Elektrisk glödladdning

Elektrisk glödladdning är en typ av plasma som bildas genom att en ström på 100 V till flera kV passerar genom en gas, vanligtvis argon eller en annan ädelgas. Den finns i produkter som t.ex. lysrörslampor och plasma-tv-apparater och används inom plasmafysik och analytisk kemi och har föreslagits som en alternativ metod genom vilken stjärnor producerar sina synliga spektrum.

Glödurladdningen har sitt namn från det faktum att plasma är självlysande, självlysningen produceras eftersom elektronerna får tillräckligt med energi för att generera synligt ljus genom exciteringskollisioner som genererar fotoner. Detta fenomen uppnås lättast genom interaktion mellan en anod och en katod, vilket genererar den komplexa strömkrets som ger upphov till glöden. Vid bildandet av glödladdningar bildas begränsade elektriska fält och plasmahöljen vid var och en av elektroderna. Jonisering måste också vara en kritisk del av en glödladdning i ett jämviktstillstånd, eftersom det kommer att finnas en kontinuerlig förlust av joner från någon bestämd komponent i systemet vid varje given tidpunkt, vilket måste balanseras av en likvärdig vinst.

Den enklaste typen av glödladdning är en likströmsglödladdning. I sin enklaste form består den av två elektroder i en cell som hålls vid lågt tryck (1-10 torr). Cellen är vanligtvis fylld med argon. En spänning på flera hundra volt läggs på mellan de två elektroderna. En liten population av atomer i cellen joniseras initialt genom slumpmässiga processer (kollisioner mellan atomer eller med alfapartiklar, till exempel). Jonerna (som är positivt laddade) drivs mot katoden av den elektriska potentialen, och elektronerna drivs mot anoden av samma potential. Den ursprungliga populationen av joner och elektroner kolliderar med andra atomer och joniserar dem. Så länge potentialen upprätthålls finns en population av joner och elektroner kvar.

En del av jonernas rörelseenergi överförs till katoden. Detta sker delvis genom att jonerna träffar katoden direkt. Den primära mekanismen är dock mindre direkt. Jonerna träffar de mer talrika neutrala gasatomerna och överför en del av sin energi till dem. Dessa neutrala atomer träffar sedan katoden. Oavsett vilka arter som träffar katoden omfördelar kollisioner i katoden denna energi tills en del av katoden kastas ut, vanligtvis i form av fria atomer. Denna process kallas sputtering. När atomerna väl är fria från katoden rör de sig in i huvuddelen av glödladdningen genom avdrift och på grund av den energi de fått från sputtringen. Atomerna kan sedan exciteras genom kollisioner. Dessa kollisioner kan ske med joner, elektroner eller andra atomer som tidigare har exciterats genom kollisioner med joner, elektroner eller atomer. När atomerna väl är exciterade förlorar de sin energi ganska snabbt. Av de olika sätt som denna energi kan gå förlorad på är det viktigaste radiativt, vilket innebär att en foton frigörs för att föra bort energin. Vid optisk atomspektroskopi kan våglängden hos denna foton användas för att bestämma atomens identitet (dvs. vilket kemiskt grundämne det är), och antalet fotoner är direkt proportionellt mot koncentrationen av grundämnet i provet. Vissa kollisioner (de med tillräckligt hög energi) kommer att orsaka jonisering. Vid atomär masspektrometri upptäcks dessa joner. Deras massa identifierar typen av atomer och deras mängd avslöjar mängden av det elementet i provet.

Figuren ovan visar de viktigaste områdena som kan finnas i en glödurladdning. Regioner som beskrivs som ”glödlampor” avger betydande ljus; regioner som betecknas som ”mörka utrymmen” gör det inte. När urladdningen blir mer utsträckt (dvs. utsträckt horisontellt i figurens geometri) kan den positiva kolumnen bli strimmig. Det vill säga, omväxlande mörka och ljusa områden kan bildas. Om urladdningen komprimeras horisontellt kommer färre områden att uppstå. Den positiva kolumnen kommer att komprimeras medan den negativa glöden förblir lika stor, och med tillräckligt små mellanrum kommer den positiva kolumnen att försvinna helt och hållet. I en analytisk glödladdning är urladdningen främst en negativ glöd med mörka områden ovanför och nedanför.

Grundläggande struktur för glödladdningar

Spänningsströmkarakteristiken för en glödladdning är i hög grad icke-linjär, liksom många plasmafenomen, och vanlig linjär fysik kan inte tillämpas för att förklara deras uppbyggnad. För en grundläggande likströmsglödladdning kan tre huvudområden urskiljas från varandra, mörkladdning, glödladdning och bågladdning.

