Descarga de incandescência elétrica

Descarga de incandescência elétrica é um tipo de plasma formado pela passagem de uma corrente de 100 V a vários kV através de um gás, geralmente argônio ou outro gás nobre. Ela é encontrada em produtos como luzes fluorescentes e televisores com tela de plasma, e é usada em física e química analítica de plasma, e tem sido proposta como um método alternativo pelo qual as estrelas produzem seus espectros visíveis.

A descarga de brilho deve seu nome ao fato de que o plasma é luminoso, a luminosidade é produzida porque os elétrons ganham energia suficiente para gerar luz visível por colisões de excitação que geram fótons. Este fenómeno é mais facilmente alcançado pela interacção de um ânodo e de um cátodo, que gera o complexo circuito de corrente que produz o fulgor. Envolvida na formação de descargas luminosas estão a formação de campos elétricos restritos e bainhas de plasma em cada um dos eletrodos. A ionização também tem que ser uma parte crítica de uma descarga incandescente em condição de equilíbrio, pois haverá uma perda contínua de íons de qualquer componente definido do sistema a qualquer momento, que precisa ser equilibrada por um ganho equivalente.

O tipo mais simples de descarga incandescente é uma descarga incandescente de corrente contínua. Na sua forma mais simples, consiste em dois eléctrodos numa célula mantida a baixa pressão (1-10 torr). A célula é tipicamente preenchida com argônio. Um potencial de várias centenas de volts é aplicado entre os dois eléctrodos. Uma pequena população de átomos dentro da célula é inicialmente ionizada através de processos aleatórios (colisões entre átomos ou com partículas alfa, por exemplo). Os íons (que são carregados positivamente) são impulsionados em direção ao cátodo pelo potencial elétrico, e os elétrons são impulsionados em direção ao ânodo pelo mesmo potencial. A população inicial de íons e elétrons colide com outros átomos, ionizando-os. Enquanto o potencial for mantido, uma população de íons e elétrons permanece.

Alguma da energia cinética dos íons é transferida para o cátodo. Isto acontece parcialmente através dos íons que atingem diretamente o cátodo. O mecanismo primário, entretanto, é menos direto. Os íons atingem os átomos de gás neutros mais numerosos, transferindo uma parte de sua energia para eles. Estes átomos neutros atingem então o cátodo. Qualquer que seja a espécie que atinja o cátodo, as colisões dentro do cátodo redistribuem essa energia até que uma porção do cátodo seja ejectada, tipicamente sob a forma de átomos livres. Este processo é conhecido como pulverização catódica. Uma vez livres do cátodo, os átomos movem-se para a maior parte da descarga luminosa através da deriva e devido à energia que ganharam com a pulverização catódica. Os átomos podem então ser excitados por colisão. Estas colisões podem ser com iões, electrões ou outros átomos que tenham sido previamente excitados por colisões com iões, electrões ou átomos. Uma vez excitados, os átomos perderão sua energia muito rapidamente. Das várias maneiras que esta energia pode ser perdida, a mais importante é radiativamente, o que significa que um fóton é liberado para levar a energia embora. Na espectroscopia atômica óptica, o comprimento de onda deste fóton pode ser usado para determinar a identidade do átomo (ou seja, qual elemento químico ele é) e o número de fótons é diretamente proporcional à concentração desse elemento na amostra. Algumas colisões (aquelas de energia suficientemente alta) causarão ionização. Na espectrometria de massa atômica, esses íons são detectados. Sua massa identifica o tipo de átomos e sua quantidade revela a quantidade desse elemento na amostra.

A figura acima mostra as principais regiões que podem estar presentes em uma descarga luminosa. Regiões descritas como “brilhos” emitem luz significativa; regiões rotuladas como “espaços escuros” não emitem. À medida que a descarga se torna mais extensa (isto é, esticada horizontalmente na geometria da figura), a coluna positiva pode ficar estriada. Ou seja, regiões escuras e brilhantes alternadas podem se formar. Relativamente, comprimir a descarga horizontalmente resultará em menos regiões. A coluna positiva será comprimida enquanto o brilho negativo permanecerá do mesmo tamanho, e, com lacunas pequenas o suficiente, a coluna positiva desaparecerá por completo. Em uma descarga analítica, a descarga é principalmente uma descarga negativa com região escura acima e abaixo dela.

