Sähköinen hehkupurkaus

Sähköinen hehkupurkaus on plasmatyyppi, joka muodostuu johtamalla 100 V:n tai useiden kV:n jännitteinen virta kaasun, yleensä argonin tai muun jalokaasun, läpi. Sitä esiintyy tuotteissa, kuten loistelampuissa ja plasmatelevisioissa, ja sitä käytetään plasmafysiikassa ja analyyttisessä kemiassa, ja sitä on ehdotettu vaihtoehtoiseksi menetelmäksi, jolla tähdet tuottavat näkyvän spektrinsä.

Hehkupurkaus on saanut nimensä siitä, että plasma on valovoimainen, valovoima syntyy, koska elektronit saavat riittävästi energiaa näkyvän valon tuottamiseen herätystörmäyksillä, jotka tuottavat fotoneja. Tämä ilmiö saavutetaan helpoimmin anodin ja katodin vuorovaikutuksessa, joka synnyttää monimutkaisen virtapiirin, joka tuottaa hehkun. Hehkupurkausten syntyyn vaikuttavat rajoitettujen sähkökenttien ja plasmavaippojen muodostuminen kummankin elektrodin kohdalla. Ionisaation on myös oltava kriittinen osa hehkupurkausta tasapainotilassa, koska systeemin mistä tahansa asetetusta komponentista tapahtuu jatkuvasti ionihäviötä kaikkina aikoina, jota on tasapainotettava vastaavalla voitolla.

Yksinkertaisin hehkupurkaustyyppi on tasavirtainen hehkupurkaus. Yksinkertaisimmillaan se koostuu kahdesta elektrodista kennossa, jota pidetään alhaisessa paineessa (1-10 torr). Kenno on tyypillisesti täytetty argonilla. Kahden elektrodin väliin kytketään useiden satojen volttien jännite. Pieni atomipopulaatio kennossa ionisoituu aluksi satunnaisten prosessien kautta (esimerkiksi atomien väliset törmäykset tai alfahiukkasten kanssa). Ionit (jotka ovat positiivisesti varautuneita) ajautuvat katodia kohti sähköpotentiaalin vaikutuksesta, ja elektronit ajautuvat anodia kohti saman potentiaalin vaikutuksesta. Ionien ja elektronien alkupopulaatio törmää toisiin atomeihin ja ionisoi ne. Niin kauan kuin potentiaali säilyy, ionien ja elektronien populaatio säilyy.

Osa ionien liike-energiasta siirtyy katodille. Tämä tapahtuu osittain siten, että ionit osuvat suoraan katodiin. Ensisijainen mekanismi on kuitenkin vähemmän suora. Ionit iskeytyvät useampiin neutraaleihin kaasuatomeihin, jolloin osa niiden energiasta siirtyy niihin. Nämä neutraalit atomit iskevät sitten katodiin. Mikä tahansa laji osuukin katodiin, törmäykset katodin sisällä jakavat tämän energian uudelleen, kunnes osa katodista poistuu, yleensä vapaiden atomien muodossa. Tätä prosessia kutsutaan sputteroinniksi. Kun atomit ovat päässeet irti katodista, ne siirtyvät hehkupurkauksen suurimpaan osaan ajelehtimalla ja sputteroinnissa saamansa energian ansiosta. Atomit voidaan sitten herättää törmäysherätteeseen. Nämä törmäykset voivat tapahtua ionien, elektronien tai muiden atomien kanssa, jotka on aiemmin herätetty törmäyksillä ionien, elektronien tai atomien kanssa. Kun atomit on kerran herätetty, ne menettävät energiansa melko nopeasti. Eri tavoista, joilla tämä energia voidaan menettää, tärkein on säteily, mikä tarkoittaa, että vapautuu fotoni, joka kuljettaa energian pois. Optisessa atomispektroskopiassa tämän fotonin aallonpituuden avulla voidaan määrittää atomin identiteetti (eli mikä kemiallinen alkuaine se on), ja fotonien määrä on suoraan verrannollinen kyseisen alkuaineen pitoisuuteen näytteessä. Jotkin törmäykset (riittävän suuren energian törmäykset) aiheuttavat ionisaation. Atomimassaspektrometriassa nämä ionit havaitaan. Niiden massa tunnistaa atomityypin ja niiden määrä paljastaa kyseisen alkuaineen määrän näytteessä.

