Décharge lumineuse électrique

La décharge lumineuse électrique est un type de plasma formé en faisant passer un courant de 100 V à plusieurs kV à travers un gaz, généralement de l’argon ou un autre gaz noble. On le trouve dans des produits tels que les lampes fluorescentes et les téléviseurs à écran plasma, et il est utilisé en physique des plasmas et en chimie analytique, et a été proposé comme une méthode alternative par laquelle les étoiles produisent leurs spectres visibles.

La décharge lumineuse doit son nom au fait que le plasma est lumineux, la luminosité est produite parce que les électrons gagnent suffisamment d’énergie pour générer de la lumière visible par des collisions d’excitation qui génèrent des photons. Ce phénomène est le plus facilement réalisable par l’interaction d’une anode et d’une cathode, ce qui génère le circuit de courant complexe qui produit la lueur. La formation des décharges lumineuses implique la formation de champs électriques restreints et de gaines de plasma à chacune des électrodes. L’ionisation doit également être une partie critique d’une décharge lumineuse dans une condition d’équilibre, car il y aura une perte continue d’ions de n’importe quel composant défini du système à tout moment, qui doit être équilibrée par un gain équivalent.

Le type le plus simple de décharge lumineuse est une décharge lumineuse à courant continu. Dans sa forme la plus simple, elle est constituée de deux électrodes dans une cellule maintenue à basse pression (1-10 torr). La cellule est généralement remplie d’argon. Un potentiel de plusieurs centaines de volts est appliqué entre les deux électrodes. Une petite population d’atomes dans la cellule est initialement ionisée par des processus aléatoires (collisions entre atomes ou avec des particules alpha, par exemple). Les ions (qui sont chargés positivement) sont poussés vers la cathode par le potentiel électrique, et les électrons sont poussés vers l’anode par le même potentiel. La population initiale d’ions et d’électrons entre en collision avec d’autres atomes, les ionisant. Tant que le potentiel est maintenu, une population d’ions et d’électrons demeure.

Une partie de l’énergie cinétique des ions est transférée à la cathode. Cela se produit partiellement par les ions qui frappent directement la cathode. Le principal mécanisme, cependant, est moins direct. Les ions frappent les atomes neutres du gaz, plus nombreux, en leur transférant une partie de leur énergie. Ces atomes neutres frappent ensuite la cathode. Quelles que soient les espèces qui frappent la cathode, les collisions à l’intérieur de la cathode redistribuent cette énergie jusqu’à ce qu’une partie de la cathode soit éjectée, généralement sous la forme d’atomes libres. Ce processus est connu sous le nom de pulvérisation cathodique. Une fois libérés de la cathode, les atomes se déplacent dans la masse de la décharge lumineuse par dérive et grâce à l’énergie qu’ils ont gagnée lors de la pulvérisation. Les atomes peuvent alors être excités par collision. Ces collisions peuvent être avec des ions, des électrons ou d’autres atomes qui ont été précédemment excités par des collisions avec des ions, des électrons ou des atomes. Une fois excités, les atomes perdent leur énergie assez rapidement. Parmi les différentes manières dont cette énergie peut être perdue, la plus importante est radiative, ce qui signifie qu’un photon est libéré pour emporter l’énergie. En spectroscopie optique atomique, la longueur d’onde de ce photon peut être utilisée pour déterminer l’identité de l’atome (c’est-à-dire de quel élément chimique il s’agit) et le nombre de photons est directement proportionnel à la concentration de cet élément dans l’échantillon. Certaines collisions (celles dont l’énergie est suffisamment élevée) provoquent une ionisation. En spectrométrie de masse atomique, ces ions sont détectés. Leur masse identifie le type d’atomes et leur quantité révèle la quantité de cet élément dans l’échantillon.

La figure ci-dessus montre les principales régions qui peuvent être présentes dans une décharge lumineuse. Les régions décrites comme « lueurs » émettent une lumière significative ; les régions étiquetées comme « espaces sombres » ne le font pas. Lorsque la décharge devient plus étendue (c’est-à-dire étirée horizontalement dans la géométrie de la figure), la colonne positive peut devenir striée. C’est-à-dire qu’une alternance de régions sombres et lumineuses peut se former. De même, si la décharge est comprimée horizontalement, il y aura moins de régions. La colonne positive sera comprimée tandis que la lueur négative gardera la même taille et, avec des espaces suffisamment petits, la colonne positive disparaîtra complètement. Dans une décharge lumineuse analytique, la décharge est principalement une lueur négative avec une région sombre au-dessus et en dessous.

