Elektrische gloeiontlading

Elektrische gloeiontlading is een soort plasma dat wordt gevormd door een stroom van 100 V tot enkele kV door een gas te leiden, gewoonlijk argon of een ander edelgas. Het wordt aangetroffen in producten zoals fluorescentielampen en plasmaschermtelevisies, en wordt gebruikt in de plasmafysica en de analytische chemie, en is voorgesteld als een alternatieve methode waarmee sterren hun zichtbare spectra produceren.

De gloeiontlading dankt zijn naam aan het feit dat plasma lichtgevend is, de lichtgevendheid wordt veroorzaakt doordat de elektronen voldoende energie winnen om zichtbaar licht te genereren door excitatiebotsingen waarbij fotonen worden opgewekt. Dit verschijnsel wordt het gemakkelijkst bereikt door de interactie van een anode en een kathode, die de complexe stroomkring genereren die de gloed produceert. Bij de vorming van gloei-ontladingen zijn de vorming van beperkte elektrische velden en plasmascheden bij elk van de elektroden betrokken. Ionisatie moet ook een kritiek deel van een gloedlossing in een evenwichtstoestand zijn, aangezien er een continuos verlies van ionen van om het even welke vastgestelde component van het systeem op om het even welk ogenblik zal zijn, dat door een gelijkwaardige aanwinst moet worden in evenwicht gebracht.

Het eenvoudigste type van gloedlossing is een gelijkstroom-gloedlossing. In zijn eenvoudigste vorm bestaat deze uit twee elektroden in een cel die bij lage druk (1-10 torr) wordt gehouden. De cel wordt typisch gevuld met argon. Tussen de twee elektroden wordt een potentiaal van enkele honderden volts aangelegd. Een kleine populatie atomen in de cel wordt aanvankelijk geïoniseerd door willekeurige processen (botsingen tussen atomen of met alfadeeltjes, bijvoorbeeld). De ionen (die positief geladen zijn) worden door de elektrische potentiaal naar de kathode gedreven, en de elektronen worden door dezelfde potentiaal naar de anode gedreven. De initiële populatie van ionen en elektronen botst met andere atomen, waardoor deze worden geïoniseerd. Zolang de potentiaal gehandhaafd blijft, blijft er een populatie van ionen en elektronen over.

Een deel van de kinetische energie van de ionen wordt overgebracht naar de kathode. Dit gebeurt gedeeltelijk doordat de ionen de kathode rechtstreeks treffen. Het primaire mechanisme is echter minder direct. De ionen slaan in op de neutralere gasatomen, waardoor een deel van hun energie op hen wordt overgedragen. Deze neutrale atomen slaan vervolgens op de kathode. Welke soort ook de kathode raakt, botsingen binnen de kathode herverdelen deze energie totdat een deel van de kathode wordt uitgeworpen, meestal in de vorm van vrije atomen. Dit proces staat bekend als sputteren. Eenmaal vrij van de kathode, bewegen de atomen zich naar het grootste deel van de gloeiontlading door drift en door de energie die zij bij het sputteren hebben opgedaan. De atomen kunnen dan botsend worden geëxciteerd. Deze botsingen kunnen plaatsvinden met ionen, elektronen, of andere atomen die eerder zijn geëxciteerd door botsingen met ionen, elektronen, of atomen. Eenmaal geëxciteerd zullen atomen hun energie vrij snel verliezen. Van de verschillende manieren waarop deze energie verloren kan gaan, is de belangrijkste radiatief, hetgeen betekent dat een foton vrijkomt om de energie weg te dragen. In optische atoomspectroscopie kan de golflengte van dit foton worden gebruikt om de identiteit van het atoom te bepalen (d.w.z. welk chemisch element het is) en het aantal fotonen is recht evenredig met de concentratie van dat element in het monster. Sommige botsingen (die van hoog genoeg energie) zullen ionisatie veroorzaken. In de atoommassaspectrometrie worden deze ionen gedetecteerd. Hun massa identificeert het type atoom en hun hoeveelheid onthult de hoeveelheid van dat element in het monster.

