Descarga eléctrica brillante

La descarga eléctrica brillante es un tipo de plasma que se forma haciendo pasar una corriente de 100 V a varios kV a través de un gas, normalmente argón u otro gas noble. Se encuentra en productos como las luces fluorescentes y los televisores con pantalla de plasma, y se utiliza en la física del plasma y en la química analítica, y se ha propuesto como método alternativo por el que las estrellas producen sus espectros visibles.

La descarga brillante debe su nombre al hecho de que el plasma es luminoso, la luminosidad se produce porque los electrones ganan suficiente energía para generar luz visible mediante colisiones de excitación que generan fotones. Este fenómeno se consigue más fácilmente mediante la interacción de un ánodo y un cátodo, que genera el complejo circuito de corriente que produce el resplandor. En la formación de las descargas incandescentes interviene la formación de campos eléctricos restringidos y vainas de plasma en cada uno de los electrodos. La ionización también tiene que ser una parte crítica de una descarga incandescente en una condición de equilibrio, ya que habrá una pérdida continua de iones de cualquier componente del sistema en un momento dado, que necesita ser equilibrada por una ganancia equivalente.

El tipo más simple de descarga incandescente es una descarga incandescente de corriente directa. En su forma más simple, consiste en dos electrodos en una celda mantenida a baja presión (1-10 torr). La célula suele estar llena de argón. Se aplica un potencial de varios cientos de voltios entre los dos electrodos. Una pequeña población de átomos dentro de la célula se ioniza inicialmente mediante procesos aleatorios (colisiones entre átomos o con partículas alfa, por ejemplo). Los iones (con carga positiva) son conducidos hacia el cátodo por el potencial eléctrico, y los electrones son conducidos hacia el ánodo por el mismo potencial. La población inicial de iones y electrones colisiona con otros átomos, ionizándolos. Mientras se mantenga el potencial, se mantiene una población de iones y electrones.

Una parte de la energía cinética de los iones se transfiere al cátodo. Esto sucede parcialmente a través de los iones que golpean el cátodo directamente. El mecanismo principal, sin embargo, es menos directo. Los iones golpean los átomos neutros más numerosos del gas, transfiriéndoles una parte de su energía. Estos átomos neutros golpean entonces el cátodo. Sea cual sea la especie que golpee el cátodo, las colisiones dentro del mismo redistribuyen esta energía hasta que una parte del cátodo es expulsada, normalmente en forma de átomos libres. Este proceso se conoce como sputtering. Una vez libres del cátodo, los átomos se mueven hacia el grueso de la descarga luminosa a través de la deriva y debido a la energía que ganaron con el sputtering. Los átomos pueden entonces ser excitados por colisiones. Estas colisiones pueden ser con iones, electrones u otros átomos que han sido previamente excitados por colisiones con iones, electrones o átomos. Una vez excitados, los átomos perderán su energía con bastante rapidez. De las diversas formas en que esta energía puede perderse, la más importante es la radiativa, lo que significa que se libera un fotón que se lleva la energía. En la espectroscopia atómica óptica, la longitud de onda de este fotón puede utilizarse para determinar la identidad del átomo (es decir, qué elemento químico es) y el número de fotones es directamente proporcional a la concentración de ese elemento en la muestra. Algunas colisiones (las de energía suficientemente alta) provocan la ionización. En la espectrometría de masas atómica se detectan estos iones. Su masa identifica el tipo de átomos y su cantidad revela la cantidad de ese elemento en la muestra.

La figura anterior muestra las principales regiones que pueden estar presentes en una descarga luminosa. Las regiones descritas como «resplandores» emiten una luz significativa; las regiones etiquetadas como «espacios oscuros» no lo hacen. A medida que la descarga se extiende (es decir, se estira horizontalmente en la geometría de la figura), la columna positiva puede volverse estriada. Es decir, pueden formarse regiones oscuras y brillantes alternadas. Por otro lado, si se comprime la descarga horizontalmente, se formarán menos regiones. La columna positiva se comprimirá mientras que el resplandor negativo permanecerá del mismo tamaño y, con espacios suficientemente pequeños, la columna positiva desaparecerá por completo. En una descarga luminosa analítica, la descarga es principalmente un resplandor negativo con una región oscura por encima y por debajo.