Yllä olevaan kuvaan on merkitty hehkupurkauksessa mahdollisesti esiintyvät tärkeimmät alueet. ”Hehkuiksi” kuvatut alueet säteilevät merkittävää valoa; ”pimeiksi tiloiksi” merkityt alueet eivät säteile. Kun purkaus laajenee (eli venyy vaakasuoraan kuvan geometriassa), positiivinen pylväs voi muuttua raidalliseksi. Toisin sanoen voi muodostua vuorotellen tummia ja kirkkaita alueita. Vastaavasti purkauksen puristaminen vaakasuunnassa aiheuttaa vähemmän alueita. Positiivinen pylväs puristuu, kun taas negatiivinen hehku pysyy samankokoisena, ja riittävän pienillä aukoilla positiivinen pylväs katoaa kokonaan. Analyyttisessä hehkupurkauksessa purkaus on ensisijaisesti negatiivinen hehku, jonka ylä- ja alapuolella on tummia alueita.

Hehkupurkauksen perusrakenne

Hehkupurkauksen jännitevirran ominaispiirre on hyvin epälineaarinen, kuten monet plasmailmiötkin, eikä tavallista lineaarista fysiikkaa voida soveltaa niiden rakenteen selittämiseen. Perus DC-hehkupurkauksessa voidaan erottaa toisistaan kolme pääaluetta, pimeäpurkaus, hehkupurkaus ja kaaripurkaus.

Yllä oleva kuva on tyypillinen hehkupurkauksen V/I-käyrä. Purkauksen pääominaisuudet, kuten läpilyöntijännite, jännitevirran ominaisarvo ja purkauksen rakenne, riippuvat elektrodien geometriasta, käytetystä kaasusta, paineesta ja elektrodimateriaalista.

Pimeä purkaus (dark current mode)

Jännite-virta-ominaiskäyrän A:n ja E:n välissä olevaa järjestelmää kutsutaan pimeäksi purkaukseksi, koska koronapurkauksia ja itse läpilyöntiä lukuun ottamatta purkaus pysyy silmälle näkymättömissä.

• A – B Prosessin tausta-ionisaatiovaiheessa purkausputken akselin suuntainen sähkökenttä pyyhkäisee taustasäteilyn ionisoitumisen synnyttämiä ioneja ja elektroneja pois. Kosmisesta säteilystä, radioaktiivisista mineraaleista tai muista lähteistä peräisin oleva taustasäteily tuottaa ilmakehän paineessa olevassa ilmassa jatkuvaa ja mitattavissa olevaa ionisaatioastetta. Ionit ja elektronit siirtyvät elektrodeihin sovelletussa sähkökentässä tuottaen heikon sähkövirran. Jännitteen kasvattaminen pyyhkäisee pois yhä suuremman osan näistä ioneista ja elektroneista.

• B – C Jos elektrodien välistä jännitettä kasvatetaan tarpeeksi pitkälle, lopulta kaikki käytettävissä olevat elektronit ja ionit pyyhkäistään pois, ja virta kyllästyy. Kyllästymisalueella virta pysyy vakiona, kun jännitettä kasvatetaan. Tämä virta riippuu lineaarisesti säteilylähteen voimakkuudesta, mikä on hyödyllinen alue joissakin säteilylaskennoissa.

• C – E Jos matalapainepurkausputken yli olevaa jännitettä nostetaan yli pisteen C, virta kasvaa eksponentiaalisesti. Sähkökenttä on nyt riittävän suuri, jotta kaasussa alun perin olevat elektronit voivat ennen anodille saapumistaan saada riittävästi energiaa ionisoidakseen neutraalin atomin. Kun sähkökenttä voimistuu entisestään, sekundaarielektroni voi ionisoida myös toisen neutraalin atomin, mikä johtaa elektroni- ja ionituotannon lumivyöryyn. Eksponentiaalisesti kasvavan virran aluetta kutsutaan Townsendin purkaukseksi.

