Elektryczne wyładowanie jarzeniowe

Elektryczne wyładowanie jarzeniowe jest rodzajem plazmy utworzonej przez przepuszczenie prądu o napięciu od 100 V do kilku kV przez gaz, zwykle argon lub inny gaz szlachetny. Występuje w takich produktach jak lampy fluorescencyjne i telewizory z ekranem plazmowym, jest wykorzystywana w fizyce plazmy i chemii analitycznej, a także została zaproponowana jako alternatywna metoda, za pomocą której gwiazdy wytwarzają swoje widmo widzialne.

Wyładowanie jarzeniowe zawdzięcza swoją nazwę faktowi, że plazma jest świetlista, świetlistość jest wytwarzana, ponieważ elektrony uzyskują energię wystarczającą do wytworzenia światła widzialnego poprzez zderzenia wzbudzające, które generują fotony. Zjawisko to najłatwiej jest osiągnąć poprzez oddziaływanie anody i katody, co generuje złożony obwód prądowy, który wytwarza jarzenie. W powstawanie wyładowań jarzeniowych zaangażowane jest tworzenie ograniczonych pól elektrycznych i osłon plazmowych na każdej z elektrod. Jonizacja również musi być krytyczną częścią wyładowania jarzeniowego w stanie równowagi, ponieważ w każdej chwili będzie występować ciągła utrata jonów z dowolnego elementu układu, która musi być zrównoważona przez równoważny zysk.

Najprostszym typem wyładowania jarzeniowego jest wyładowanie jarzeniowe stałoprądowe. W swojej najprostszej postaci składa się ono z dwóch elektrod w ogniwie utrzymywanym pod niskim ciśnieniem (1-10 torr). Ogniwo jest zwykle wypełnione argonem. Pomiędzy elektrodami przyłożony jest potencjał kilkuset woltów. Mała populacja atomów w komórce jest początkowo zjonizowana w wyniku przypadkowych procesów (na przykład zderzeń między atomami lub z cząstkami alfa). Jony (które są dodatnio naładowane) są popychane w kierunku katody przez potencjał elektryczny, a elektrony są popychane w kierunku anody przez ten sam potencjał. Początkowa populacja jonów i elektronów zderza się z innymi atomami, jonizując je. Tak długo jak potencjał jest utrzymywany, populacja jonów i elektronów pozostaje.

Część energii kinetycznej jonów jest przekazywana do katody. Dzieje się to częściowo poprzez bezpośrednie uderzenie jonów w katodę. Podstawowy mechanizm jest jednak mniej bezpośredni. Jony uderzają w liczniejsze neutralne atomy gazu, przenosząc na nie część swojej energii. Te neutralne atomy uderzają następnie w katodę. Niezależnie od tego, który z gatunków uderza w katodę, zderzenia wewnątrz katody redystrybuują tę energię aż do momentu, gdy część katody zostanie wyrzucona, zazwyczaj w postaci wolnych atomów. Proces ten znany jest jako rozpylanie jonowe. Po uwolnieniu z katody, atomy przemieszczają się do większej części wyładowania jarzeniowego poprzez dryf oraz dzięki energii uzyskanej w procesie rozpylania. Atomy te mogą być następnie wzbudzane kolizyjnie. Zderzenia te mogą być z jonami, elektronami lub innymi atomami, które zostały wcześniej wzbudzone przez zderzenia z jonami, elektronami lub atomami. Po wzbudzeniu atomy dość szybko tracą swoją energię. Spośród różnych sposobów, w jaki ta energia może zostać utracona, najważniejszym jest droga promienista, co oznacza, że uwalniany jest foton, który przenosi energię. W optycznej spektroskopii atomowej, długość fali tego fotonu może być użyta do określenia tożsamości atomu (to znaczy, który pierwiastek chemiczny to jest), a liczba fotonów jest wprost proporcjonalna do koncentracji tego pierwiastka w próbce. Niektóre zderzenia (te o wystarczająco wysokiej energii) powodują jonizację. W spektrometrii mas atomowych, jony te są wykrywane. Ich masa identyfikuje typ atomów, a ich ilość ujawnia ilość tego pierwiastka w próbce.