Estructura de la descarga luminosa básica

La característica de la corriente de voltaje de una descarga luminosa es altamente no lineal, al igual que muchos fenómenos de plasma, y la física lineal ordinaria no puede aplicarse para explicar su estructura. Para una descarga incandescente básica de corriente continua, se pueden distinguir tres regiones principales entre sí, la descarga oscura, la dicarga incandescente y la descarga de arco.

La figura anterior es un gráfico V/I típico de una descarga incandescente. Las principales características de la descarga, como la tensión de ruptura, la característica de la corriente de tensión y la estructura de la descarga, dependen de la geometría de los electrodos, el gas utilizado, la presión y el material del electrodo.

Descarga oscura (modo de corriente oscura)

El régimen comprendido entre A y E en la característica tensión-corriente se denomina descarga oscura porque, salvo en el caso de las descargas de corona y de la propia ruptura, la descarga permanece invisible al ojo.

• A – B Durante la etapa de ionización de fondo del proceso, el campo eléctrico aplicado a lo largo del eje del tubo de descarga barre los iones y electrones creados por la ionización de la radiación de fondo. La radiación de fondo procedente de los rayos cósmicos, los minerales radiactivos u otras fuentes, produce un grado de ionización constante y medible en el aire a presión atmosférica. Los iones y electrones migran a los electrodos en el campo eléctrico aplicado produciendo una débil corriente eléctrica. El aumento del voltaje barre una fracción creciente de estos iones y electrones.

• B – C Si el voltaje entre los electrodos se incrementa lo suficiente, finalmente todos los electrones e iones disponibles son barridos, y la corriente se satura. En la región de saturación, la corriente permanece constante mientras se aumenta la tensión. Esta corriente depende linealmente de la intensidad de la fuente de radiación, un régimen útil en algunos contadores de radiación.

• C – E Si el voltaje a través del tubo de descarga de baja presión se incrementa más allá del punto C, la corriente aumentará exponencialmente. El campo eléctrico es ahora lo suficientemente alto como para que los electrones inicialmente presentes en el gas puedan adquirir suficiente energía antes de llegar al ánodo para ionizar un átomo neutro. A medida que el campo eléctrico se hace aún más fuerte, el electrón secundario también puede ionizar otro átomo neutro dando lugar a una avalancha de producción de electrones e iones. La región de aumento exponencial de la corriente se denomina descarga de Townsend.

• D – E Las descargas de la corona se producen en las descargas oscuras de Townsend en regiones de alto campo eléctrico cerca de puntos afilados, bordes o hilos en los gases antes de la ruptura eléctrica. Si las corrientes coronales son lo suficientemente altas, las descargas corona pueden ser técnicamente «descargas brillantes», visibles para el ojo. Para corrientes bajas, toda la corona es oscura, como corresponde a las descargas oscuras. Los fenómenos relacionados incluyen la descarga eléctrica silenciosa, una forma inaudible de descarga filamentosa, y la descarga en cepillo, una descarga luminosa en un campo eléctrico no uniforme donde muchas descargas de corona están activas al mismo tiempo y forman serpentinas a través del gas.

• E La ruptura eléctrica se produce en el régimen de Townsend con la adición de electrones secundarios emitidos desde el cátodo debido al impacto de iones o fotones. En la ruptura, o potencial de chispa VB, la corriente puede aumentar en un factor de 104 a 108, y normalmente está limitada sólo por la resistencia interna de la fuente de alimentación conectada entre las placas. Si la resistencia interna de la fuente de alimentación es muy alta, el tubo de descarga no puede tomar suficiente corriente para descomponer el gas, y el tubo permanecerá en el régimen de corona con pequeños puntos de corona o descargas de pinceles evidentes en los electrodos. Si la resistencia interna de la fuente de alimentación es relativamente baja, el gas se descompondrá a la tensión VB y pasará al régimen normal de descarga luminosa. La tensión de ruptura para un gas y un material de electrodos concretos depende del producto de la presión y la distancia entre los electrodos, pd, tal y como se expresa en la ley de Paschen (1889).

Descarga luminosa (modo de resplandor normal)

El régimen de descarga luminosa debe su nombre al hecho de que el plasma es luminoso. El gas brilla porque la energía de los electrones y la densidad numérica son lo suficientemente altas como para generar luz visible por colisiones de excitación. Las aplicaciones de la descarga luminosa incluyen las luces fluorescentes, los reactores de plasma de placa paralela de corriente continua, las descargas de «magnetrón» utilizadas para depositar películas delgadas y las fuentes de plasma de electrobombardeo.