De figuur hierboven toont de belangrijkste regio’s die in een gloeiontlading aanwezig kunnen zijn. Regio’s die worden aangeduid als “gloed” zenden significant licht uit; regio’s die worden aangeduid als “donkere ruimte” doen dat niet. Als de ontlading meer uitgebreid wordt (d.w.z., horizontaal uitgerekt in de geometrie van de figuur), kan de positieve kolom gestreept worden. Dat wil zeggen, afwisselend donkere en heldere gebieden kunnen vormen. Als de ontlading horizontaal wordt samengedrukt, zullen er minder regio’s zijn. De positieve kolom zal worden samengeperst terwijl de negatieve gloed de zelfde grootte zal blijven, en, met kleine genoeg hiaten, zal de positieve kolom totaal verdwijnen. In een analytische gloedlossing, is de lossing hoofdzakelijk een negatieve gloed met donker gebied boven en onder it.

Basische Structuur van de Gloedlossing

The is de voltage huidige karakteristiek van een gloedlossing hoogst niet-lineair, zoals vele plasmafenomenen zijn, en de gewone lineaire fysica kan niet worden toegepast om hun struture te verklaren. Voor een basis DC gloed ontlading, kunnen drie belangrijke regio’s van elkaar worden onderscheiden, donkere ontlading, gloed dicharge en boogontlading.

De bovenstaande figuur is een typische V / I plot van een gloed ontlading. De belangrijkste kenmerken van de ontlading zoals de doorslagspanning, de spanningsstroomkarakteristiek en de structuur van de ontlading zijn afhankelijk van de geometrie van de elektroden, het gebruikte gas, de druk en het elektrodemateriaal.

Donkere ontlading (donkere stroom modus)

Het regime tussen A en E op de spanning-stroom karakteristiek wordt een donkere ontlading genoemd omdat, met uitzondering van corona-ontladingen en de doorslag zelf, de ontlading onzichtbaar blijft voor het oog.

• A – B Tijdens de achtergrondionisatie fase van het proces veegt het elektrische veld, toegepast langs de as van de ontladingsbuis, de ionen en elektronen weg die zijn ontstaan door ionisatie van achtergrondstraling. Achtergrondstraling van kosmische stralen, radioactieve mineralen, of andere bronnen, veroorzaakt een constante en meetbare graad van ionisatie in lucht bij atmosferische druk. De ionen en elektronen migreren naar de elektroden in het toegepaste elektrische veld en produceren een zwakke elektrische stroom. Als de spanning tussen de elektroden maar ver genoeg wordt verhoogd, worden uiteindelijk alle beschikbare elektronen en ionen weggeslingerd en raakt de stroom verzadigd. In het verzadigingsgebied blijft de stroom constant terwijl de spanning wordt verhoogd. Deze stroom hangt lineair af van de sterkte van de stralingsbron, een regime dat nuttig is in sommige stralingstellers.

• C – E Als de spanning over de lagedruk ontladingsbuis wordt verhoogd tot voorbij punt C, zal de stroom exponentieel toenemen. Het elektrisch veld is nu hoog genoeg zodat de aanvankelijk in het gas aanwezige elektronen voldoende energie kunnen verwerven voordat zij de anode bereiken om een neutraal atoom te ioniseren. Naarmate het elektrisch veld nog sterker wordt, kan het secundaire elektron ook een ander neutraal atoom ioniseren, wat leidt tot een lawine van elektronen- en ionenproductie. Het gebied van exponentieel toenemende stroom wordt de Townsend-ontlading genoemd.