• D – E Koronapurkauksia esiintyy Townsendin pimeissä purkauksissa korkean sähkökentän alueilla lähellä teräviä kohtia, reunoja tai johtoja kaasuissa ennen sähköistä hajoamista. Jos koronapurkaukset ovat riittävän korkeita, koronapurkaukset voivat olla teknisesti ”hehkupurkauksia”, jotka näkyvät silmin. Pienillä virroilla koko korona on pimeä, kuten pimeille purkauksille sopii. Samankaltaisia ilmiöitä ovat hiljainen sähköpurkaus, joka on kuulumaton hehkulankapurkauksen muoto, ja harjapurkaus, joka on loistepurkaus epäyhtenäisessä sähkökentässä, jossa monet koronapurkaukset ovat aktiivisia samanaikaisesti ja muodostavat virtaviivoja kaasun läpi.

• E Sähköinen hajoaminen tapahtuu Townsendin regiimissä, kun siihen lisätään sekundaarielektroneita, jotka emittoituvat katodista ionien tai fotonien osuessa siihen. Läpilyönti- eli kipinöintipotentiaalissa VB virta saattaa kasvaa 104-108-kertaiseksi, ja sitä rajoittaa yleensä vain levyjen väliin kytketyn virtalähteen sisäinen vastus. Jos virtalähteen sisäinen resistanssi on hyvin suuri, purkausputki ei pysty vetämään tarpeeksi virtaa kaasun hajottamiseen, ja putki pysyy korona-alueella, jolloin elektrodeissa näkyy pieniä koronapisteitä tai harjapurkauksia. Jos virtalähteen sisäinen vastus on suhteellisen alhainen, kaasu hajoaa jännitteellä VB ja siirtyy normaaliin hehkupurkausjärjestelmään. Tietyn kaasun ja elektrodimateriaalin läpilyöntijännite riippuu paineen ja elektrodien välisen etäisyyden pd tulosta, kuten Paschenin laissa (1889) ilmaistaan.

Hehkupurkaus (normaali hehkupurkaustila)

Hehkupurkaustila on nimensä velkaa sille, että plasma on valoisa. Kaasu hehkuu, koska elektronien energia ja lukumäärän tiheys ovat riittävän suuria synnyttämään näkyvää valoa kiihdytystörmäysten avulla. Hehkupurkauksen sovelluksia ovat mm. loistelamput, tasavirtaiset rinnakkaislevyplasmareaktorit, ohuiden kalvojen pinnoittamiseen käytettävät ”magnetronipurkaukset” ja sähköpommitusplasmalähteet.

• F – G E:stä F:ään tapahtuvan epäjatkuvan siirtymän jälkeen kaasu siirtyy normaalille hehkuva-alueelle, jossa jännite on lähes riippumaton virrasta useiden purkausvirran suuruusluokkien yli. Elektrodin virrantiheys on riippumaton kokonaisvirrasta tällä alueella. Tämä tarkoittaa, että plasma on kosketuksissa vain pienen osan katodin pinnasta kanssa pienillä virroilla. Virran kasvaessa F:stä G:hen plasman valtaama osuus katodista kasvaa, kunnes plasma peittää koko katodin pinnan pisteessä G.

• G – H Pisteen G yläpuolella olevassa epänormaalissa hehkutusregiimissä jännite nousee merkittävästi kokonaisvirran kasvaessa, jotta katodin virrantiheys saadaan pakotettua luonnollisen arvonsa yläpuolelle ja saadaan aikaan haluttu virta. Alkaen pisteestä G ja siirtyen vasemmalle jännite-virta-ominaisuudessa havaitaan eräänlainen hystereesi. Purkaus ylläpitää itseään huomattavasti pienemmillä virroilla ja virrantiheyksillä kuin pisteessä F ja siirtyy vasta sitten takaisin Townsendin järjestelmään.

Kaaripurkaukset (kaaripurkaustila)

• H – K Pisteessä H elektrodit kuumenevat niin paljon, että katodi emittoi elektroneja termionisesti. Jos tasavirtalähteessä on riittävän pieni sisäinen resistanssi, purkaus käy läpi hehkutuksen siirtymisen valokaareksi, H-I. Kaaritilassa, I:stä K:hon, purkausjännite pienenee virran kasvaessa, kunnes pisteessä J saavutetaan suuret virrat, minkä jälkeen jännite kasvaa hitaasti virran kasvaessa.

