Scarica elettrica a bagliore

La scarica elettrica a bagliore è un tipo di plasma formato facendo passare una corrente da 100 V a diversi kV attraverso un gas, solitamente argon o un altro gas nobile. Si trova in prodotti come le luci fluorescenti e i televisori con schermo al plasma, ed è usato nella fisica del plasma e nella chimica analitica, ed è stato proposto come un metodo alternativo con cui le stelle producono i loro spettri visibili.

La scarica glow deve il suo nome al fatto che il plasma è luminoso, la luminosità è prodotta perché gli elettroni guadagnano energia sufficiente per generare luce visibile attraverso collisioni di eccitazione che generano fotoni. Questo fenomeno si ottiene più facilmente con l’interazione di un anodo e un catodo, che genera il complesso circuito di corrente che produce il bagliore. Nella formazione delle scariche a bagliore è coinvolta la formazione di campi elettrici ristretti e guaine di plasma in ciascuno degli elettrodi. La ionizzazione deve anche essere una parte critica di una scarica a bagliore in una condizione di equilibrio, poiché ci sarà una continua perdita di ioni da qualsiasi componente del sistema in qualsiasi momento, che deve essere bilanciata da un guadagno equivalente.

Il tipo più semplice di scarica a bagliore è una scarica a bagliore a corrente diretta. Nella sua forma più semplice, consiste di due elettrodi in una cella tenuta a bassa pressione (1-10 torr). La cella è tipicamente riempita di argon. Un potenziale di diverse centinaia di volt è applicato tra i due elettrodi. Una piccola popolazione di atomi all’interno della cella viene inizialmente ionizzata attraverso processi casuali (collisioni tra atomi o con particelle alfa, per esempio). Gli ioni (che sono carichi positivamente) sono spinti verso il catodo dal potenziale elettrico, e gli elettroni sono spinti verso l’anodo dallo stesso potenziale. La popolazione iniziale di ioni ed elettroni si scontra con altri atomi, ionizzandoli. Finché il potenziale viene mantenuto, rimane una popolazione di ioni ed elettroni.

Alcuna dell’energia cinetica degli ioni viene trasferita al catodo. Questo avviene in parte attraverso gli ioni che colpiscono direttamente il catodo. Il meccanismo principale, tuttavia, è meno diretto. Gli ioni colpiscono i più numerosi atomi di gas neutro, trasferendo loro una parte della loro energia. Questi atomi neutri colpiscono poi il catodo. Qualsiasi specie colpisca il catodo, le collisioni all’interno del catodo ridistribuiscono questa energia finché una parte del catodo viene espulsa, tipicamente sotto forma di atomi liberi. Questo processo è noto come sputtering. Una volta liberi dal catodo, gli atomi si spostano nella massa della scarica a bagliore attraverso la deriva e a causa dell’energia che hanno guadagnato dallo sputtering. Gli atomi possono quindi essere eccitati per collisione. Queste collisioni possono avvenire con ioni, elettroni o altri atomi che sono stati precedentemente eccitati da collisioni con ioni, elettroni o atomi. Una volta eccitati, gli atomi perderanno la loro energia abbastanza rapidamente. Dei vari modi in cui questa energia può essere persa, il più importante è radiativamente, il che significa che un fotone viene rilasciato per portare via l’energia. Nella spettroscopia atomica ottica, la lunghezza d’onda di questo fotone può essere usata per determinare l’identità dell’atomo (cioè, quale elemento chimico è) e il numero di fotoni è direttamente proporzionale alla concentrazione di quell’elemento nel campione. Alcune collisioni (quelle di energia abbastanza alta) causeranno la ionizzazione. Nella spettrometria di massa atomica, questi ioni vengono rilevati. La loro massa identifica il tipo di atomi e la loro quantità rivela la quantità di quell’elemento nel campione.

La figura sopra mostra le principali regioni che possono essere presenti in una scarica glow. Le regioni descritte come “bagliori” emettono una luce significativa; le regioni etichettate come “spazi scuri” non lo fanno. Quando la scarica diventa più estesa (cioè, allungata orizzontalmente nella geometria della figura), la colonna positiva può diventare striata. Cioè, si possono formare regioni scure e luminose alternate. Analogamente, comprimendo la scarica orizzontalmente si otterrà un minor numero di regioni. La colonna positiva sarà compressa mentre il bagliore negativo rimarrà della stessa dimensione, e, con spazi abbastanza piccoli, la colonna positiva scomparirà del tutto. In una scarica a bagliore analitica, la scarica è principalmente un bagliore negativo con una regione scura sopra e sotto di esso.