• D – E Corona-ontladingen komen voor in Townsend-donkerontladingen in gebieden met een hoog elektrisch veld in de buurt van scherpe punten, randen of draden in gassen voorafgaand aan elektrische afbraak. Als de coronale stromen hoog genoeg zijn, kunnen corona-ontladingen technisch gezien “gloei-ontladingen” zijn, zichtbaar voor het oog. Voor lage stromen, is de volledige corona donker, zoals aangewezen voor de donkere ontladingen. Verwante verschijnselen zijn de stille elektrische ontlading, een onhoorbare vorm van filamentaire ontlading, en de borstelontlading, een lichtgevende ontlading in een niet-uniform elektrisch veld waarbij vele corona-ontladingen tegelijk actief zijn en streamers door het gas vormen.

• E Elektrische afbraak treedt op in het Townsend-regime met de toevoeging van secundaire elektronen die door ionen- of fotoneninslag uit de kathode worden geëmitteerd. Bij de doorslag- of vonkpotentiaal VB kan de stroom met een factor 104 tot 108 toenemen, en wordt gewoonlijk alleen beperkt door de inwendige weerstand van de tussen de platen aangesloten voeding. Als de interne weerstand van de voeding zeer hoog is, kan de lossingsbuis niet genoeg stroom trekken om het gas op te splitsen, en de buis zal in het coronaregime met kleine coronapunten of borstelontladingen blijven duidelijk zijn op de elektroden. Als de interne weerstand van de machtslevering vrij laag is, dan zal het gas bij het voltage VB opsplitsen, en zal zich in het normale regime van de gloedlossing bewegen. Het doorslagvoltage voor een bepaald gas en elektrodemateriaal hangt af van het product van de druk en de afstand tussen de elektroden, pd, zoals uitgedrukt in de wet van Paschen (1889).

Gloei Ontlading (normale gloei mode)

Het gloei ontladingsregime dankt zijn naam aan het feit dat het plasma lichtgevend is. Het gas gloeit omdat de elektronenenergie en de getalsdichtheid hoog genoeg zijn om zichtbaar licht op te wekken door excitatiebotsingen. De toepassingen van gloeiontladingen omvatten fluorescentielampen, gelijkstroomparallelplaatplasmareactoren, “magnetron”-ontladingen die worden gebruikt voor het afzetten van dunne films, en plasmabronnen met elektrobombardement.

• F – G Na een discontinue overgang van E naar F gaat het gas het normale gloeigebied binnen, waarin de spanning bijna onafhankelijk is van de stroom over verscheidene orden van grootte in de ontladingsstroom. De stroomdichtheid van de elektrode is in dit regime onafhankelijk van de totale stroom. Dit betekent dat het plasma in contact is met slechts een klein deel van het kathodeoppervlak bij lage stromen. Naarmate de stroom van F naar G toeneemt, neemt de door het plasma bezette fractie van de kathode toe, totdat het plasma bij punt G het gehele kathodeoppervlak bedekt.

• G – H In het abnormale gloeiregime boven punt G neemt de spanning aanzienlijk toe met de toenemende totale stroom, om de kathodestroomdichtheid boven zijn natuurlijke waarde te dwingen en de gewenste stroom te leveren. Beginnend bij punt G en naar links bewegend, wordt een vorm van hysteresis waargenomen in de spanning-stroom karakteristiek. De ontlading handhaaft zich bij aanzienlijk lagere stromen en stroomdichtheden dan bij punt F en maakt pas dan een overgang terug naar het Townsend-regime.

Arc-ontladingen (boogmodus)

• H – K Bij punt H worden de elektroden zo heet dat de kathode thermionisch elektronen uitzendt. Als de gelijkstroomvoeding een voldoende lage inwendige weerstand heeft, zal de ontlading een gloei-/boogovergang ondergaan, H-I. Het boogregime, van I tot en met K is er een waarbij de ontladingsspanning afneemt naarmate de stroom toeneemt, totdat bij punt J grote stromen worden bereikt, en daarna de spanning langzaam toeneemt naarmate de stroom toeneemt.

