la presiune atmosferică. Ionii și electronii migrează către electrozi în câmpul electric aplicat, producând un curent electric slab. Creșterea tensiunii mătură o fracțiune din ce în ce mai mare din acești ioni și electroni.

• B – C Dacă tensiunea dintre electrozi este crescută suficient de mult, în cele din urmă toți electronii și ionii disponibili sunt măturați, iar curentul se saturează. În regiunea de saturație, curentul rămâne constant în timp ce tensiunea este crescută. Acest curent depinde liniar de intensitatea sursei de radiații, un regim util în unele contoare de radiații.

• C – E Dacă tensiunea pe tubul de descărcare de joasă presiune este crescută dincolo de punctul C, curentul va crește exponențial. Câmpul electric este acum suficient de mare pentru ca electronii prezenți inițial în gaz să poată dobândi suficientă energie înainte de a ajunge la anod pentru a ioniza un atom neutru. Pe măsură ce câmpul electric devine și mai puternic, electronul secundar poate ioniza, de asemenea, un alt atom neutru, ceea ce duce la o avalanșă de producere de electroni și ioni. Regiunea de creștere exponențială a curentului se numește descărcare Townsend.

• D – E Descărcările Corona apar în descărcări întunecate Townsend în regiuni cu câmp electric ridicat, în apropierea punctelor ascuțite, a marginilor sau a firelor din gaze, înainte de o ruptură electrică. Dacă curenții coronali sunt suficient de mari, descărcările corona pot fi, din punct de vedere tehnic, „descărcări luminoase”, vizibile cu ochiul liber. Pentru curenți mici, întreaga coroană este întunecată, așa cum se cuvine pentru descărcările întunecate. Fenomene înrudite includ descărcarea electrică silențioasă, o formă inaudibilă de descărcare filamentară, și descărcarea în perie, o descărcare luminoasă într-un câmp electric neuniform în care mai multe descărcări corona sunt active în același timp și formează serpentine prin gaz.

• E Descompunerea electrică are loc în regim Townsend cu adăugarea de electroni secundari emiși din catod datorită impactului ionilor sau fotonilor. La potențialul de rupere, sau potențial de scânteie VB, curentul poate crește de un factor de 104 până la 108 și, de obicei, este limitat doar de rezistența internă a sursei de alimentare conectată între plăci. În cazul în care rezistența internă a sursei de alimentare este foarte mare, tubul de descărcare nu poate absorbi suficient curent pentru a descompune gazul, iar tubul va rămâne în regim corona, cu mici puncte corona sau descărcări în perie evidente pe electrozi. În cazul în care rezistența internă a sursei de alimentare este relativ scăzută, atunci gazul se va descompune la tensiunea VB și va trece la regimul normal de descărcare luminoasă. Tensiunea de rupere pentru un anumit gaz și un anumit material de electrozi depinde de produsul dintre presiune și distanța dintre electrozi, pd, așa cum este exprimat în legea lui Paschen (1889).

Descărcare luminoasă (regim normal de descărcare luminoasă)

Regimul de descărcare luminoasă își datorează numele faptului că plasma este luminoasă. Gazul strălucește deoarece energia și densitatea numerică a electronilor sunt suficient de mari pentru a genera lumină vizibilă prin coliziuni de excitare. Printre aplicațiile descărcărilor incandescente se numără luminile fluorescente, reactoarele cu plasmă cu plăci paralele de curent continuu, descărcările „magnetron” utilizate pentru depunerea de filme subțiri și sursele de plasmă cu electrobombardament.

• F – G După o tranziție discontinuă de la E la F, gazul intră în regiunea de incandescență normală, în care tensiunea este aproape independentă de curent pe mai multe ordine de mărime ale curentului de descărcare. Densitatea de curent de electrod este independentă de curentul total în acest regim. Aceasta înseamnă că plasma este în contact doar cu o mică parte a suprafeței catodice la curenți mici. Pe măsură ce curentul crește de la F la G, fracțiunea de catod ocupată de plasmă crește, până când plasma acoperă întreaga suprafață a catodului în punctul G.