Basic Glow Discharge Structure

A corrente de tensão característica de uma descarga incandescente é altamente não-linear, assim como muitos fenômenos de plasma, e a física linear comum não pode ser aplicada para explicar sua estrutura. Para uma descarga de incandescência DC básica, três regiões principais podem ser distinguidas uma da outra, descarga escura, dicarga de incandescência e descarga de arco.

A figura acima é um gráfico V/I típico de uma descarga de incandescência. As principais características da descarga, tais como a tensão de ruptura, a característica da corrente de tensão e a estrutura da descarga dependem da geometria dos eletrodos, do gás utilizado, da pressão e do material do eletrodo.

Descarga escura (modo corrente escura)

O regime entre A e E na característica tensão-corrente é denominado descarga escura porque, excepto para as descargas de coroa e a própria decomposição, a descarga permanece invisível ao olho.

• A – B Durante a fase de ionização de fundo do processo o campo eléctrico aplicado ao longo do eixo do tubo de descarga varre os iões e electrões criados pela ionização a partir da radiação de fundo. A radiação de fundo de raios cósmicos, minerais radioativos ou outras fontes, produz um grau constante e mensurável de ionização no ar à pressão atmosférica. Os íons e elétrons migram para os eletrodos no campo elétrico aplicado, produzindo uma corrente elétrica fraca. O aumento da tensão varre uma fração crescente desses íons e elétrons.

• B – C Se a tensão entre os eletrodos for aumentada o suficiente, eventualmente todos os elétrons e íons disponíveis são varridos, e a corrente satura-se. Na região de saturação, a corrente permanece constante enquanto a voltagem é aumentada. Esta corrente depende linearmente da força da fonte de radiação, um regime útil em alguns contadores de radiação.

• C – E Se a tensão através do tubo de descarga de baixa pressão for aumentada além do ponto C, a corrente aumentará exponencialmente. O campo elétrico é agora suficientemente alto para que os elétrons inicialmente presentes no gás possam adquirir energia suficiente antes de alcançar o ânodo para ionizar um átomo neutro. Como o campo elétrico se torna ainda mais forte, o elétron secundário também pode ionizar outro átomo neutro levando a uma avalanche de produção de elétrons e íons. A região de corrente exponencialmente crescente é chamada de descarga Townsend.

• D – E As descargas Corona ocorrem em Townsend descargas escuras em regiões de alto campo elétrico próximo a pontos agudos, bordas ou fios em gases antes da ruptura elétrica. Se os cortes coronais forem suficientemente altos, as descargas corona podem ser tecnicamente “descargas de brilho”, visíveis a olho nu. Para correntes baixas, a coroa inteira é escura, conforme apropriado para as descargas escuras. Fenômenos relacionados incluem a descarga elétrica silenciosa, uma forma inaudível de descarga filamentosa, e a descarga com escova, uma descarga luminosa em um campo elétrico não uniforme onde muitas descargas corona estão ativas ao mesmo tempo e formam serpentinas através do gás.

• E A quebra elétrica ocorre em regime Townsend com a adição de elétrons secundários emitidos a partir do cátodo devido ao impacto de íons ou fótons. Na quebra, ou potencial de faísca VB, a corrente pode aumentar num factor de 104 a 108, e normalmente é limitada apenas pela resistência interna da fonte de alimentação ligada entre as placas. Se a resistência interna da fonte de alimentação for muito alta, o tubo de descarga não pode extrair corrente suficiente para quebrar o gás, e o tubo permanecerá no regime corona com pequenas pontas corona ou descargas de escova sendo evidentes nos eléctrodos. Se a resistência interna da fonte de alimentação for relativamente baixa, então o gás irá quebrar na voltagem VB, e passar para o regime normal de descarga de fulgor. A tensão de ruptura para um determinado gás e material de eletrodo depende do produto da pressão e da distância entre os eletrodos, pd, como expresso na lei de Paschen (1889).

Descarga de incandescência (modo de brilho normal)

O regime de descarga de incandescência deve seu nome ao fato de que o plasma é luminoso. O gás brilha porque a energia dos electrões e a densidade numérica são suficientemente elevadas para gerar luz visível através de colisões por excitação. As aplicações da descarga incandescente incluem luzes fluorescentes, reatores de plasma dc em placas paralelas, descargas “magnetron” usadas para depositar filmes finos, e fontes de plasma eletrobombardeadas.