Struttura di base della scarica a bagliore

La caratteristica della corrente di tensione di una scarica a bagliore è altamente non lineare, come molti fenomeni del plasma, e la fisica lineare ordinaria non può essere applicata per spiegare la loro struttura. Per una scarica a bagliore DC di base, tre regioni principali possono essere distinte l’una dall’altra, scarica scura, scarica a bagliore e scarica ad arco.

La figura sopra è un tipico grafico V/I di una scarica a bagliore. Le caratteristiche principali della scarica come la tensione di rottura, la caratteristica della corrente di tensione e la struttura della scarica dipendono dalla geometria degli elettrodi, dal gas usato, dalla pressione e dal materiale dell’elettrodo.

Scarica scura (dark current mode)

Il regime tra A ed E sulla caratteristica tensione-corrente è chiamato scarica scura perché, eccetto le scariche a corona e la rottura stessa, la scarica rimane invisibile all’occhio.

• A – B Durante la fase di ionizzazione di fondo del processo il campo elettrico applicato lungo l’asse del tubo di scarica spazza via gli ioni e gli elettroni creati per ionizzazione dalla radiazione di fondo. La radiazione di fondo da raggi cosmici, minerali radioattivi o altre fonti, produce un grado costante e misurabile di ionizzazione nell’aria a pressione atmosferica. Gli ioni e gli elettroni migrano verso gli elettrodi nel campo elettrico applicato producendo una debole corrente elettrica. L’aumento della tensione spazza via una frazione crescente di questi ioni ed elettroni.

• B – C Se la tensione tra gli elettrodi viene aumentata abbastanza, alla fine tutti gli elettroni e gli ioni disponibili vengono spazzati via, e la corrente si satura. Nella regione di saturazione, la corrente rimane costante mentre la tensione viene aumentata. Questa corrente dipende linearmente dall’intensità della fonte di radiazione, un regime utile in alcuni contatori di radiazioni.

• C – E Se la tensione attraverso il tubo di scarica a bassa pressione è aumentata oltre il punto C, la corrente aumenterà esponenzialmente. Il campo elettrico è ora abbastanza alto in modo che gli elettroni inizialmente presenti nel gas possano acquisire abbastanza energia prima di raggiungere l’anodo per ionizzare un atomo neutro. Quando il campo elettrico diventa ancora più forte, l’elettrone secondario può anche ionizzare un altro atomo neutro portando ad una valanga di produzione di elettroni e ioni. La regione di aumento esponenziale della corrente è chiamata scarica di Townsend.

• D – E Le scariche a corona si verificano in scariche scure di Townsend in regioni di alto campo elettrico vicino a punti taglienti, bordi o fili nei gas prima della rottura elettrica. Se le correnti coronali sono abbastanza alte, le scariche a corona possono essere tecnicamente “scariche a bagliore”, visibili all’occhio. Per basse correnti, l’intera corona è scura, come appropriato per le scariche scure. Fenomeni correlati includono la scarica elettrica silenziosa, una forma impercettibile di scarica filamentosa, e la scarica a spazzola, una scarica luminosa in un campo elettrico non uniforme in cui molte scariche a corona sono attive allo stesso tempo e formano delle stelle filanti attraverso il gas.

• E La ripartizione elettrica avviene in regime Townsend con l’aggiunta di elettroni secondari emessi dal catodo a causa dell’impatto di ioni o fotoni. Al breakdown, o potenziale di scintillazione VB, la corrente potrebbe aumentare di un fattore da 104 a 108, e di solito è limitata solo dalla resistenza interna dell’alimentatore collegato tra le piastre. Se la resistenza interna dell’alimentatore è molto alta, il tubo di scarica non può assorbire abbastanza corrente per rompere il gas, e il tubo rimarrà nel regime corona con piccoli punti corona o scariche a spazzola evidenti sugli elettrodi. Se la resistenza interna dell’alimentatore è relativamente bassa, allora il gas si romperà alla tensione VB e passerà al normale regime di scarica a bagliore. La tensione di rottura per un particolare gas e materiale degli elettrodi dipende dal prodotto della pressione e della distanza tra gli elettrodi, pd, come espresso nella legge di Paschen (1889).

Scarica glow (modalità glow normale)

Il regime di scarica glow deve il suo nome al fatto che il plasma è luminoso. Il gas brilla perché l’energia degli elettroni e la densità numerica sono abbastanza alte da generare luce visibile dalle collisioni di eccitazione. Le applicazioni della scarica a bagliore includono luci fluorescenti, reattori al plasma a piastre parallele in corrente continua, scariche “magnetron” usate per il deposito di film sottili, e sorgenti di plasma a bombardamento elettrico.