Fuusio hehkupurkauksissa

Hehkupurkausten ominaisuuksia on ehdotettu ihanteelliseksi tavaksi synnyttää fuusioenergiaa, ja eräitä fuusiotekniikoita on kehitelty hehkupurkausten ominaisuuksien ja erilaisten toimintatapojen hyödyntämiseksi elintärkeänä osatekijänä tässä prosessissa. Merkittävin näistä on inertia-elektrostaattinen sulautuminen (IECF). Tässä prosessissa polttoaine-ionit vangitaan puhtaasti sähköstaattisilla kentillä konvergentissa geometriassa, toisin kuin magneettisessa rajoituksessa ja muissa vastaavissa suositummissa menetelmissä. Konseptin keksijä oli yhdysvaltalainen tiedemies Philo Farnsworth, joka keksi idean 1950-luvulla. Muita muunnelmia tästä ovat Polywell-konsepti, Penningin loukku, perodisesti värähtelevä plasmapallo (POPS) ja monielektrodilaitteet (#elektrodit >2). Kaikissa näissä laitteissa on jokin ominaisuus, joka tekee niistä monimutkaisempia kuin yksinkertaisista kahden elektrodin hehkupurkauslaitteista, ja usein tarkoituksena on kiertää joitakin IECF-laitteisiin liittyviä häviömekanismeja.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF) -neutroni-/protonilähde (IECF-lähde, neutroni-/protonilähde) on pienikokoinen laite, joka on yksinkertaisen kokoonpanon omaava, mutta joka perustuu hehkupurkauksen ominaisuuksiin
. Se koostuu periaatteessa läpinäkyvästä ontosta katodista pallomaisen tyhjiökammion keskellä (toimii anodina), joka on yleensä täytetty D2-polttoainekaasulla, ja niiden välissä tapahtuu hehkupurkaus. Syntyvät korkeaenergiset ionit ovat vuorovaikutuksessa taustakaasun (säteen ja taustan törmäykset) ja itsensä (säteen ja säteen törmäykset) kanssa pienessä tilavuudessa keskipisteen ympärillä, mikä johtaa suuriin fuusioreaktioihin. Tuloksena on neutronigeneraattori, joka tuottaa neutroneita noin 106-108 neutronia sekunnissa. Laitteissa, joissa käytetään vielä suurempia injektionopeuksia, injektoidut ionit voivat muodostaa syvän itsestään syntyvän potentiaalikaivon, joka rajoittaa loukkuun jääneet säteen ionit, jolloin reaktionopeus kasvaa entisestään. Laitetta voidaan muuttaa käyttämällä deuteriumin ja helium-3:n täytekaasuseosta protonien ja neutronien lähteenä. IECF:llä on lupaavia sovelluksia myös maamiinojen havaitsemiseen.

IECF-laitteisiin liittyvät toimintatilat

IECF-laitteiden hehkupurkaus voidaan luokitella neljään eri purkaustilaan. Nämä ovat keskushehkutila, tähtitila, halotila ja suihkutila. Nimet kuvaavat purkausten lähettämän valon visuaalista ulkonäköä. Jokaiseen moodiin liittyy erilainen potentiaalikaivon rakenne ja siten neutronituotantonopeus tietyillä toimintaparametreilla. Kukin vaatii ainutlaatuisen yhdistelmän käyttöparametreja eli jännitettä, virtaa, painetta ja verkkoparametreja.

• Central Glow -tila Central Glow -tilassa pallon keskelle syntyy pallon muotoinen hehku. Sen tuottamiseen voidaan käyttää ionilähdettä, kuten ionitykkiä tai ionilähdeverkkoa tai elektroniemissiokatodia. Katodissa verkko tehdään mahdollisimman pallomaiseksi, ja se koostuu monista hienoista verkkojohdoista, joissa on monia aukkoja, jotta saavutetaan suuri geometrinen läpinäkyvyys ja kohtuullisen tasainen ja pallomaisesti symmetrinen ionivirtaus. Tällaisessa toiminnassa ritilän läpinäkyvyys on keskeinen parametri: koska ionit virtaavat lähes tasaisesti ritilän läpi, osa virrasta katkeaa ja häviää ritilälankoihin. Mitä suurempi on ruudukon geometrinen läpinäkyvyys, sitä pienempi on ionien häviöosuus, mikä lisää ionien kierrätysnopeutta. Reaktionopeus keskipisteessä kasvaa vastaavasti, ja ionipommituksen aiheuttama ristikon kuumeneminen ja sputterointi vähenee. Näin ollen tällaisten ritilämallien kehittäminen ja optimointi olivat alan aiempien työntekijöiden ensisijaisia tavoitteita. Samankaltaisilla käyttöjännitteillä ja -virroilla tämä tila antaa vain noin kolmanneksen neutronituotosta syötettyä tehoyksikköä kohti verrattuna Star-tilaan.

