電気グロー放電

電気グロー放電は、アルゴンなどの希ガスに100Vから数kVの電流を流して形成されるプラズマの一種である。 蛍光灯やプラズマテレビなどの製品に含まれ、プラズマ物理学や分析化学の分野で使用されており、星が可視スペクトルを生成する代替方法として提案されている。

グロー放電の名前は、プラズマが発光することに由来し、発光は、電子が励起衝突によって光子を生成し可視光を得るのに十分なエネルギーを得たために生じたものである。 この現象は、陽極と陰極の相互作用によって最も容易に達成され、グローを発生させる複雑な電流回路が生成される。 グロー放電の形成には、各電極での制限電界とプラズマシースの形成が関与している。 また、平衡状態にあるグロー放電では、イオンの連続的な損失があり、それが同等の利益と釣り合う必要がある。

グロー放電の最も単純なタイプは直流グロー放電である。 低圧(1～10torr)に保たれたセル内に2つの電極を持つもので、最も単純な形態である。 セル内はアルゴンで満たされているのが一般的です。 2つの電極の間には、数百ボルトの電位がかかっている。 セル内の小さな原子集団は、最初はランダムなプロセス（原子同士の衝突やアルファ粒子との衝突など）により電離されます。 イオン（正電荷）は電位によって陰極に向かい、電子は同じ電位によって陽極に向かいます。 イオンと電子の最初の集団は、他の原子と衝突してイオン化します。

イオンの運動エネルギーの一部は、陰極に移動します。 これは、イオンが直接カソードに衝突することによって部分的に起こります。 しかし、主なメカニズムは、より直接的ではありません。 イオンは、より多くの中性ガス原子に衝突し、そのエネルギーの一部を中性ガス原子に伝達する。 そして、その中性原子が陰極にぶつかる。 どの原子が陰極に当たっても、陰極内の衝突によってエネルギーが再分配され、陰極の一部が遊離原子として放出される。 この過程はスパッタリングと呼ばれる。 陰極から放出された原子は、ドリフトとスパッタリングで得たエネルギーにより、グロー放電のバルクに移動する。 そして、原子は衝突励起される。 これらの衝突は、イオン、電子、または以前に励起された他の原子との衝突である場合がある。 一度励起された原子は、かなり早くエネルギーを失います。 このエネルギーが失われる方法はさまざまありますが、最も重要なのは放射性です。つまり、エネルギーを運ぶために光子が放出されるのです。 光学的原子分光法では、この光子の波長から原子の識別（つまり、どの化学元素であるか）を行うことができ、光子の数は試料中のその元素の濃度に正比例する。 一部の衝突（十分に高いエネルギーのもの）は、イオン化を引き起こします。 原子質量分析法では、これらのイオンを検出します。

上の図にグロー放電に存在しうる主要部位を示しました。 グローと書かれた領域は大きな光を発し、ダークスペースと書かれた領域は光を発しない。 放電が大きくなると（図の形状では水平に伸びる）、正円柱が筋状になることがある。 つまり、暗い領域と明るい領域が交互に形成される可能性がある。 また、放電を水平方向に圧縮すると、領域が少なくなります。 正電極の柱は圧縮されますが、負電極の輝きは同じ大きさのままであり、十分に小さいギャップでは、正電極の柱は完全に消滅します。

グロー放電の基本構造

グロー放電の電圧電流特性は、多くのプラズマ現象と同様に非線形性が強く、その構造を説明するのに通常の線形物理学を適用することはできない。 基本的なDCグロー放電では、暗黒放電、グロー二次放電、アーク放電の3つに大別されます。

上図はグロー放電の典型的なV/Iプロットです。 放電の主な特性である絶縁破壊電圧、電圧電流特性、放電の構造は、電極の形状、使用ガス、圧力、電極の材質などに依存します。

暗黒放電（暗電流モード）

電圧電流特性のAとEの間の領域は、コロナ放電と絶縁破壊そのものを除いて、放電は目に見えないままなので暗黒放電と呼ばれます

• A – B 背景電離段階において、放電管の軸方向に加えられた電界は背景放射線からの電離により生じたイオンと電子を掃き出すことができる。 宇宙線、放射性鉱物などからの背景放射は、大気圧の空気中に一定の測定可能な電離を生じさせます。 イオンと電子は、印加された電界の中で電極に移動し、微弱な電流を発生させます。

• B – C 電極間の電圧を十分に高くすると、最終的に利用可能なすべての電子とイオンが掃き出され、電流は飽和状態になります。 飽和領域では、電圧を上げても電流は一定に保たれる。