Powyższy rysunek przedstawia główne regiony, które mogą występować w wyładowaniu jarzeniowym. Regiony opisane jako „jarzące się” emitują znaczące światło; regiony oznaczone jako „ciemne przestrzenie” nie. Gdy wyładowanie staje się bardziej rozległe (tj. rozciągnięte poziomo w geometrii rysunku), kolumna dodatnia może stać się prążkowana. To znaczy, mogą powstawać naprzemiennie ciemne i jasne obszary. Analogicznie, ściskanie wyładowania w poziomie spowoduje powstanie mniejszej liczby regionów. Dodatnia kolumna zostanie ściśnięta, podczas gdy jarzenie ujemne pozostanie tej samej wielkości, a przy wystarczająco małych przerwach, dodatnia kolumna zniknie całkowicie. W analitycznym wyładowaniu jarzeniowym, wyładowanie jest głównie ujemną poświatą z ciemnym obszarem powyżej i poniżej.

Podstawowa struktura wyładowania jarzeniowego

Charakterystyka napięciowo-prądowa wyładowania jarzeniowego jest wysoce nieliniowa, podobnie jak wiele zjawisk plazmowych, i zwykła fizyka liniowa nie może być zastosowana do wyjaśnienia ich przebiegu. Dla podstawowego wyładowania jarzeniowego DC można wyróżnić trzy główne regiony, ciemne wyładowanie, wyładowanie jarzeniowe i wyładowanie łukowe.

Powyższy rysunek jest typowym wykresem V/I wyładowania jarzeniowego. Główne cechy wyładowania takie jak napięcie przebicia, charakterystyka napięciowo-prądowa i struktura wyładowania zależą od geometrii elektrod, użytego gazu, ciśnienia i materiału elektrody.

Ciemne wyładowanie (dark current mode)

Reżim pomiędzy A i E na charakterystyce napięciowo-prądowej jest określany jako ciemne wyładowanie, ponieważ, z wyjątkiem wyładowań koronowych i samego rozpadu, wyładowanie pozostaje niewidoczne dla oka.

• A – B Podczas etapu jonizacji tła procesu pole elektryczne przyłożone wzdłuż osi rurki wyładowczej wymiata jony i elektrony powstałe w wyniku jonizacji z promieniowania tła. Promieniowanie tła pochodzące od promieni kosmicznych, radioaktywnych minerałów lub innych źródeł, wytwarza stały i mierzalny stopień jonizacji w powietrzu przy ciśnieniu atmosferycznym. Jony i elektrony migrują do elektrod w przyłożonym polu elektrycznym, wytwarzając słaby prąd elektryczny. Jeśli napięcie pomiędzy elektrodami zostanie zwiększone wystarczająco daleko, w końcu wszystkie dostępne elektrony i jony zostaną wymiecione, a prąd nasyci się. W obszarze nasycenia, prąd pozostaje stały, podczas gdy napięcie jest zwiększane. Prąd ten zależy liniowo od mocy źródła promieniowania, reżim przydatny w niektórych licznikach promieniowania.

• C – E Jeżeli napięcie w niskociśnieniowej rurze wyładowczej zostanie zwiększone poza punkt C, prąd będzie rósł wykładniczo. Pole elektryczne jest teraz na tyle duże, że elektrony początkowo obecne w gazie mogą nabrać wystarczającej energii przed dotarciem do anody, aby zjonizować neutralny atom. Ponieważ pole elektryczne staje się jeszcze silniejsze, elektron wtórny może również zjonizować inny neutralny atom, co prowadzi do lawinowej produkcji elektronów i jonów. Region wykładniczo wzrastającego prądu nazywany jest wyładowaniem Townsenda.