• F – G Dopo una transizione discontinua da E a F, il gas entra nella regione di bagliore normale, in cui la tensione è quasi indipendente dalla corrente su diversi ordini di grandezza della corrente di scarica. La densità di corrente dell’elettrodo è indipendente dalla corrente totale in questo regime. Ciò significa che il plasma è in contatto solo con una piccola parte della superficie del catodo a basse correnti. Man mano che la corrente viene aumentata da F a G, la frazione del catodo occupata dal plasma aumenta, fino a quando il plasma copre l’intera superficie del catodo al punto G.

• G – H Nel regime di bagliore anomalo sopra il punto G, la tensione aumenta notevolmente con l’aumentare della corrente totale per forzare la densità di corrente del catodo sopra il suo valore naturale e fornire la corrente desiderata. A partire dal punto G e spostandosi verso sinistra, si osserva una forma di isteresi nella caratteristica tensione-corrente. La scarica si mantiene a correnti e densità di corrente considerevolmente più basse che al punto F e solo allora fa una transizione indietro al regime di Townsend.

Scariche ad arco (modalità arco)

• H – K Al punto H, gli elettrodi diventano sufficientemente caldi che il catodo emette elettroni termionicamente. Se l’alimentazione DC ha una resistenza interna sufficientemente bassa, la scarica subirà una transizione da bagliore ad arco, H-I. Il regime dell’arco, da I a K, è un regime in cui la tensione di scarica diminuisce all’aumentare della corrente, fino a raggiungere grandi correnti al punto J, e dopo di che la tensione aumenta lentamente all’aumentare della corrente.

Fusione nelle scariche incandescenti

Le proprietà delle scariche incandescenti sono state suggerite come un modo ideale per creare energia di fusione, e alcune tecniche di fusione sono state sviluppate per utilizzare le proprietà e vari modi di funzionamento delle scariche incandescenti come una componente vitale in questo processo. La più notevole è la fusione a confinamento inerziale-elettrostatico (IECF). In questo processo, gli ioni combustibili sono intrappolati con campi puramente elettrostatici in una geometria convergente, in contrasto con il confinamento magnetico e altri metodi simili più popolari. L’inventore di questo concetto fu lo scienziato statunitense Philo Farnsworth, che ebbe l’idea negli anni ’50. Altre variazioni su questo concetto includono il concetto di Polywell, la trappola di Penning, la sfera di plasma oscillante perodicamente (POPS), e dispositivi multi-elettrodo (#elettrodi >2). Tutti questi dispositivi includono qualche caratteristica che li rende più complessi dei semplici dispositivi di scarica a bagliore a due elettrodi, spesso con l’intenzione di aggirare alcuni dei meccanismi di perdita associati ai dispositivi IECF.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Una sorgente di neutroni/protoni Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF) è un dispositivo compatto di semplice configurazione basato sulle
proprietà della scarica glow. Fondamentalmente consiste in un catodo cavo trasparente al centro di una camera a vuoto sferica (serve da anodo), di solito riempita con un gas combustibile D2, e una scarica a bagliore ha luogo tra di loro. Gli ioni ad alta energia risultanti interagiscono con il gas di fondo (collisioni fascio-sfondo) e con se stessi (collisioni fascio-fascio) in un piccolo volume intorno allo spot centrale, dando luogo a un alto tasso di reazioni di fusione. Il risultato è un generatore di neutroni che produce neutroni dell’ordine di 106-108 neutroni al secondo. In dispositivi che utilizzano tassi di iniezione ancora più elevati, gli ioni iniettati possono fornire un profondo pozzo di potenziale autogenerato che confina gli ioni intrappolati del fascio, creando tassi di reazione ancora più elevati. Il dispositivo può essere modificato utilizzando una miscela di gas di riempimento di deuterio ed elio-3 per essere una fonte di protoni oltre che di neutroni. IECF ha anche applicazioni promettenti per il rilevamento di mine terrestri.

Modalità di funzionamento associate a IECF

La scarica a bagliore nelle macchine IECF può essere classificata secondo quattro modalità di scarica distinte. Questi sono il modo Central Glow, il modo Star, il modo Halo e il modo Jet. I nomi sono descrittivi delle apparenze visive della luce emessa dalle scariche. Ogni modalità è associata a una diversa struttura del pozzo potenziale, quindi al tasso di produzione di neutroni, per determinati parametri operativi. Ognuno richiede una combinazione unica di parametri operativi, cioè tensione, corrente, pressione e parametri di griglia.