• C – E 低圧放電管にかかる電圧をC点より高くすると、電流は指数関数的に上昇する。 このとき電界が十分に高いので、ガス中に最初に存在する電子は、陽極に到達する前に十分なエネルギーを得て、中性原子を電離することができます。 電界がさらに強くなると、二次電子が別の中性原子をイオン化し、電子とイオンの生成に雪崩を打つかもしれません。

• D – E コロナ放電は、電気分解前のガス中の尖った部分やエッジ、ワイヤーに近い高電界領域で、タウンゼント暗放電が発生します。 コロナcuurentsが十分に高ければ、コロナ放電は目に見える技術的に “glow discharges “である場合もある。 低電流の場合は、暗黒放電にふさわしく、コロナ全体が暗くなっている。 関連する現象として、フィラメント放電の聞き取れない形である無声放電や、多くのコロナ放電が同時に活動し、ガスの中をストリーマー状に流れる非一様電界での発光放電であるブラシ放電があります。

• E イオンやフォトンの衝突によりカソードから放出された二次電子が加わりタウンゼント領域で電気分解が発生することです。 絶縁破壊電位VBでは、電流は104～108倍に増加し、通常、プレート間に接続された電源の内部抵抗によってのみ制限される。 電源の内部抵抗が大きいと、放電管はガスを分解するのに十分な電流を得ることができず、コロナ領域にとどまり、電極に小さなコロナポイントやブラシ放電が見られるようになります。 電源の内部抵抗が比較的低い場合は、電圧 VB でガスが分解し、通常のグロー放電に移行します。

グロー放電（通常のグローモード）

グロー放電領域は、プラズマが発光することからその名が付けられた。 ガスが光るのは、電子のエネルギーと数密度が十分に高く、励起衝突によって可視光を発生させるからである。

• F – G EからFへの不連続な遷移の後、ガスは通常のグロー領域に入り、電圧は放電電流の数桁にわたってほとんど電流に依存しなくなる。 この領域では電極の電流密度は全電流に依存しない。 これは、低電流ではプラズマがカソード表面のごく一部としか接触していないことを意味する。 FからGへ電流を増加させると、プラズマが占める陰極の割合が増加し、G点でプラズマが陰極表面全体を覆うようになる。

• G – H G点以上の異常グロー領域では、陰極電流密度をその自然値以上に強制し所望の電流を供給すべく、電圧は全電流の増加とともに著しく増加する。 G点から左へ進むと、電圧-電流特性にヒステリシスのようなものが観察される。

アーク放電（アークモード）

• H～K H点では、電極が十分に高温になってカソードが熱的に電子を放出するようになる。 直流電源の内部抵抗が十分に低ければ、放電はグローからアークへの遷移、H-Iを経る。 IからKのアーク領域は、J点で大電流が得られるまでは電流の増加とともに放電電圧が減少し、それ以降は電流の増加とともに電圧がゆっくりと増加する。

グロー放電における核融合

グロー放電の特性は、核融合エネルギーを作り出す理想的な方法として提案されていて、いくつかの核融合技術はこのプロセスに不可欠な要素としてグロー放電の特性とさまざまな作動様式を利用するために開発されてきた。 その中で最も注目されているのが、慣性静電場閉じ込め核融合（IECF）である。 この方法では、燃料イオンを純粋に静電場によって収束させ、磁気閉じ込めや他のより一般的な方法とは対照的な方法で閉じ込める。 1950年代に米国の科学者フィロ・ファンズワース（Philo Farnsworth）が発案した。 この他にも、ポリウェル・コンセプト、ペニング・トラップ、POPS（Perodically Oscillating Plasma Sphere）、多電極（#electrodes >2）装置などのバリエーションがある。 これらのデバイスはすべて、単純な2電極グロー放電デバイスよりも複雑にする何らかの特徴を含んでおり、多くの場合、IECFデバイスに関連する損失メカニズムのいくつかを回避することを意図している。

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF) neutron/proton source is an compact device of simple configuration based on
the properties of the glow discharge.The Inertial Electrostatic Confinesment Fusion device is a compact device with the effect of the glow discharge. 基本的には球形の真空容器（陽極として機能）の中心に透明な中空の陰極を置き、通常はD2燃料ガスで満たし、その間にグロー放電を起こすという構造になっている。 その結果、高エネルギーイオンが中心スポット周辺の小体積で背景ガスとの相互作用（ビーム-背景衝突）および自身との衝突（ビーム-ビーム衝突）を起こし、高い割合で核融合反応が起こる。 その結果、1秒間に106～108個の中性子を発生させる中性子発生装置となります。 さらに高い入射率を使用する装置では、入射イオンが深い自己生成ポテンシャル井戸を提供し、トラップされたビームイオンを閉じ込め、さらに高い反応率を生み出す可能性がある。 この装置は、重水素とヘリウム3の混合ガスを充填して、中性子だけでなく陽子も供給できるように改良することも可能である。 IECFはまた、地雷探知への応用も期待されている。