• D – E Wyładowania koronowe występują w ciemnych wyładowaniach Townsenda w regionach o wysokim polu elektrycznym w pobliżu ostrych punktów, krawędzi lub drutów w gazach przed rozpadem elektrycznym. Jeśli natężenie pola koronalnego jest wystarczająco wysokie, wyładowania koronowe mogą być technicznie „wyładowaniami jarzeniowymi”, widocznymi dla oka. Przy małych prądach cała korona jest ciemna, co jest właściwe dla wyładowań ciemnych. Powiązane zjawiska obejmują ciche wyładowanie elektryczne, niesłyszalną formę wyładowania żarowego, oraz wyładowanie szczotkowe, świetliste wyładowanie w niejednorodnym polu elektrycznym, gdzie wiele wyładowań koronowych jest aktywnych w tym samym czasie i tworzy strumienie przez gaz.

• E Załamanie elektryczne występuje w reżimie Townsenda z dodatkiem elektronów wtórnych emitowanych z katody w wyniku oddziaływania jonów lub fotonów. Przy potencjale przebicia lub iskrzenia VB, prąd może wzrosnąć o współczynnik 104 do 108 i jest zwykle ograniczony tylko przez opór wewnętrzny zasilacza podłączonego pomiędzy płytami. Jeżeli opór wewnętrzny zasilacza jest bardzo duży, rura wyładowcza nie może pobierać prądu wystarczającego do rozbicia gazu, a rura pozostanie w reżimie koronowym z małymi punktami koronowymi lub wyładowaniami szczotkowymi widocznymi na elektrodach. Jeśli rezystancja wewnętrzna zasilacza jest stosunkowo niska, to gaz rozpadnie się przy napięciu VB i przejdzie do reżimu normalnego wyładowania jarzeniowego. Napięcie przebicia dla danego gazu i materiału elektrod zależy od iloczynu ciśnienia i odległości między elektrodami, pd, jak wyrażono w prawie Paschena (1889).

Wyładowanie jarzeniowe (tryb normalnego jarzenia)

Regulacja wyładowania jarzeniowego zawdzięcza swoją nazwę temu, że plazma jest świecąca. Gaz świeci, ponieważ energia elektronów i gęstość ich liczby są wystarczająco wysokie, aby generować światło widzialne poprzez zderzenia wzbudzające. Zastosowania wyładowań jarzeniowych obejmują lampy fluorescencyjne, reaktory plazmowe prądu stałego z płytą równoległą, wyładowania „magnetronowe” używane do osadzania cienkich warstw oraz źródła plazmowe do elektrobombardowania.

• F – G Po nieciągłym przejściu z E do F, gaz wchodzi w normalny obszar jarzenia, w którym napięcie jest prawie niezależne od prądu w zakresie kilku rzędów wielkości prądu wyładowania. Gęstość prądu elektrodowego jest w tym reżimie niezależna od prądu całkowitego. Oznacza to, że przy niskich prądach plazma ma kontakt tylko z niewielką częścią powierzchni katody. W miarę zwiększania prądu od F do G, frakcja katody zajęta przez plazmę wzrasta, aż plazma pokryje całą powierzchnię katody w punkcie G.

• G – H W reżimie nienormalnego żarzenia powyżej punktu G, napięcie wzrasta znacząco wraz ze wzrostem całkowitego prądu, aby wymusić gęstość prądu katody powyżej jej naturalnej wartości i zapewnić pożądany prąd. Począwszy od punktu G i przesuwając się w lewo, obserwuje się pewną formę histerezy na charakterystyce napięciowo-prądowej. Wyładowanie utrzymuje się przy znacznie niższych prądach i gęstościach prądu niż w punkcie F i dopiero wtedy dokonuje przejścia z powrotem do reżimu Townsenda.

Wyładowania łukowe (arc mode)

• H – K W punkcie H elektrody stają się wystarczająco gorące, że katoda emituje elektrony termicznie. Jeżeli zasilacz prądu stałego ma dostatecznie małą rezystancję wewnętrzną, wyładowanie przejdzie w stan jarzenia do stanu łuku, H-I. Reżim łuku, od I do K, to taki, w którym napięcie wyładowania maleje wraz ze wzrostem prądu, aż do osiągnięcia dużych prądów w punkcie J, po czym napięcie rośnie powoli wraz ze wzrostem prądu.