• F – G Após uma transição descontínua de E para F, o gás entra na região de incandescência normal, na qual a voltagem é quase independente da corrente em várias ordens de magnitude na corrente de descarga. A densidade da corrente de eletrodos é independente da corrente total neste regime. Isto significa que o plasma está em contato apenas com uma pequena parte da superfície do cátodo em correntes baixas. Como a corrente é aumentada de F para G, a fração do cátodo ocupado pelo plasma aumenta, até que o plasma cubra toda a superfície do cátodo no ponto G.

• G – H No regime de brilho anormal acima do ponto G, a tensão aumenta significativamente com o aumento da corrente total, a fim de forçar a densidade da corrente catódica acima de seu valor natural e fornecer a corrente desejada. A partir do ponto G e movendo-se para a esquerda, uma forma de histerese é observada na característica tensão-corrente. A descarga se mantém em correntes e densidades de corrente consideravelmente menores do que no ponto F e só então faz uma transição de volta ao regime Townsend.

Descargas de arco (modo arco)

• H – K No ponto H, os eletrodos se tornam suficientemente quentes para que o cátodo emita elétrons térmicamente. Se a fonte de alimentação DC tiver uma resistência interna suficientemente baixa, a descarga sofrerá uma transição de brilho para arco, H-I. O regime do arco, de I a K é aquele em que a tensão de descarga diminui à medida que a corrente aumenta, até que grandes correntes sejam alcançadas no ponto J, e depois disso a tensão aumenta lentamente à medida que a corrente aumenta.

Fusão em descargas de fulgor

As propriedades das descargas de fulgor foram sugeridas como uma forma ideal de criar energia de fusão, e algumas técnicas de fusão foram desenvolvidas para utilizar as propriedades e vários modos de operação das descargas de fulgor como um componente vital neste processo. A mais notável das quais é a Fusão de Confinamento Inercial-Eletrostático (IECF). Neste processo, os íons combustíveis são presos com campos puramente eletrostáticos em uma geometria convergente, ao contrário do confinamento magnético e outros métodos similares mais populares. O inventor deste conceito foi o cientista norte-americano Philo Farnsworth, que surgiu com a ideia nos anos 50. Outras variações sobre isso incluem o conceito Polywell, a Penning trap, a Esfera de Plasma Perodicamente Oscilante (POPS), e dispositivos multi-electrodos (#electrodos >2). Todos estes dispositivos incluem algumas características que os tornam mais complexos do que os simples dispositivos de descarga luminescente de dois eléctrodos, muitas vezes com a intenção de contornar alguns dos mecanismos de perda associados aos dispositivos IECF.

Fusão de Confinamento Electro-Estático Inercial (IECF)

Uma fonte de neutrões/protões de Confinamento Electro-Estático Inercial de Fusão (IECF) é um dispositivo compacto de configuração simples baseado em
as propriedades da descarga de incandescência. Consiste basicamente de um cátodo oco transparente no centro de uma câmara de vácuo esférica (serve como um ânodo), normalmente preenchido com um gás combustível D2, e uma descarga incandescente ocorre entre eles. Os íons de alta energia resultantes interagem com o gás de fundo (colisões de feixe de fundo) e eles mesmos (colisões de feixe de fundo) em um pequeno volume ao redor do ponto central, resultando em uma alta taxa de reações de fusão. O resultado é um gerador de neutrões que produz neutrões da ordem de 106-108 neutrões por segundo. Em dispositivos que utilizam taxas de injeção ainda mais altas, os íons injetados podem fornecer um poço com potencial de auto-geração profundo que confina os íons de feixe presos, criando taxas de reação ainda mais altas. O dispositivo pode ser modificado usando uma mistura de gás de preenchimento de deutério e hélio-3 para ser uma fonte de prótons, bem como de nêutrons. O IECF também tem aplicações promissoras para a detecção de minas terrestres.

Modos de operação associados ao IECF

A descarga incandescente nas máquinas IECF pode ser categorizada de acordo com quatro modos de descarga distintos. Estes são o modo Central Glow, o modo Star, o modo Halo, e o modo Jet. Os nomes são descritivos das aparências visuais da luz emitida a partir das descargas. Cada modo está associado a uma estrutura de poço potencial diferente, daí a taxa de produção de neutrões, para determinados parâmetros operacionais. Cada um deles requer uma combinação única de parâmetros de operação, ou seja, parâmetros de tensão, corrente, pressão e rede.