IECFに関連する動作モード

IECF装置のグロー放電は、4つの特徴的な放電モードによって分類することができる。 セントラル・グロー・モード、スター・モード、ヘイロー・モード、ジェット・モードである。 この名称は、放電の光の見え方に由来しています。 それぞれのモードは、与えられた運転パラメータに対して、異なるポテンシャルウェル構造、すなわち中性子生成率に関連しています。 各モードは運転パラメータ，すなわち電圧，電流，圧力およびグリッド・パラメータのユニークな組み合わせを必要とする。 ミズーリ大学コロンビア校で「スターモード」運転中のGD IXL SIECの写真。 スポークが見えるが、これは異種放電構造である

• Central Glow mode Central Glow modeでは、球の中心でボール状の輝きを発生させることができる。 これを発生させるには、イオン銃などのイオンソースやイオンソースグリッド、電子放出カソードを使用することができる。 カソードでは、幾何学的な透明度が大きく、適度に均一で球対称なイオンの流れが得られるように、多数の開口部を持つ細いグリッド線からなるグリッドをできるだけ球状にすることが行われる。 このような動作では、グリッドの透明度が重要なパラメータとなる。イオンはグリッド内をほぼ均一に流れるため、電流の一部がグリッド線に遮られて失われるからである。 グリッドの幾何学的透明度が高いほど、イオンの損失率が低くなり、イオンの再循環率が高くなる。 その結果、中心部の反応速度が向上し、イオン照射によるグリッドの加熱やスパッタリングが減少する。 このようなグリッド設計を開発し、最適化することが、この分野の初期の研究者の主要な目標であった。 同じような動作電圧と電流の場合、このモードはスターモードと比較して単位入力電力あたり約3分の1の中性子出力しか得られない。

• スターモード。 スターモードでは、グリッドの開口部の直径がグリッドの円周の大部分を占めるようにグリッドを構築する。 これにより、ポテンシャル面は局所的に凹む。 (この凹みにより、イオン流が収束し、スターモード特有の放射状のイオンビーム（スポーク）が形成される。 平面放電の場合は、シースを1次元で考えることができますが、グロー放電のカソードグリッドは球状で離散的であるため、複雑な3次元ポテンシャル構造になります。 その結果、個々のカソードグリッドワイヤー間の電界の曲率により、カソードが有効な荷電粒子レンズとして作用することになる。 つまり、電極間の粒子の流れは均一ではなく、電極間の粒子を輸送するプラズマの「スポーク」と呼ばれる異種流体構造になっているのです。 スポークも図1に示すように発光している。 スターモードは通常、～1～25mTorrの圧力で発生する。
• Halo Mode。 これはスターモードと同じ方法で開始され、多くの点で似ているが、通常はより低い圧力、したがってより高いカソード電圧で発生する。 ヘイローモードへの移行は、1つ以上のグリッド開口部を拡大する（すなわち、隣接する開口部を隔てるワイヤーセクションを物理的に取り除く）ことで達成される。 これにより、中心体積から電子が流出し（電子ジェット）、Haloモードが発生する。 そして、拡大された開口部から強い電子のジェットが流れ出すのが観察される。 最大で6個の電子ジェットが、グリッドの対向面に形成されます。 このジェットは、背景の中性粒子との衝突電離により、新たなイオンを生成します。 その結果、イオンと電子の流れによって空間電荷が完全に再分配され、中央の明るい光と外側の光るハロー領域によって特徴づけられる新しいポテンシャル井戸構造が形成される。 このとき、カソードグリッドと同心円状に明るい白色の球状のハローが形成され、その中心には明るいスポットがある。 そのため、この動作モードは「Haloモード」と呼ばれている。 このモードは、前述の電子ジェットを常に伴っており、このモードの基本的な特性であると考えられている。 ヘイローモードでは、単位入力パワーあたりの中性子放出率がスターモードに比べて1.5倍から3倍高くなるのが一般的である。

• ジェットモード: 圧力が「スターモード」運転領域より高くなると、放電は半径方向のばらつきを除いて目に見えてより均一になり、カソードグリッドの特定のグリッド穴を通る電子ジェットを伴うようになる。 図2参照。 このため、このモードは「ジェットモード」と呼ばれる。 見た目の均一性とは裏腹に、「ジェットモード」では陽極と陰極の間に不均質な電子流構造が依然として存在する。

注

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