• G – H În regimul de strălucire anormală de deasupra punctului G, tensiunea crește semnificativ odată cu creșterea curentului total pentru a forța densitatea de curent catodică peste valoarea sa naturală și pentru a furniza curentul dorit. Începând de la punctul G și mergând spre stânga, se observă o formă de histerezis în caracteristica tensiune-curent. Descărcarea se menține la curenți și densități de curent considerabil mai mici decât în punctul F și abia apoi face o tranziție înapoi la regimul Townsend.

Descărcări în arc (modul arc)

• H – K În punctul H, electrozii devin suficient de fierbinți pentru ca catodul să emită electroni în mod termoionic. Dacă sursa de alimentare în curent continuu are o rezistență internă suficient de mică, descărcarea va suferi o tranziție de la incandescență la arc, H-I. Regimul de arc, de la I până la K, este unul în care tensiunea de descărcare scade pe măsură ce crește curentul, până când se ating curenți mari în punctul J, iar după aceea tensiunea crește încet pe măsură ce crește curentul.

Fuziunea în descărcările incandescente

Proprietățile descărcărilor incandescente au fost sugerate ca o modalitate ideală de a crea energie de fuziune, iar unele tehnici de fuziune au fost dezvoltate pentru a utiliza proprietățile și diferitele moduri de funcționare ale descărcărilor incandescente ca o componentă vitală în acest proces. Cea mai notabilă dintre acestea este fuziunea cu confinament inerțial-electrostatic (IECF). În acest proces, ionii de combustibil sunt captivi cu ajutorul unor câmpuri pur electrostatice într-o geometrie convergentă, spre deosebire de confinarea magnetică și de alte metode similare mai populare. Inventatorul acestui concept a fost omul de știință american Philo Farnsworth, care a venit cu această idee în anii 1950. Alte variante ale acestui concept includ conceptul Polywell, capcana Penning, Sfera de plasmă cu oscilație perodică (POPS) și dispozitivele cu electrozi multipli (#electrozi >2). Toate aceste dispozitive includ anumite caracteristici care le fac mai complexe decât simplele dispozitive de descărcare luminoasă cu doi electrozi, adesea cu intenția de a eluda unele dintre mecanismele de pierdere asociate cu dispozitivele IECF.

Fuziune prin confinament inerțial-electrostatic (IECF)

O sursă de neutroni/protoni de fuziune prin confinament inerțial-electrostatic (IECF) este un dispozitiv compact de configurație simplă, bazat pe
proprietățile descărcării luminoase. Ea constă, în principiu, dintr-un catod gol transparent aflat în centrul unei camere de vid sferice (care servește drept anod), umplute de obicei cu un gaz combustibil D2, iar între ele are loc o descărcare luminoasă. Ionii de înaltă energie rezultați interacționează cu gazul de fond (coliziuni fascicul-fond) și cu ei înșiși (coliziuni fascicul-fascicul) într-un volum mic în jurul punctului central, ceea ce duce la o rată ridicată de reacții de fuziune. Rezultatul este un generator de neutroni care produce neutroni de ordinul a 106-108 neutroni pe secundă. În dispozitivele care utilizează rate de injecție și mai mari, ionii injectați pot oferi un puț de potențial autogenerat profund care confinează ionii de fascicul prinși, creând rate de reacție și mai mari. Dispozitivul poate fi modificat prin utilizarea unui amestec gazos de deuteriu și heliu-3 ca sursă de protoni, precum și de neutroni. IECF are, de asemenea, aplicații promițătoare pentru detectarea minelor terestre.

Modele de funcționare asociate cu IECF

Descărcarea luminoasă din aparatele IECF poate fi clasificată în funcție de patru moduri de descărcare distincte. Acestea sunt modul Central Glow, modul Star, modul Halo și modul Jet. Denumirile sunt descriptive pentru aspectul vizual al luminii emise de descărcări. Fiecare mod este asociat cu o structură diferită a puțului de potențial și, prin urmare, cu o rată de producție de neutroni, pentru anumiți parametri de funcționare. Fiecare dintre ele necesită o combinație unică de parametri de funcționare, adică tensiune, curent, presiune și parametri de rețea.