Structure de la décharge lumineuse de base

La caractéristique tension-courant d’une décharge lumineuse est hautement non linéaire, comme le sont de nombreux phénomènes de plasma, et la physique linéaire ordinaire ne peut pas être appliquée pour expliquer leur struture. Pour une décharge lumineuse de base en courant continu, trois régions principales peuvent être distinguées les unes des autres, la décharge sombre, la dicharge lumineuse et la décharge en arc.

La figure ci-dessus est un tracé V/I typique d’une décharge lumineuse. Les principales caractéristiques de la décharge telles que la tension de claquage, la caractéristique tension-courant et la structure de la décharge dépendent de la géométrie des électrodes, du gaz utilisé, de la pression et du matériau des électrodes.

Décharge sombre (mode de courant sombre)

Le régime entre A et E sur la caractéristique tension-courant est appelé décharge sombre car, à l’exception des décharges corona et du claquage lui-même, la décharge reste invisible à l’œil.

• A – B Pendant la phase d’ionisation de fond du processus, le champ électrique appliqué le long de l’axe du tube à décharge balaie les ions et les électrons créés par l’ionisation du rayonnement de fond. Le rayonnement de fond provenant des rayons cosmiques, des minéraux radioactifs ou d’autres sources, produit un degré constant et mesurable d’ionisation dans l’air à la pression atmosphérique. Les ions et les électrons migrent vers les électrodes dans le champ électrique appliqué, produisant un faible courant électrique. L’augmentation de la tension balaie une fraction croissante de ces ions et électrons.

• B – C Si la tension entre les électrodes est augmentée suffisamment loin, finalement tous les électrons et ions disponibles sont balayés, et le courant sature. Dans la région de saturation, le courant reste constant alors que la tension augmente. Ce courant dépend linéairement de l’intensité de la source de rayonnement, un régime utile dans certains compteurs de rayonnement.

• C – E Si la tension aux bornes du tube à décharge basse pression est augmentée au-delà du point C, le courant augmente de façon exponentielle. Le champ électrique est maintenant suffisamment élevé pour que les électrons initialement présents dans le gaz puissent acquérir suffisamment d’énergie avant d’atteindre l’anode pour ioniser un atome neutre. Comme le champ électrique devient encore plus fort, l’électron secondaire peut également ioniser un autre atome neutre, ce qui entraîne une avalanche de production d’électrons et d’ions. La région où le courant augmente exponentiellement est appelée décharge de Townsend.

• D – E Les décharges corona se produisent dans les décharges sombres de Townsend dans les régions de champ électrique élevé près des points aigus, des bords ou des fils dans les gaz avant la rupture électrique. Si les cuurents coronaux sont suffisamment élevés, les décharges corona peuvent être techniquement des « décharges lumineuses », visibles à l’œil. Pour les courants faibles, toute la couronne est sombre, comme il se doit pour les décharges sombres. Les phénomènes connexes comprennent la décharge électrique silencieuse, une forme inaudible de décharge filamentaire, et la décharge en brosse, une décharge lumineuse dans un champ électrique non uniforme où de nombreuses décharges corona sont actives en même temps et forment des streamers à travers le gaz.

• E Le claquage électrique se produit dans le régime de Townsend avec l’ajout d’électrons secondaires émis par la cathode en raison de l’impact des ions ou des photons. Au potentiel de claquage, ou d’étincelle VB, le courant pourrait augmenter d’un facteur 104 à 108, et n’est généralement limité que par la résistance interne de l’alimentation électrique connectée entre les plaques. Si la résistance interne de l’alimentation est très élevée, le tube à décharge ne peut pas absorber suffisamment de courant pour décomposer le gaz, et le tube reste en régime corona avec de petits points corona ou des décharges en brosse sur les électrodes. Si la résistance interne de l’alimentation est relativement faible, le gaz se décompose à la tension VB et passe au régime normal de décharge lumineuse. La tension de claquage pour un gaz et un matériau d’électrode particuliers dépend du produit de la pression et de la distance entre les électrodes, pd, tel qu’exprimé dans la loi de Paschen (1889).

Décharge lumineuse (mode lumineux normal)

Le régime de décharge lumineuse doit son nom au fait que le plasma est lumineux. Le gaz rougeoie car l’énergie et la densité en nombre des électrons sont suffisamment élevées pour générer de la lumière visible par des collisions d’excitation. Les applications de la décharge lumineuse comprennent les lampes fluorescentes, les réacteurs à plasma à plaques parallèles en courant continu, les décharges « magnétron » utilisées pour le dépôt de couches minces et les sources de plasma par électrobombardement.

