Elektromos izzó kisülés

Az elektromos izzó kisülés egy olyan plazmatípus, amely 100 V-tól néhány kV-ig terjedő feszültségű áram gázon, általában argonon vagy más nemesgázon keresztül történő átvezetésével jön létre. Olyan termékekben található meg, mint a fénycsövek és a plazmaképernyős televíziók, használják a plazmafizikában és az analitikai kémiában, és javasolták, mint alternatív módszert, amellyel a csillagok a látható színképüket előállítják.

A fénykisülés a nevét annak köszönheti, hogy a plazma világít, a világosság azért jön létre, mert az elektronok elegendő energiát nyernek a látható fény előállításához a fotonokat létrehozó gerjesztési ütközések révén. Ez a jelenség legegyszerűbben egy anód és katód kölcsönhatásával érhető el, amely létrehozza az izzást előidéző összetett áramkört. Az izzó kisülések kialakulásában részt vesz a korlátozott elektromos mezők és plazmahüvelyek kialakulása az egyes elektródáknál. Az izzó kisülésnek egyensúlyi állapotban az ionizáció is kritikus része kell, hogy legyen, mivel a rendszer bármely meghatározott komponenséből bármikor folyamatos ionveszteség keletkezik, amit egy egyenértékű nyereséggel kell ellensúlyozni.

A legegyszerűbb izzó kisülés típus az egyenáramú izzó kisülés. Legegyszerűbb formájában két elektródából áll egy alacsony nyomáson (1-10 torr) tartott cellában. A cellát általában argonnal töltik meg. A két elektróda között több száz voltos feszültséget alkalmaznak. A cellában lévő atomok egy kis populációja kezdetben véletlenszerű folyamatok (például atomok közötti vagy alfa-részecskékkel való ütközések) révén ionizálódik. Az ionokat (amelyek pozitív töltésűek) az elektromos potenciál a katód felé hajtja, az elektronokat pedig ugyanez a potenciál az anód felé. Az ionok és elektronok kezdeti populációja más atomokkal ütközik, ionizálva azokat. Amíg a potenciál fennmarad, az ionok és elektronok populációja megmarad.

Az ionok mozgási energiájának egy része a katódra kerül. Ez részben úgy történik, hogy az ionok közvetlenül a katódba csapódnak. Az elsődleges mechanizmus azonban kevésbé közvetlen. Az ionok a nagyobb számú semleges gázatomoknak csapódnak, és energiájuk egy részét átadják nekik. Ezek a semleges atomok ezután a katódra csapódnak. Bármelyik faj is csapódik a katódba, az ütközések a katódon belül újraelosztják ezt az energiát, amíg a katód egy része kilökődik, jellemzően szabad atomok formájában. Ezt a folyamatot porlasztásnak nevezzük. Miután az atomok kiszabadultak a katódból, sodródás révén és a porlasztás során nyert energiájuknak köszönhetően az izzó kisülés nagy részébe kerülnek. Az atomokat ezután ütközéses gerjesztéssel lehet gerjeszteni. Ezek az ütközések történhetnek ionokkal, elektronokkal vagy más atomokkal, amelyeket korábban ionokkal, elektronokkal vagy atomokkal való ütközésekkel gerjesztettek. A gerjesztés után az atomok viszonylag gyorsan elveszítik energiájukat. Az energia elvesztésének különböző módjai közül a legfontosabb a sugárzás, ami azt jelenti, hogy egy foton szabadul fel, amely elviszi az energiát. Az optikai atomspektroszkópiában ennek a fotonnak a hullámhossza alapján meghatározható az atom azonossága (azaz, hogy melyik kémiai elemről van szó), és a fotonok száma egyenesen arányos az adott elem koncentrációjával a mintában. Egyes ütközések (a kellően nagy energiájúak) ionizációt okoznak. Az atomi tömegspektrometriában ezeket az ionokat detektálják. Tömegük azonosítja az atomok típusát, mennyiségük pedig elárulja az adott elem mennyiségét a mintában.