Fusie in gloei-ontladingen

De eigenschappen van gloei-ontladingen zijn voorgesteld als een ideale manier om fusie-energie te creëren, en sommige fusietechnieken zijn ontwikkeld om gebruik te maken van de eigenschappen en de verschillende werkingswijzen van gloei-ontladingen als een vitale component in dit proces. De meest opvallende daarvan is Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF). Bij dit proces worden brandstofionen gevangen met zuiver elektrostatische velden in een convergerende geometrie, in tegenstelling tot magnetische opsluiting en andere soortgelijke meer populaire methoden. De uitvinder van dit concept was de Amerikaanse wetenschapper Philo Farnsworth, die in de jaren 1950 met het idee op de proppen kwam. Andere variaties hierop omvatten het Polywell-concept, de Penning-val, de Perodically Oscillating Plasma Sphere (POPS), en multi-elektroden (#electrodes >2) apparaten. Elk van deze apparaten omvatten één of andere eigenschap die hen complexer dan de eenvoudige twee apparaten van de elektrodengloedlossing maakt, vaak met de bedoeling om sommige verliesmechanismen te omzeilen verbonden aan IECF apparaten.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Een Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF) neutron/proton-bron is een compact apparaat van eenvoudige configuratie, gebaseerd op
de eigenschappen van de gloeiontlading. Het bestaat in wezen uit een transparante holle kathode in het midden van een bolvormige vacuümkamer (dient als anode), gewoonlijk gevuld met een D2-brandstofgas, en tussen beide vindt een gloeiontlading plaats. De resulterende hoogenergetische ionen komen in wisselwerking met het achtergrondgas (bundel-achtergrondbotsingen) en met zichzelf (bundel-botsingen) in een klein volume rond de centrale vlek, wat leidt tot een hoge snelheid van fusiereacties. Het resultaat is een neutronengenerator die neutronen produceert in de orde van 106-108 neutronen per seconde. In apparaten die nog hogere injectietarieven gebruiken, kunnen de ingespoten ionen een diepe zelf-geproduceerde potentiële put verstrekken die opgesloten straalionen opsluit, creërend nog hogere reactietarieven. Het apparaat kan worden gewijzigd door een vulgasmengsel van deuterium en helium-3 te gebruiken om een bron van protonen evenals neutronen te zijn. IECF heeft ook veelbelovende toepassingen voor de opsporing van landmijnen.

Werkingswijzen van IECF

De gloeiontlading in IECF-machines kan worden gecategoriseerd volgens vier verschillende ontladingswijzen. Dit zijn de Centrale Gloei mode, de Ster mode, de Halo mode, en de Straal mode. De namen zijn beschrijvend voor de visuele verschijningen van het licht dat door de ontladingen wordt uitgezonden. Elke modus wordt geassocieerd met een verschillende potentiële putstructuur, vandaar neutronenproductiesnelheid, voor gegeven werkingsparameters. Elke modus vereist een unieke combinatie van bedrijfsparameters, d.w.z. spanning, stroom, druk en roosterparameters.

• Centrale gloeistraal In de centrale gloeistraal wordt een bolvormige gloed geproduceerd in het midden van de bol. Om deze te produceren kan een ionenbron zoals een ionenkanon of een ionenbronrooster of een elektronemitterende kathode worden gebruikt. In de kathode wordt het rooster zo bolvormig mogelijk gemaakt, samengesteld uit vele fijne roosterdraden met veel openingen om een grote geometrische doorzichtigheid te verkrijgen en een redelijk uniforme en sferisch symmetrische stroom van ionen. Bij een dergelijke werking is de roostertransparantie een belangrijke parameter: aangezien de ionen vrijwel gelijkmatig door het rooster stromen, wordt een fractie van de stroom onderschept en gaat verloren aan de roosterdraden. Hoe hoger de geometrische transparantie van het rooster, hoe lager de verliesfractie van ionen, waardoor de ionenrecirculatiesnelheid toeneemt. De reactiesnelheid in het middelpunt wordt dienovereenkomstig verhoogd, en de verhitting en het sputteren van het rooster door ionenbeschieting wordt verminderd. Het ontwikkelen en optimaliseren van dergelijke rasterontwerpen waren dan ook de voornaamste doelstellingen van vroegere werkers op dit gebied. Voor vergelijkbare werkspanningen en stromen geeft deze modus slechts ongeveer een derde van de neutronenoutput per eenheid opgenomen vermogen vergeleken met de Star-modus.