• F – G Après une transition discontinue de E à F, le gaz entre dans la région lumineuse normale, dans laquelle la tension est presque indépendante du courant sur plusieurs ordres de grandeur du courant de décharge. La densité de courant de l’électrode est indépendante du courant total dans ce régime. Cela signifie que le plasma n’est en contact qu’avec une petite partie de la surface de la cathode à faible courant. Au fur et à mesure que le courant augmente de F à G, la fraction de la cathode occupée par le plasma augmente, jusqu’à ce que le plasma couvre toute la surface de la cathode au point G.

• G – H Dans le régime de lueur anormale au-dessus du point G, la tension augmente de manière significative avec l’augmentation du courant total afin de forcer la densité de courant de la cathode au-dessus de sa valeur naturelle et de fournir le courant désiré. En partant du point G et en se déplaçant vers la gauche, une forme d’hystérésis est observée dans la caractéristique tension-courant. La décharge se maintient à des courants et des densités de courant considérablement plus faibles qu’au point F et n’effectue qu’ensuite une transition vers le régime de Townsend.

Décharges à l’arc (mode arc)

• H – K Au point H, les électrodes deviennent suffisamment chaudes pour que la cathode émette des électrons de manière thermionique. Si l’alimentation en courant continu présente une résistance interne suffisamment faible, la décharge subit une transition de lueur à arc, H-I. Le régime d’arc, de I à K, est celui où la tension de décharge diminue lorsque le courant augmente, jusqu’à ce que de grands courants soient atteints au point J, et après cela, la tension augmente lentement lorsque le courant augmente.

Fusion dans les décharges lumineuses

Les propriétés des décharges lumineuses ont été suggérées comme un moyen idéal de créer de l’énergie de fusion, et certaines techniques de fusion ont été développées pour utiliser les propriétés et les différents modes de fonctionnement des décharges lumineuses comme un composant vital dans ce processus. La plus notable d’entre elles est la fusion par confinement électrostatique et inertiel (IECF). Dans ce procédé, les ions du combustible sont piégés par des champs purement électrostatiques dans une géométrie convergente, par opposition au confinement magnétique et à d’autres méthodes similaires plus populaires. L’inventeur de ce concept est le scientifique américain Philo Farnsworth, qui en a eu l’idée dans les années 1950. Parmi les autres variations de ce concept, citons le concept Polywell, le piège de Penning, la sphère de plasma à oscillation pérodique (POPS) et les dispositifs à électrodes multiples (#électrodes >2). Tous ces dispositifs comportent certaines caractéristiques qui les rendent plus complexes que les simples dispositifs à décharge lumineuse à deux électrodes, souvent dans l’intention de contourner certains des mécanismes de perte associés aux dispositifs IECF.

Fusion par confinement électrostatique inertiel (IECF)

Une source de neutrons/protons de fusion par confinement électrostatique inertiel (IECF) est un dispositif compact de configuration simple basé sur
les propriétés de la décharge lumineuse. Il se compose essentiellement d’une cathode creuse transparente au centre d’une chambre à vide sphérique (servant d’anode), généralement remplie d’un gaz combustible D2, et une décharge luminescente se produit entre eux. Les ions à haute énergie qui en résultent interagissent avec le gaz de fond (collisions faisceau-fond) et avec eux-mêmes (collisions faisceau-faisceau) dans un petit volume autour du point central, ce qui entraîne un taux élevé de réactions de fusion. Le résultat est un générateur de neutrons produisant des neutrons de l’ordre de 106-108 neutrons par seconde. Dans les dispositifs utilisant des taux d’injection encore plus élevés, les ions injectés peuvent fournir un puits de potentiel profond auto-généré qui confine les ions du faisceau piégés, créant des taux de réaction encore plus élevés. Le dispositif peut être modifié en utilisant un mélange de gaz de remplissage composé de deutérium et d’hélium 3 pour être une source de protons ainsi que de neutrons. L’IECF a également des applications prometteuses pour la détection des mines terrestres.

Modes de fonctionnement associés à l’IECF

La décharge luminescente dans les machines IECF peut être classée selon quatre modes de décharge distinctifs. Il s’agit du mode Central Glow, du mode Star, du mode Halo et du mode Jet. Ces noms décrivent l’aspect visuel de la lumière émise par les décharges. Chaque mode est associé à une structure de puits potentielle différente, donc à un taux de production de neutrons, pour des paramètres de fonctionnement donnés. Chacun nécessite une combinaison unique de paramètres de fonctionnement, c’est-à-dire la tension, le courant, la pression et les paramètres de grille.