• Modalità Central Glow Nella modalità Central Glow, viene prodotto un bagliore a forma di palla al centro della sfera. Per produrlo, può essere usata una sorgente di ioni come un cannone ionico o una griglia di sorgente di ioni o un catodo che emette elettroni. Nel catodo, la griglia è fatta il più possibile sferica, composta da molti fili sottili di griglia con molte aperture per ottenere una grande trasparenza geometrica e un flusso di ioni ragionevolmente uniforme e sfericamente simmetrico. In tale operazione, la trasparenza della griglia è un parametro chiave: poiché gli ioni scorrono quasi uniformemente attraverso la griglia, una frazione della corrente viene intercettata e persa nei fili della griglia. Più alta è la trasparenza geometrica della griglia, più bassa è la frazione di perdita di ioni – aumentando il tasso di ricircolo degli ioni. Il tasso di reazione nello spot centrale è aumentato in modo corrispondente, e il riscaldamento e lo sputtering della griglia da parte del bombardamento di ioni è ridotto. Quindi, lo sviluppo e l’ottimizzazione di tali disegni di griglia erano gli obiettivi primari dei primi lavoratori nel campo. Per tensioni e correnti operative simili, questa modalità dà solo circa un terzo dell’output di neutroni per unità di potenza in ingresso rispetto alla modalità Star.

• Modalità Star: Per creare la modalità Star, una griglia viene costruita in modo tale che il diametro di apertura della griglia sia una frazione significativa della circonferenza maggiore della griglia. Questo causa una depressione locale della superficie potenziale. (Questa depressione a sua volta fa sì che il flusso di ioni si concentri, formando i caratteristici fasci di ioni radiali o “raggi” della modalità Star. Nelle scariche planari, la considerazione della guaina in una sola dimensione è possibile, ma la natura discreta della griglia catodica di una scarica glow in una forma sferica risulta in una complicata struttura di potenziale 3D. Il risultato è che il catodo agisce come una lente efficace per le particelle cariche a causa della curvatura del campo tra i singoli fili della griglia catodica. Ciò significa che non abbiamo un flusso omogeneo di particelle tra gli elettrodi, ma piuttosto una struttura di flusso eterogeneo di “raggi” di plasma che trasportano le particelle tra gli elettrodi. I raggi sono anche luminosi come indicato in Fig. 1. Lo Star Mode si verifica tipicamente a pressioni da ~ 1 a 25mTorr.
• Modalità Halo: Questo è iniziato nello stesso modo della modalità Star, ed è simile in molti aspetti, ma di solito a pressioni più basse, e quindi, tensioni catodiche più elevate. La transizione alla modalità Halo è realizzata allargando una o più delle aperture della griglia (cioè, rimuovendo fisicamente la sezione di filo che separa le aperture adiacenti). Questo provoca un flusso di elettroni fuori dal volume centrale (getto di elettroni) in cui si sviluppa la modalità Halo. Poi si osserva un forte getto di elettroni che scorre attraverso l’apertura allargata. Sono stati creati fino a sei getti su facce opposte della griglia in questione. Il getto a sua volta crea nuovi ioni per ionizzazione collisionale dei neutri di fondo. Il flusso di ioni ed elettroni risultante causa una completa ridistribuzione della carica spaziale, formando così una nuova struttura a pozzo di potenziale caratterizzata da un bagliore centrale luminoso e da una regione esterna di alone incandescente. Un alone luminoso bianco e sferico si forma concentrico alla griglia catodica con un punto luminoso al centro. Di conseguenza, questa modalità operativa è stata chiamata modalità Halo. L’alone è sempre stato accompagnato dal getto di elettroni, notato sopra, che si ritiene essere una caratteristica fondamentale del modo. Il modo Halo offre generalmente un fattore da 1,5 a 3 volte maggiore di tassi di emissione di neutroni per unità di potenza in ingresso rispetto al modo Star.

• Modo Jet: Quando la pressione viene aumentata al di sopra dei regimi operativi dello “Star Mode”, la scarica è visibilmente più uniforme con l’eccezione della varianza radiale ed è accompagnata da un getto di elettroni attraverso un particolare foro della griglia del catodo. Vedi Fig. 2. Per questo motivo, questa modalità è indicata come “Jet Mode”. Nonostante l’uniformità visiva, una struttura eterogenea di flusso di elettroni esiste ancora tra l’anodo e il catodo in “Jet Mode”.

Note