• Tähtitila: Tähtimoodin luomiseksi ristikko rakennetaan siten, että ristikon aukon halkaisija on merkittävä osa ristikon pääympyrästä. Tämä aiheuttaa potentiaalipinnan paikallisen painumisen. (Tätä painumaa on vältettävä Central Glow -tilan luomiseksi.) Tämä painuma puolestaan saa ionivirran fokusoitumaan muodostaen Star-tilalle ominaisia säteittäisiä ionisäteitä tai ”puikkoja”. Tasopurkauksissa vaipan tarkastelu vain yhdessä ulottuvuudessa on mahdollista, mutta pallomaisen hehkupurkauksen katodiverkon diskreetti luonne johtaa monimutkaiseen 3D-potentiaalirakenteeseen. Tämä johtaa siihen, että katodi toimii tehokkaana varattujen hiukkasten linssinä yksittäisten katodiverkon lankojen välisen kentän kaarevuuden vuoksi. Tämä tarkoittaa, että elektrodien välinen hiukkasvirtaus ei ole homogeeninen, vaan pikemminkin heterogeeninen plasman ”puikkojen” virtausrakenne, joka kuljettaa hiukkasia elektrodien välillä. Puikot ovat myös valoisia, kuten kuvassa 1 on esitetty. Tähtimoodi esiintyy tyypillisesti paineissa, jotka ovat ~ 1-25 mTorr.
• Halo Mode: Tämä käynnistyy samalla tavalla kuin Star-moodi ja on monessa suhteessa samanlainen, mutta yleensä pienemmillä paineilla ja siten suuremmilla katodijännitteillä. Siirtyminen Halo-moodiin tapahtuu suurentamalla yhtä tai useampaa hilan aukkoa (ts. poistamalla fyysisesti vierekkäisiä aukkoja erottava lankaosa). Tämä aiheuttaa elektronien virtauksen ulos keskitilavuudesta (elektronisuihku), jolloin kehittyy Halo-moodi. Tämän jälkeen havaitaan, että voimakas elektronisuihku virtaa suurennetun aukon (suurennettujen aukkojen) läpi. Jopa kuusi suihkua on syntynyt kyseisen ruudukon vastakkaisille pinnoille. Suihku puolestaan synnyttää uusia ioneja taustan neutraalien törmäysionisaation kautta. Syntyneet ioni- ja elektronivirrat aiheuttavat täydellisen avaruusvarauksen uudelleenjaon, jolloin muodostuu uusi potentiaalikaivorakenne, jolle on ominaista kirkas keskushehku ja ulompi hehkuva haloalue. Kirkkaanvalkoinen, pallomainen halo muodostuu katodiverkkoon keskittyneenä, ja sen keskellä on kirkas piste. Tätä toimintatilaa on kutsuttu Halo-tilaksi. Halotilaan on aina liittynyt edellä mainittu elektronisuihku, jonka uskotaan olevan moodin perusominaisuus. Halo-moodissa neutroniemissio on yleensä 1,5-3-kertainen tulotehoyksikköä kohti verrattuna tähtimoodiin.

• Jet-moodi: Kun painetta nostetaan ”Star Mode” -toiminta-alueita suuremmaksi, purkaus on säteittäistä vaihtelua lukuun ottamatta selvästi tasaisempi, ja siihen liittyy elektronisuihku katodin ritilän tietyn ritilän reiän läpi. Katso kuva 2. Tästä syystä tästä tilasta käytetään nimitystä ”Jet Mode”. Visuaalisesta tasaisuudesta huolimatta anodin ja katodin välillä on edelleen heterogeeninen elektronivirtausrakenne ”Jet Mode” -tilassa.

Huomautuksia