• Mode Central Glow Dans le mode Central Glow, une lueur en forme de boule est produite au centre de la sphère. Pour la produire, on peut utiliser une source d’ions telle qu’un canon à ions ou une grille de source d’ions ou une cathode émettrice d’électrons. Dans la cathode, la grille est rendue aussi sphérique que possible, composée de nombreux fils de grille fins avec de nombreuses ouvertures pour obtenir une grande transparence géométrique et un flux d’ions raisonnablement uniforme et sphériquement symétrique. Dans ce type d’opération, la transparence de la grille est un paramètre clé : puisque les ions circulent presque uniformément à travers la grille, une fraction du courant est interceptée et perdue par les fils de la grille. Plus la transparence géométrique de la grille est élevée, plus la fraction de perte des ions est faible, ce qui augmente le taux de recirculation des ions. Le taux de réaction dans le point central augmente en conséquence, et le chauffage et la pulvérisation de la grille par bombardement ionique sont réduits. Le développement et l’optimisation de ces grilles étaient donc les principaux objectifs des premiers chercheurs dans ce domaine. Pour des tensions et des courants de fonctionnement similaires, ce mode ne donne qu’environ un tiers de la production de neutrons par unité de puissance absorbée par rapport au mode étoile.

• Mode étoile : Pour créer le mode étoile, une grille est construite de telle sorte que le diamètre d’ouverture de la grille est une fraction significative de la circonférence majeure de la grille. Cela provoque une dépression locale de la surface potentielle. (Cette dépression doit être évitée pour créer le mode Central Glow.) Cette dépression entraîne à son tour la concentration du flux d’ions, formant les faisceaux d’ions radiaux ou « rayons » caractéristiques du mode Star. Dans les décharges planes, il est possible de considérer la gaine dans une seule dimension, mais la nature discrète de la grille cathodique d’une décharge lumineuse de forme sphérique donne lieu à une structure potentielle 3D compliquée. Il en résulte que la cathode agit comme une lentille efficace de particules chargées en raison de la courbure du champ entre les fils individuels de la grille cathodique. Cela signifie que nous n’avons pas un flux homogène de particules entre les électrodes, mais plutôt une structure de flux hétérogène de « rayons » de plasma transportant les particules entre les électrodes. Les rayons sont également lumineux comme l’indique la figure 1. Le mode étoile se produit typiquement à des pressions de ~ 1 à 25mTorr.
• Mode Halo : Ce mode est initié de la même manière que le mode étoile, et est similaire à bien des égards, mais généralement à des pressions plus faibles, et donc, à des tensions de cathode plus élevées. La transition vers le mode Halo est réalisée en élargissant une ou plusieurs des ouvertures de la grille (c’est-à-dire en retirant physiquement la section de fil séparant les ouvertures adjacentes). Cela provoque un flux d’électrons hors du volume central (jet d’électrons), ce qui entraîne le développement du mode Halo. On observe alors un fort jet d’électrons s’écoulant par la ou les ouvertures agrandies. Jusqu’à six jets ont été créés sur les faces opposées de la grille en question. Le jet crée à son tour de nouveaux ions par ionisation collisionnelle des neutres de l’arrière-plan. Les flux d’ions et d’électrons qui en résultent provoquent une redistribution complète de la charge d’espace, formant ainsi une nouvelle structure de puits de potentiel caractérisée par une lueur centrale brillante et une région de halo extérieure lumineuse. Un halo sphérique blanc brillant est formé de manière concentrique à la grille de la cathode avec un point lumineux au centre. En conséquence, ce mode de fonctionnement a été appelé le mode Halo. Le halo a toujours été accompagné du jet d’électrons, mentionné ci-dessus, qui est considéré comme une caractéristique fondamentale du mode. Le mode Halo offre généralement un facteur de 1,5 à 3 fois plus élevé de taux d’émission de neutrons par unité de puissance d’entrée que ne le fait le mode étoile.

• Mode Jet : Lorsque la pression est augmentée au-dessus des régimes de fonctionnement du « mode étoile », la décharge est visiblement plus uniforme à l’exception de la variance radiale et est accompagnée d’un jet d’électrons à travers un trou de grille particulier de la grille cathodique. Voir la figure 2. Pour cette raison, ce mode est appelé « Jet Mode ». Malgré l’uniformité visuelle, une structure hétérogène de flux d’électrons existe toujours entre l’anode et la cathode dans le « Jet Mode ».

Notes