• F – G Después de una transición discontinua de E a F, el gas entra en la región luminosa normal, en la que el voltaje es casi independiente de la corriente a lo largo de varios órdenes de magnitud en la corriente de descarga. La densidad de corriente del electrodo es independiente de la corriente total en este régimen. Esto significa que el plasma está en contacto con sólo una pequeña parte de la superficie del cátodo a bajas corrientes. A medida que la corriente se incrementa de F a G, la fracción del cátodo ocupada por el plasma aumenta, hasta que el plasma cubre toda la superficie del cátodo en el punto G.

• G – H En el régimen de resplandor anormal por encima del punto G, el voltaje aumenta significativamente con el incremento de la corriente total para forzar la densidad de corriente del cátodo por encima de su valor natural y proporcionar la corriente deseada. A partir del punto G y desplazándose hacia la izquierda, se observa una forma de histéresis en la característica tensión-corriente. La descarga se mantiene con corrientes y densidades de corriente considerablemente más bajas que en el punto F y sólo entonces hace una transición de vuelta al régimen de Townsend.

Descargas de arco (modo arco)

• H – K En el punto H, los electrodos se calientan lo suficiente como para que el cátodo emita electrones térmicamente. Si la fuente de alimentación de CC tiene una resistencia interna suficientemente baja, la descarga sufrirá una transición de resplandor a arco, H-I. El régimen de arco, de I a K, es uno en el que la tensión de descarga disminuye a medida que aumenta la corriente, hasta que se alcanzan grandes corrientes en el punto J, y después la tensión aumenta lentamente a medida que aumenta la corriente.

Fusión en descargas incandescentes

Las propiedades de las descargas incandescentes se han sugerido como una forma ideal de crear energía de fusión, y se han desarrollado algunas técnicas de fusión para utilizar las propiedades y los diversos modos de funcionamiento de las descargas incandescentes como un componente vital en este proceso. La más notable es la Fusión por Confinamiento Inercial-Electroestático (IECF). En este proceso, los iones del combustible se atrapan con campos puramente electrostáticos en una geometría convergente, a diferencia del confinamiento magnético y otros métodos similares más populares. El inventor de este concepto fue el científico estadounidense Philo Farnsworth, que tuvo la idea en los años 50. Otras variantes de este concepto son el Polywell, la trampa Penning, la esfera de plasma perodicamente oscilante (POPS) y los dispositivos multielectrodos (#electrodes >2). Todos estos dispositivos incluyen alguna característica que los hace más complejos que los simples dispositivos de descarga luminosa de dos electrodos, a menudo con la intención de eludir algunos de los mecanismos de pérdida asociados a los dispositivos IECF.

Fusión por Confinamiento Inercial-Electrolítico (IECF)

Una fuente de neutrones/protones de Fusión por Confinamiento Inercial-Electrolítico (IECF) es un dispositivo compacto de configuración sencilla basado en
las propiedades de la descarga luminosa. Básicamente consiste en un cátodo hueco transparente en el centro de una cámara de vacío esférica (que sirve de ánodo), normalmente llena de un gas combustible D2, y entre ellos se produce una descarga luminosa. Los iones de alta energía resultantes interactúan con el gas de fondo (colisiones haz-fondo) y con ellos mismos (colisiones haz-haz) en un pequeño volumen alrededor del punto central, dando lugar a una alta tasa de reacciones de fusión. El resultado es un generador de neutrones que produce neutrones del orden de 106-108 neutrones por segundo. En los dispositivos que utilizan tasas de inyección aún más altas, los iones inyectados pueden proporcionar un pozo de potencial profundo autogenerado que confina los iones del haz atrapados, creando tasas de reacción aún más altas. El dispositivo puede modificarse utilizando una mezcla de gas de relleno de deuterio y helio-3 para que sea una fuente de protones además de neutrones. El IECF también tiene aplicaciones prometedoras para la detección de minas terrestres.

Modos de funcionamiento asociados al IECF

La descarga de resplandor en las máquinas IECF puede clasificarse según cuatro modos de descarga distintivos. Estos son el modo de resplandor central, el modo de estrella, el modo de halo y el modo de chorro. Los nombres son descriptivos de la apariencia visual de la luz emitida por las descargas. Cada modo está asociado a una estructura de pozo potencial diferente, y por tanto a una tasa de producción de neutrones, para unos parámetros de funcionamiento determinados. Cada uno requiere una combinación única de parámetros de funcionamiento, es decir, voltaje, corriente, presión y parámetros de red.