Fuzja w wyładowaniach jarzeniowych

Właściwości wyładowań jarzeniowych zostały zasugerowane jako idealny sposób na wytworzenie energii termojądrowej, a niektóre techniki termojądrowe zostały opracowane w celu wykorzystania właściwości i różnych trybów działania wyładowań jarzeniowych jako istotnego elementu w tym procesie. Najbardziej znaną z nich jest fuzja bezwładnościowo-elektrostatyczna (Inertial-Electrostatic Confinement Fusion – IECF). W procesie tym jony paliwa, w odróżnieniu od magnetycznego zamknięcia i innych podobnych, bardziej popularnych metod, zostają uwięzione za pomocą czysto elektrostatycznych pól w zbieżnej geometrii. Wynalazcą tej koncepcji był amerykański naukowiec Philo Farnsworth, który wpadł na ten pomysł w latach 50-tych XX wieku. Inne wariacje na temat tej koncepcji obejmują koncepcję Polywell, pułapkę Penninga, Perodically Oscillating Plasma Sphere (POPS) oraz urządzenia wieloelektrodowe (#elektrody >2). Wszystkie te urządzenia zawierają pewne cechy, które czynią je bardziej złożonymi niż proste dwu elektrodowe urządzenia wyładowania jarzeniowego, często z zamiarem obejścia niektórych mechanizmów strat związanych z urządzeniami IECF.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

Źródło neutronów/protonów Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF) jest kompaktowym urządzeniem o prostej konfiguracji opartej na
właściwościach wyładowania jarzeniowego. Zasadniczo składa się z przezroczystej pustej katody w centrum sferycznej komory próżniowej (służy jako anoda), zwykle wypełnionej gazem paliwowym D2, a pomiędzy nimi zachodzi wyładowanie jarzeniowe. Powstałe w ten sposób wysokoenergetyczne jony oddziałują z gazem tła (zderzenia wiązka-tło) oraz ze sobą (zderzenia wiązka-wiązka) w niewielkiej objętości wokół plamki centralnej, powodując dużą szybkość reakcji syntezy jądrowej. Rezultatem jest generator neutronów produkujący neutrony rzędu 106-108 neutronów na sekundę. W urządzeniach wykorzystujących jeszcze wyższe szybkości wstrzykiwania, wstrzykiwane jony mogą tworzyć głęboką, samoczynnie generowaną studnię potencjału, która zamyka uwięzione jony wiązki, tworząc jeszcze wyższe szybkości reakcji. Urządzenie może być zmodyfikowane poprzez zastosowanie mieszaniny gazów wypełniających deuteru i helu-3 jako źródła protonów jak i neutronów. IECF ma również obiecujące zastosowania do wykrywania min lądowych.

Typy działania związane z IECF

Wyładowanie jarzeniowe w maszynach IECF może być sklasyfikowane zgodnie z czterema charakterystycznymi trybami wyładowania. Są to: tryb centralnego żarzenia, tryb gwiazdy, tryb halo i tryb odrzutowy. Nazwy te opisują wizualny wygląd światła emitowanego przez wyładowania. Każdy z trybów jest związany z inną potencjalną strukturą studni, a więc i szybkością produkcji neutronów, dla danych parametrów operacyjnych. Każdy z nich wymaga unikalnej kombinacji parametrów pracy, tj. napięcia, prądu, ciśnienia i parametrów siatki.

• Tryb Central Glow W trybie Central Glow w centrum sfery wytwarzana jest poświata w kształcie kuli. Aby ją wytworzyć, można użyć źródła jonów, takiego jak działo jonowe lub siatka źródła jonów lub katoda emitująca elektrony. W katodzie siatka jest wykonana w kształcie jak najbardziej kulistym, składa się z wielu drobnych drutów siatki z wieloma otworami, aby uzyskać dużą przezroczystość geometryczną oraz w miarę równomierny i sferycznie symetryczny przepływ jonów. W takim działaniu, przejrzystość siatki jest kluczowym parametrem: ponieważ jony przepływają prawie równomiernie przez siatkę, część prądu jest przechwytywana i tracona na przewodach siatki. Im wyższa przejrzystość geometryczna siatki, tym niższa frakcja strat jonów – co zwiększa szybkość recyrkulacji jonów. Szybkość reakcji w centrum plamki jest odpowiednio zwiększona, a nagrzewanie i rozpylanie siatki przez bombardowanie jonowe jest zmniejszone. Dlatego też opracowanie i optymalizacja takich konstrukcji siatek była głównym celem wcześniejszych pracowników w tej dziedzinie. Dla podobnych napięć i prądów roboczych, ten tryb daje tylko około jednej trzeciej mocy wyjściowej neutronów na jednostkę mocy wejściowej w porównaniu do trybu Star.