• Ster-stand: Om de stermodus te creëren, wordt een rooster zo geconstrueerd dat de diameter van de roosteropening een aanzienlijk deel van de hoofdomtrek van het rooster bedraagt. Dit veroorzaakt een plaatselijke depressie van het potentiële oppervlak. (Deze depressie moet worden vermeden om de Centrale Gloedwijze te creëren.) Deze depressie veroorzaakt beurtelings de ionenstroom om geconcentreerd te worden, vormend de kenmerkende radiale ionenstralen of de “spaken” van de Ster-wijze. In planaire ontladingen, is de overweging van de schede in slechts 1 afmeting mogelijk, maar de discrete aard van het kathodelijstrooster van een gloeiontlading in een bolvorm resulteert in een ingewikkelde 3D potentiële structuur. Dit resulteert in de kathode die als een efficiënte geladen deeltjeslens toe te schrijven aan de kromming van het gebied tussen de individuele draden van het kathodelijnrooster handelt. Dit betekent dat we geen homogene stroom van deeltjes tussen de elektroden hebben, maar veeleer een heterogene stroomstructuur van plasma-“spaken” die deeltjes tussen de elektroden vervoeren. De spaken zijn ook lichtgevend zoals aangegeven in Fig. 1. Star Mode komt typisch voor bij drukken van ~ 1 tot 25mTorr.
• Halo mode: Deze wordt op dezelfde manier geïnitieerd als de Star mode, en is in veel opzichten vergelijkbaar, maar meestal bij lagere drukken, en dus hogere kathodespanningen. De overgang naar de Halo mode wordt bewerkstelligd door het vergroten van één of meer van de roosteropeningen (d.w.z. het fysiek verwijderen van het draadgedeelte dat aangrenzende openingen scheidt). Dit veroorzaakt een stroom van elektronen uit het centrale volume (elektronenstraal) onder welke omstandigheid de Halo mode zich ontwikkelt. Vervolgens wordt een sterke elektronenstraal waargenomen die door de vergrote opening(en) stroomt. Er zijn tot zes jets ontstaan op tegenover elkaar liggende vlakken van het rooster in kwestie. De straal creëert op zijn beurt nieuwe ionen door botsingsionisatie van de neutralen op de achtergrond. De resulterende ionen- en elektronenstromen veroorzaken een volledige herverdeling van de ruimtelading, waardoor een nieuwe potentiële putstructuur wordt gevormd, die wordt gekenmerkt door een heldere centrale gloed en een uitwendig gloeiend halogebied. Een heldere witte, sferische halo wordt gevormd concentrisch aan het kathode rooster met een heldere vlek in het centrum. Dienovereenkomstig wordt deze operationele modus de Halo-modus genoemd. De halo is altijd vergezeld geweest van de elektronenstraal, hierboven vermeld, waarvan wordt aangenomen dat het een fundamenteel kenmerk van de modus is. De Halo mode biedt over het algemeen een factor 1,5 tot 3 maal hogere neutronenemissie per eenheid ingangsvermogen dan de Star mode.

• Straalmodus: Wanneer de druk wordt opgevoerd tot boven de werkingsregimes van de “Star Mode”, is de ontlading zichtbaar uniformer, met uitzondering van de radiale variatie, en gaat vergezeld van een elektronenstraal door een bepaald gat van het kathode-rooster. Zie fig. 2. Om deze reden wordt deze modus “Jet Mode” genoemd. Ondanks de visuele uniformiteit bestaat er in de “Jet Mode” nog steeds een heterogene elektronenstroomstructuur tussen de anode en de kathode.

Noten