A fenti ábra az izzó kisülésben előforduló főbb tartományokat mutatja. Az “izzásként” leírt régiók jelentős fényt bocsátanak ki; a “sötét térként” jelölt régiók nem. Ahogy a kisülés egyre kiterjedtebbé válik (azaz az ábra geometriájában vízszintesen megnyúlik), a pozitív oszlop csíkozottá válhat. Vagyis váltakozó sötét és világos régiók alakulhatnak ki. Ehhez kapcsolódóan a kisülés vízszintes irányú összenyomása kevesebb régiót eredményez. A pozitív oszlop összenyomódik, míg a negatív izzó ugyanolyan méretű marad, és elég kis hézagok esetén a pozitív oszlop teljesen eltűnik. Egy analitikus izzó kisülésben a kisülés elsősorban negatív izzás, felette és alatta sötét régióval.

Az izzó kisülés alapvető szerkezete

Az izzó kisülés feszültségáram-karakterisztikája erősen nem lineáris, mint sok plazmajelenség, és a szokásos lineáris fizika nem alkalmazható a struktúrájuk magyarázatára. Egy alapvető egyenáramú izzó kisülésnél három fő területet lehet megkülönböztetni egymástól, a sötét kisülést, az izzó kisülést és az ívkisülést.

A fenti ábra egy izzó kisülés tipikus V/I diagramja. A kisülés főbb jellemzői, mint például az átütési feszültség, a feszültségáram-karakterisztika és a kisülés szerkezete az elektródák geometriájától, a felhasznált gáztól, a nyomástól és az elektróda anyagától függ.

Sötét kisülés (sötétáram üzemmód)

A feszültség-áram karakterisztikán A és E közötti tartományt sötét kisülésnek nevezzük, mert a koronakisülések és magának az átütésnek a kivételével a kisülés a szem számára láthatatlan marad.

• A – B A folyamat háttérionizációs szakaszában a kisülési cső tengelye mentén alkalmazott elektromos tér kisöpri a háttérsugárzásból az ionizáció által létrehozott ionokat és elektronokat. A kozmikus sugárzásból, radioaktív ásványokból vagy más forrásokból származó háttérsugárzás állandó és mérhető mértékű ionizációt eredményez a levegőben légköri nyomáson. Az ionok és elektronok az alkalmazott elektromos térben az elektródák felé vándorolnak, gyenge elektromos áramot létrehozva. A feszültség növelése ezen ionok és elektronok egyre nagyobb hányadát söpri ki.

• B – C Ha az elektródák közötti feszültséget eléggé megnöveljük, végül az összes rendelkezésre álló elektront és iont kisöpörjük, és az áram telítődik. A telítési tartományban az áram állandó marad, miközben a feszültséget növeljük. Ez az áram lineárisan függ a sugárforrás erősségétől, ez a rezsim egyes sugárzásszámlálókban hasznos.

• C – E Ha a kisnyomású kisülési csövön átmenő feszültséget a C ponton túl növeljük, az áram exponenciálisan növekszik. Az elektromos tér most már elég nagy ahhoz, hogy a gázban kezdetben jelen lévő elektronok elegendő energiát szerezzenek, mielőtt elérnék az anódot, hogy ionizáljanak egy semleges atomot. Ahogy az elektromos tér még erősebbé válik, a másodlagos elektron egy másik semleges atomot is ionizálhat, ami az elektron- és iontermelés lavinájához vezet. Az exponenciálisan növekvő áram tartományát Townsend-kisülésnek nevezzük.