• Tryb gwiazdowy: Aby utworzyć tryb gwiazdowy, siatka jest skonstruowana w taki sposób, że średnica otworu siatki jest znaczącym ułamkiem głównego obwodu siatki. Powoduje to lokalne wgłębienie powierzchni potencjału. (Depresji tej należy unikać, aby stworzyć tryb centralnego żarzenia). Depresja ta z kolei powoduje, że przepływ jonów staje się skupiony, tworząc charakterystyczne promieniste wiązki jonów lub „szprychy” trybu gwiazdowego. W wyładowaniach planarnych możliwe jest rozpatrywanie powłoki tylko w jednym wymiarze, ale dyskretna natura siatki katodowej wyładowania jarzeniowego w kształcie kulistym skutkuje skomplikowaną strukturą potencjału 3D. Powoduje to, że katoda działa jak efektywna soczewka cząstek naładowanych z powodu krzywizny pola pomiędzy poszczególnymi drutami siatki katodowej. Oznacza to, że nie mamy do czynienia z homogenicznym przepływem cząstek pomiędzy elektrodami, ale raczej z heterogeniczną strukturą przepływu „szprych” plazmy transportujących cząstki pomiędzy elektrodami. Szprychy te są również świecące, jak pokazano na Rys. 1. Tryb gwiazdowy typowo występuje przy ciśnieniach ~ 1 do 25mTorr.
• Tryb Halo: Jest on inicjowany w taki sam sposób jak tryb gwiazdowy, i jest podobny pod wieloma względami, ale zwykle przy niższych ciśnieniach, a więc i wyższych napięciach katodowych. Przejście do trybu Halo następuje poprzez powiększenie jednego lub więcej otworów siatki (tj. fizyczne usunięcie odcinka drutu oddzielającego sąsiednie otwory). Powoduje to przepływ elektronów z objętości centralnej (strumień elektronów), w których to okolicznościach rozwija się tryb Halo. Następnie obserwuje się silny strumień elektronów przepływający przez powiększony otwór(y). Na przeciwległych powierzchniach siatki powstało do sześciu dżetów. Dżet z kolei tworzy nowe jony poprzez kolizyjną jonizację neutrali tła. Powstałe w ten sposób przepływy jonów i elektronów powodują całkowitą redystrybucję ładunku przestrzennego, tworząc w ten sposób nową strukturę studni potencjału charakteryzującą się jasną poświatą centralną i zewnętrznym świecącym obszarem halo. Jasne białe, kuliste halo tworzy się koncentrycznie do siatki katodowej z jasnym punktem w centrum. W związku z tym, ten tryb pracy został nazwany trybem Halo. Trybowi Halo zawsze towarzyszył strumień elektronów, o którym była mowa powyżej, co jest uważane za podstawową cechę tego trybu. Tryb Halo generalnie oferuje współczynnik od 1,5 do 3 razy wyższy poziom emisji neutronów na jednostkę mocy wejściowej niż tryb gwiazdy.

• Tryb odrzutowy: Gdy ciśnienie wzrasta powyżej reżimów pracy w trybie „Star Mode”, wyładowanie jest wyraźnie bardziej jednorodne z wyjątkiem wariancji radialnej i towarzyszy mu strumień elektronów przez określony otwór siatki katody. Patrz Rys. 2. Z tego powodu, tryb ten jest określany jako „Jet Mode”. Pomimo wizualnej jednorodności, pomiędzy anodą i katodą w trybie „Jet Mode” nadal istnieje niejednorodna struktura przepływu elektronów.

Notes

.