• Modul „Central Glow” În modul „Central Glow”, se produce o strălucire în formă de bilă în centrul sferei. Pentru a o produce, se poate utiliza o sursă de ioni, cum ar fi un tun de ioni sau o grilă de sursă de ioni sau un catod emițător de electroni. În cazul catodului, grila este realizată cât mai sferică posibil, compusă din mai multe fire fine de grilă cu multe deschideri pentru a obține o transparență geometrică mare și un flux de ioni rezonabil de uniform și sferic simetric. Într-o astfel de operațiune, transparența grilei este un parametru cheie: deoarece ionii curg aproape uniform prin grilă, o parte din curent este interceptată și pierdută în firele grilei. Cu cât este mai mare transparența geometrică a grilei, cu atât este mai mică fracția de pierdere a ionilor – ceea ce crește rata de recirculare a ionilor. Rata de reacție în punctul central crește în mod corespunzător, iar încălzirea și pulverizarea grilei prin bombardament ionic este redusă. Astfel, dezvoltarea și optimizarea unor astfel de modele de grilă au fost obiectivele principale ale lucrătorilor anteriori din domeniu. Pentru tensiuni și curenți de funcționare similari, acest mod oferă doar aproximativ o treime din producția de neutroni pe unitate de putere absorbită în comparație cu modul Star.

• Modul Star: Pentru a crea modul Steaua, se construiește o rețea astfel încât diametrul deschiderii rețelei să fie o fracțiune semnificativă din circumferința majoră a rețelei. Acest lucru determină o depresiune locală a suprafeței potențiale. (Această depresiune trebuie evitată pentru a crea modul Central Glow.) Această depresiune, la rândul ei, face ca fluxul de ioni să se concentreze, formând fasciculele de ioni radiale sau „razele” caracteristice modului Star. În cazul descărcărilor plane, este posibilă luarea în considerare a învelișului într-o singură dimensiune, dar natura discretă a grilei catodice a unei descărcări incandescente de formă sferică are ca rezultat o structură de potențial 3D complicată. Aceasta are ca rezultat faptul că catodul acționează ca o lentilă efectivă de particule încărcate datorită curburii câmpului dintre firele individuale ale grilei catodice. Aceasta înseamnă că nu avem un flux omogen de particule între electrozi, ci mai degrabă o structură eterogenă de flux de „raze” de plasmă care transportă particule între electrozi. Aceste raze sunt, de asemenea, luminoase, după cum se indică în figura 1. Modul stea apare de obicei la presiuni cuprinse între ~ 1 și 25mTorr.
• Modul Halo: Acesta se inițiază în același mod ca și modul stea și este similar în multe privințe, dar de obicei la presiuni mai mici și, prin urmare, la tensiuni catodice mai mari. Trecerea la modul Halo se realizează prin lărgirea uneia sau mai multor deschideri ale grilei (adică prin îndepărtarea fizică a secțiunii de sârmă care separă deschiderile adiacente). Aceasta provoacă un flux de electroni în afara volumului central (jet de electroni), situație în care se dezvoltă modul Halo. Apoi se observă un jet puternic de electroni care trece prin deschiderea (deschiderile) lărgită (lărgite). Au fost create până la șase jeturi pe fețele opuse ale grilei în cauză. La rândul său, jetul creează noi ioni prin ionizarea prin coliziune a neutrilor de fond. Fluxurile de ioni și electroni rezultate determină o redistribuire completă a sarcinii spațiale, formând astfel o nouă structură de puț de potențial caracterizată printr-o strălucire centrală strălucitoare și o regiune exterioară de halo strălucitor. Se formează un halou alb strălucitor, sferic, concentric față de grila catodică, cu un punct luminos în centru. În consecință, acest mod de funcționare a fost denumit modul Halo. Haloul a fost întotdeauna însoțit de jetul de electroni, menționat mai sus, despre care se crede că este o caracteristică fundamentală a acestui mod. Modul Halo oferă, în general, o rată de emisie de neutroni de 1,5 până la 3 ori mai mare pe unitate de putere de intrare decât modul Star.

• Modul Jet: Pe măsură ce presiunea este crescută peste regimurile de funcționare „Star Mode”, descărcarea este vizibil mai uniformă, cu excepția variației radiale, și este însoțită de un jet de electroni printr-un anumit orificiu al grilei catodice. A se vedea Fig. 2. Din acest motiv, acest mod este denumit „Jet Mode”. În ciuda uniformității vizuale, o structură eterogenă a fluxului de electroni există încă între anod și catod în „Jet Mode”.

Note

.