• Modo de resplandor central En el modo de resplandor central, se produce un resplandor en forma de bola en el centro de la esfera. Para producirlo, se puede utilizar una fuente de iones como un cañón de iones o una rejilla de fuente de iones o un cátodo emisor de electrones. En el cátodo, la rejilla se hace lo más esférica posible, compuesta por muchos hilos finos de rejilla con muchas aberturas para obtener una gran transparencia geométrica y un flujo de iones razonablemente uniforme y esféricamente simétrico. En esta operación, la transparencia de la rejilla es un parámetro clave: dado que los iones fluyen casi uniformemente a través de la rejilla, una fracción de la corriente es interceptada y se pierde en los hilos de la rejilla. Cuanto mayor es la transparencia geométrica de la rejilla, menor es la fracción de pérdida de iones, lo que aumenta la tasa de recirculación de iones. La velocidad de reacción en el punto central aumenta en consecuencia, y se reduce el calentamiento y la pulverización de la rejilla por el bombardeo de iones. Por lo tanto, el desarrollo y la optimización de estos diseños de rejilla fueron los principales objetivos de los primeros trabajadores en este campo. Para tensiones y corrientes de funcionamiento similares, este modo proporciona sólo un tercio de la producción de neutrones por unidad de potencia de entrada en comparación con el modo Star.

• Modo Estrella: Para crear el modo Estrella, se construye una rejilla de tal manera que el diámetro de apertura de la rejilla es una fracción significativa de la circunferencia mayor de la rejilla. Esto provoca una depresión local de la superficie potencial. (Esta depresión, a su vez, hace que el flujo de iones se concentre, formando los característicos haces de iones radiales o «radios» del modo Estrella. En las descargas planas, la consideración de la vaina en una sola dimensión es posible, pero la naturaleza discreta de la rejilla catódica de una descarga de resplandor en forma esférica da lugar a una complicada estructura de potencial en 3D. Esto hace que el cátodo actúe como una lente efectiva de partículas cargadas debido a la curvatura del campo entre los cables individuales de la rejilla del cátodo. Esto significa que no tenemos un flujo homogéneo de partículas entre los electrodos, sino una estructura de flujo heterogéneo de «radios» de plasma que transportan partículas entre los electrodos. Los radios también son luminosos como se indica en la Fig. 1. El Modo Estrella ocurre típicamente a presiones de ~ 1 a 25mTorr.
• Modo Halo: Este se inicia de la misma manera que el modo Estrella, y es similar en muchos aspectos, pero generalmente a presiones más bajas, y por lo tanto, voltajes catódicos más altos. La transición al modo Halo se consigue ampliando una o más de las aberturas de la rejilla (es decir, eliminando físicamente la sección de cable que separa las aberturas adyacentes). Esto provoca un flujo de electrones fuera del volumen central (chorro de electrones) en cuya circunstancia se desarrolla el modo Halo. Entonces se observa un fuerte chorro de electrones que fluye a través de la(s) abertura(s) ampliada(s). Se han creado hasta seis chorros en las caras opuestas de la rejilla en cuestión. El chorro crea a su vez nuevos iones por ionización colisional de los neutrales de fondo. Los flujos de iones y electrones resultantes provocan una redistribución completa de la carga espacial, formando así una nueva estructura de pozo de potencial caracterizada por un resplandor central brillante y una región exterior de halo brillante. Se forma un halo esférico blanco brillante concéntrico a la rejilla del cátodo con un punto brillante en el centro. En consecuencia, este modo de funcionamiento se ha denominado modo Halo. El Halo siempre ha estado acompañado por el chorro de electrones, señalado anteriormente, que se cree que es una característica fundamental del modo. El modo Halo ofrece generalmente un factor de 1,5 a 3 veces mayor de emisión de neutrones por unidad de potencia de entrada que el modo Estrella.

• Modo Jet: A medida que la presión se incrementa por encima de los regímenes de funcionamiento del «Modo Estrella», la descarga es visiblemente más uniforme con la excepción de la variación radial y va acompañada de un chorro de electrones a través de un orificio particular de la rejilla del cátodo. Véase la Fig. 2. Por esta razón, este modo se denomina «Modo Jet». A pesar de la uniformidad visual, en el «Modo Jet» sigue existiendo una estructura de flujo de electrones heterogénea entre el ánodo y el cátodo.

Notas