• D – E A koronakisülések a Townsend-féle sötét kisülésekben a gázok éles pontjai, élei vagy drótjai közelében lévő nagy elektromos térrel rendelkező régiókban fordulnak elő az elektromos bontás előtt. Ha a koronakurvenciák elég magasak, a koronakisülések technikailag “izzó kisülések” lehetnek, szemmel láthatóak. Alacsony áramok esetén az egész korona sötét, a sötét kisüléseknek megfelelően. A rokon jelenségek közé tartozik a csendes elektromos kisülés, a fonalas kisülés nem hallható formája, és a kefekisülés, a nem egyenletes elektromos térben fellépő világító kisülés, ahol sok koronakisülés egyszerre aktív, és a gázon keresztül patakokat alkot.

• E Az elektromos bontás a Townsend-rendszerben a katódból ion- vagy fotonbecsapódás következtében kibocsátott másodlagos elektronok hozzáadásával történik. A VB átütési, vagy szikrázó potenciálon az áram 104-108-szorosára nőhet, és általában csak a lemezek közé kapcsolt tápegység belső ellenállása korlátozza. Ha a tápegység belső ellenállása nagyon nagy, a kisülési cső nem tud elég áramot felvenni a gáz bontásához, és a cső koronarezsimben marad, és az elektródákon kis koronapontok vagy ecsetkisülések jelennek meg. Ha a tápegység belső ellenállása viszonylag alacsony, akkor a gáz a VB feszültségnél lebomlik, és átmegy a normál izzó kisülési rendszerbe. Egy adott gáz és elektródaanyag esetén az átütési feszültség a nyomás és az elektródák közötti távolság pd szorzatától függ, ahogyan azt Paschen törvénye (1889) kifejezi.

Izzó kisülés (normál izzó kisülési üzemmód)

Az izzó kisülési üzemmód annak köszönheti a nevét, hogy a plazma világít. A gáz izzik, mert az elektronok energiája és számsűrűsége elég nagy ahhoz, hogy gerjesztési ütközések révén látható fényt hozzon létre. Az izzó kisülés alkalmazásai közé tartoznak a fluoreszcens lámpák, a párhuzamos lemezes egyenáramú plazmareaktorok, a vékonyrétegek leválasztására használt “magnetron” kisülések és az elektrobombázó plazmaforrások.

• F – G Az E-ből F-be való diszkontinuus átmenet után a gáz belép a normál izzási tartományba, amelyben a feszültség a kisülési áram több nagyságrendjén keresztül szinte független az áramtól. Az elektróda áramsűrűsége ebben a rezsimben független a teljes áramtól. Ez azt jelenti, hogy a plazma kis áramoknál a katódfelületnek csak egy kis részével érintkezik. Ahogy az áramot F-től G felé növeljük, a katódnak a plazma által elfoglalt része növekszik, amíg a G pontban a plazma a teljes katódfelületet beteríti.

• G – H A G pont feletti abnormális izzási rezsimben a feszültség jelentősen megnő a növekvő összárammal, hogy a katód áramsűrűségét a természetes értéke fölé kényszerítse és a kívánt áramot biztosítsa. A G ponttól kezdve és balra haladva egyfajta hiszterézis figyelhető meg a feszültség-áram karakterisztikában. A kisülés az F pontnál lényegesen kisebb áramokon és áramsűrűségeken tartja fenn magát, mint az F pontban, és csak ezután lép vissza a Townsend-rendszerbe.

íves kisülések (íves üzemmód)

• H – K A H pontban az elektródák eléggé felforrósodnak ahhoz, hogy a katód termionikusan elektronokat bocsát ki. Ha az egyenáramú tápegység kellően alacsony belső ellenállással rendelkezik, a kisülés izzás-íves átmeneten megy keresztül, H-I. Az I-től K-ig tartó íves rendszerben a kisülési feszültség az áram növekedésével csökken, amíg a J pontnál nagy áramot nem érünk el, és ezután a feszültség az áram növekedésével lassan nő.