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• Modo “Central Glow” No modo “Central Glow”, é produzido um brilho em forma de bola no centro da esfera. Para produzi-lo, pode ser usada uma fonte de íons como ion gun ou uma grade de fonte de íons ou um cátodo emissor de elétrons. No cátodo, a grade é feita da forma mais esférica possível, composta de muitos fios finos de grade com muitas aberturas para obter uma grande transparência geométrica e um fluxo de íons razoavelmente uniforme e simétrico em forma esférica. Nesta operação, a transparência da rede é um parâmetro chave: como os íons fluem quase uniformemente através da rede, uma fração da corrente é interceptada e perdida para os fios da rede. Quanto maior a transparência geométrica da rede, menor a fração de perda de íons – aumentando a taxa de recirculação de íons. A taxa de reação no ponto central é correspondentemente aumentada, e o aquecimento e a pulverização da grade pelo bombardeio de íons é reduzido. Assim, o desenvolvimento e otimização de tais projetos de grade foram os objetivos principais dos trabalhadores anteriores no campo. Para tensões e correntes de operação similares, este modo dá apenas cerca de um terço da saída de neutrões por unidade de entrada de energia, em comparação com o modo Estrela.

• Modo Estrela: Para criar o modo Estrela, uma grade é construída de tal forma que o diâmetro de abertura da grade é uma fração significativa da circunferência maior da grade. Isto causa uma depressão local da superfície potencial. (Esta depressão deve ser evitada para criar o modo Central Glow.) Esta depressão, por sua vez, faz com que o fluxo de íons fique focalizado, formando os raios de íons radiais característicos ou “raios” do modo Estrela. Nas descargas planares, a consideração da bainha em apenas 1 dimensão é possível, mas a natureza discreta da grelha catódica de uma descarga de fulgor em forma esférica resulta numa estrutura potencial 3D complicada. Isto resulta em que o cátodo actua como uma lente de partículas carregada eficaz devido à curvatura do campo entre os fios da grelha catódica individual. Isto significa que não temos um fluxo homogêneo de partículas entre os eletrodos, mas sim uma estrutura de fluxo heterogênea de “raios” de plasma que transportam as partículas entre os eletrodos. Os raios também são luminosos, como indicado na Fig. 1. O Modo Estrela tipicamente ocorre a pressões de ~ 1 a 25mTorr.
• Modo Halo: Isto é iniciado da mesma forma que o modo Estrela, e é semelhante em muitos aspectos, mas normalmente a pressões mais baixas e, portanto, a tensões catódicas mais altas. A transição para o modo Halo é realizada ampliando uma ou mais aberturas da grade (ou seja, removendo fisicamente a seção de fios que separa as aberturas adjacentes). Isto provoca um fluxo de elétrons para fora do volume central (jato de elétrons) sob as quais o modo Halo se desenvolve. Então um forte jato de elétrons é observado para fluir através da(s) abertura(ões) ampliada(s). Até seis jatos foram criados em faces opostas da grade em questão. O jato por sua vez cria novos íons por ionização de colisão dos neutros de fundo. Os fluxos de íons e elétrons resultantes causam uma redistribuição completa da carga espacial, formando assim uma nova estrutura de poço potencial caracterizada por um brilho central brilhante e uma região externa de auréola brilhante. Um halo esférico branco brilhante é formado concêntrico à grelha catódica com uma mancha brilhante no centro. Consequentemente, este modo operacional foi denominado de modo Halo. O Halo sempre foi acompanhado pelo jato de elétrons, observado acima, que se acredita ser uma característica fundamental do modo. O modo Halo oferece geralmente um factor de 1,5 a 3 vezes mais elevado de emissão de neutrões por unidade de potência de entrada do que o modo Star.

• Modo Jet: Como a pressão é aumentada acima dos regimes operacionais do “Modo Estrela”, a descarga é visivelmente mais uniforme com exceção da variação radial e é acompanhada por um jato de elétrons através de um determinado orifício da grade catódica. Veja a Fig. 2. Por este motivo, este modo é referido como “Modo Jet”. Apesar da uniformidade visual, ainda existe uma estrutura heterogênea de fluxo de elétrons entre o ânodo e o cátodo no “Modo Jato”.

Notas