Fúzió az izzó kisülésekben

Az izzó kisülések tulajdonságait a fúziós energia előállításának ideális módjaként javasolták, és néhány fúziós technikát fejlesztettek ki az izzó kisülések tulajdonságainak és különböző működési módjainak hasznosítására, mint e folyamat létfontosságú összetevőjére. Ezek közül a legjelentősebb az inerciális-elektrosztatikus bezártságú fúzió (IECF). Ebben az eljárásban az üzemanyagionokat tisztán elektrosztatikus mezőkkel csapdába ejtik egy konvergens geometriában, szemben a mágneses bezárással és más hasonló népszerűbb módszerekkel. A koncepció feltalálója Philo Farnsworth amerikai tudós volt, aki az 1950-es években állt elő az ötlettel. Ennek egyéb változatai közé tartozik a Polywell-koncepció, a Penning-csapda, a perodikusan oszcilláló plazmagömb (POPS) és a több elektródával (#elektródák >2) rendelkező eszközök. Mindezek az eszközök tartalmaznak valamilyen olyan jellemzőt, amely összetettebbé teszi őket az egyszerű két elektródás izzó kisülési eszközöknél, gyakran azzal a szándékkal, hogy megkerüljék az IECF-eszközökkel kapcsolatos néhány veszteségmechanizmust.

Inerciális-elektrosztatikus bezártságú fúzió (IECF)

Az inerciális-elektrosztatikus bezártságú fúziós (IECF) neutron/protonforrás egy kompakt, egyszerű konfigurációjú berendezés, amely
az izzó kisülés tulajdonságain alapul. Alapvetően egy átlátszó üreges katódból áll, amely egy gömb alakú vákuumkamra közepén helyezkedik el (anódként szolgál), általában D2 üzemanyaggázzal töltve, és közöttük izzó kisülés zajlik. A keletkező nagyenergiájú ionok kölcsönhatásba lépnek a háttérgázzal (sugár-háttér ütközések) és önmagukkal (sugár-sugár ütközések) a központi pont körüli kis térfogatban, ami nagy sebességű fúziós reakciókat eredményez. Az eredmény egy neutrongenerátor, amely másodpercenként 106-108 neutron nagyságrendű neutronokat termel. A még nagyobb befecskendezési sebességet alkalmazó berendezésekben a befecskendezett ionok egy mély, öngenerált potenciálkutat biztosíthatnak, amely a csapdába esett sugárionokat elzárja, még nagyobb reakciósebességet létrehozva. Az eszköz módosítható deutériumból és hélium-3-ból álló töltőgáz-keverék alkalmazásával, amely a neutronok mellett protonok forrása is lehet. Az IECF a taposóaknák felderítésére is ígéretes alkalmazásokat kínál.

Az IECF-hez kapcsolódó működési módok

Az IECF-berendezések izzó kisülése négy jellegzetes kisülési mód szerint kategorizálható. Ezek a központi izzítási mód, a csillag mód, a halo mód és a sugár mód. Az elnevezések a kisülések által kibocsátott fény vizuális megjelenését írják le. Mindegyik üzemmódhoz más-más potenciális kútszerkezet, tehát neutrontermelési sebesség társul adott működési paraméterek mellett. Mindegyik a működési paraméterek, azaz a feszültség, az áram, a nyomás és a rácsparaméterek egyedi kombinációját igényli.

• Central Glow mód A Central Glow módban a gömb közepén gömb alakú izzás keletkezik. Ennek előállításához ionforrás, például ionágyú vagy ionforrásrács, illetve elektronemissziós katód használható. A katódban a rácsot a lehető leggömbölyűbbre alakítják ki, sok finom, sok nyílással ellátott rácshuzalból áll, hogy nagy geometriai átláthatóságot és viszonylag egyenletes és gömbszimmetrikus ionáramlást érjenek el. Ilyen működés esetén a rács átlátszósága kulcsfontosságú paraméter: mivel az ionok szinte egyenletesen áramlanak át a rácson, az áram egy része megszakad és elvész a rácshuzalokon. Minél nagyobb a rács geometriai átláthatósága, annál kisebb az ionok veszteséghányada, ami növeli az ionvisszavezetési arányt. Ennek megfelelően nő a reakciósebesség a középső foltban, és csökken a rács ionbombázás általi felmelegedése és porlasztása. Így az ilyen rácsszerkezetek kifejlesztése és optimalizálása volt a területen korábban dolgozók elsődleges célja. Hasonló üzemi feszültségek és áramok esetén ez az üzemmód csak körülbelül harmadannyi neutronkibocsátást ad egységnyi felvett teljesítményre vetítve, mint a Star üzemmód.

• Csillag üzemmód: A Star üzemmód létrehozásához a rácsot úgy kell kialakítani, hogy a rácsnyílás átmérője a rács fő kerületének jelentős hányada legyen. Ez a potenciálfelület helyi mélyedését okozza. (Ezt a mélyedést el kell kerülni a központi izzó üzemmód létrehozásához.) Ez a mélyedés viszont az ionáramlás fókuszálódását okozza, kialakítva a Star üzemmódra jellemző radiális ionnyalábokat vagy “küllőket”. Síkbeli kisüléseknél a köpeny csak 1 dimenzióban történő figyelembevétele lehetséges, de a gömb alakú izzó kisülés katódrácsának diszkrét jellege bonyolult 3D potenciálszerkezetet eredményez. Ez azt eredményezi, hogy a katód az egyes katódrácshuzalok közötti tér görbülete miatt effektív töltött részecske lencseként viselkedik. Ez azt jelenti, hogy nem homogén részecskeáramlással rendelkezünk az elektródák között, hanem a részecskéket az elektródák között szállító plazma “küllők” heterogén áramlási struktúrájával. A küllők az 1. ábrán látható módon világítanak is. A csillag üzemmód jellemzően ~ 1 és 25mTorr közötti nyomáson fordul elő.
• Halo mód: Ez ugyanúgy indul be, mint a Star-mód, és sok tekintetben hasonló, de általában alacsonyabb nyomáson, és így nagyobb katódfeszültségek mellett. A Halo üzemmódba való átmenet egy vagy több rácsnyílás megnagyobbításával (azaz a szomszédos nyílásokat elválasztó huzalszakasz fizikai eltávolításával) történik. Ezáltal elektronok áramlanak ki a központi térfogatból (elektronsugár), amely körülmények között kialakul a Halo üzemmód. Ekkor megfigyelhető, hogy a megnagyobbított nyílás(ok)on keresztül erős elektronnyaláb áramlik át. A szóban forgó rács ellentétes oldalain akár hat jet is létrejöhetett. A jet viszont a háttérneutrálisok ütközéses ionizációja révén új ionokat hoz létre. Az így létrejövő ion- és elektronáramlás a tér töltésének teljes újraelosztását okozza, így egy új potenciálkút-szerkezet alakul ki, amelyet egy fényes központi izzás és egy külső izzó halo régió jellemez. A katódrácsra koncentrikusan egy fényes fehér, gömb alakú halo alakul ki, amelynek közepén egy fényes folt található. Ennek megfelelően ezt a működési módot halo üzemmódnak nevezték el. A halót mindig is kísérte a fent említett elektronsugár, amelyről úgy vélik, hogy az üzemmód alapvető jellemzője. A Halo üzemmód általában 1,5-3-szor nagyobb neutronemissziós sebességet biztosít egységnyi bemeneti teljesítményre vetítve, mint a Star üzemmód.

• Jet-mód: Ahogy a nyomás a “Csillag üzemmód” üzemmódok fölé emelkedik, a kisülés a sugárirányú szórástól eltekintve láthatóan egyenletesebb, és a katódrács egy adott rácslyukán keresztül elektronsugárral jár együtt. Lásd a 2. ábrát. Ezért ezt az üzemmódot “Jet Mode”-nak nevezik. A vizuális egyenletesség ellenére a “Jet Mode” üzemmódban az anód és a katód között még mindig heterogén elektronáramlási struktúra létezik.

Jegyzetek