Den ovanstående figuren är en typisk V/I-plott för en glödladdning. De viktigaste egenskaperna hos urladdningen, såsom nedbrytningsspänningen, spänningsströmkarakteristiken och urladdningens struktur, beror på elektrodernas geometri, den gas som används, trycket och elektrodmaterialet.

Mörk urladdning (dark current mode)

Regimen mellan A och E på spänningsströmkarakteristiken kallas mörk urladdning eftersom urladdningen, med undantag för koronaurladdningar och själva nedbrytningen, förblir osynlig för ögat.

• A – B Under processens bakgrundsjoniseringsstadium sopar det elektriska fältet, som appliceras längs urladdningsrörets axel, ut de joner och elektroner som skapats genom jonisering från bakgrundsstrålning. Bakgrundsstrålning från kosmisk strålning, radioaktiva mineraler eller andra källor ger upphov till en konstant och mätbar grad av jonisering i luft vid atmosfäriskt tryck. Jonerna och elektronerna vandrar till elektroderna i det applicerade elektriska fältet och producerar en svag elektrisk ström. Ökad spänning sveper ut en ökande andel av dessa joner och elektroner.

• B – C Om spänningen mellan elektroderna ökas tillräckligt mycket, sveps så småningom alla tillgängliga elektroner och joner bort, och strömmen blir mättad. I mättnadsområdet förblir strömmen konstant medan spänningen ökar. Denna ström beror linjärt på strålningskällans styrka, en regim som är användbar i vissa strålningsräknare.

• C – E Om spänningen över lågtrycksurladdningsröret ökas bortom punkt C kommer strömmen att öka exponentiellt. Det elektriska fältet är nu tillräckligt högt så att de elektroner som ursprungligen finns i gasen kan få tillräckligt med energi innan de når anoden för att jonisera en neutral atom. När det elektriska fältet blir ännu starkare kan den sekundära elektronen också jonisera en annan neutral atom, vilket leder till en lavin av elektron- och jonproduktion. Regionen med exponentiellt ökande strömmar kallas Townsend-urladdning.

• D – E Koronaurladdningar uppstår i Townsend-mörkerurladdningar i områden med högt elektriskt fält nära skarpa punkter, kanter eller trådar i gaser före elektrisk uppdelning. Om koronacurenterna är tillräckligt höga kan koronaurladdningar tekniskt sett vara ”glödurladdningar” som är synliga för ögat. Vid låga strömmar är hela koronan mörk, vilket är lämpligt för mörka urladdningar. Besläktade fenomen är den tysta elektriska urladdningen, en ohörbar form av filamenturladdning, och borsturladdningen, en självlysande urladdning i ett ojämnt elektriskt fält där många koronaurladdningar är aktiva samtidigt och bildar strömmar genom gasen.

• E Elektrisk nedbrytning inträffar i Townsend-regimen med tillsats av sekundära elektroner som emitteras från katoden på grund av jon- eller fotonpåverkan. Vid nedbrytnings- eller gnistpotentialen VB kan strömmen öka med en faktor 104-108 och begränsas vanligen endast av det inre motståndet hos den strömförsörjning som är ansluten mellan plattorna. Om det interna motståndet i strömförsörjningen är mycket högt kan urladdningsröret inte dra tillräckligt med ström för att bryta ner gasen, och röret kommer att förbli i koronaregimen med små koronapunkter eller borsturladdningar som är uppenbara på elektroderna. Om strömförsörjningens inre motstånd är relativt lågt kommer gasen att brytas ner vid spänningen VB och övergå till den normala glödurladdningsregimen. Nedbrytningsspänningen för en viss gas och ett visst elektrodmaterial beror på produkten av trycket och avståndet mellan elektroderna, pd, vilket uttrycks i Paschens lag (1889).

Glödladdning (normalt glödladdningsläge)

Glödladdningsregimen har sitt namn från det faktum att plasman är självlysande. Gasen glöder eftersom elektronernas energi och taltäthet är tillräckligt hög för att generera synligt ljus genom excitationskollisioner. Tillämpningarna av glödurladdning inkluderar fluorescerande lampor, dc parallellplatta plasmareaktorer, ”magnetron”-urladdningar som används för deponering av tunna filmer och elektrobombardemangsplasmakällor.

• F – G Efter en diskontinuerlig övergång från E till F går gasen in i den normala glödregionen, där spänningen är nästan oberoende av strömmen över flera storleksordningar i urladdningsströmmen. Elektrodens strömtäthet är oberoende av den totala strömmen i denna regim. Detta innebär att plasman endast är i kontakt med en liten del av katodytan vid låga strömmar. När strömmen ökas från F till G ökar den del av katoden som upptas av plasman, tills plasman täcker hela katodytan vid punkt G.

• G – H I den onormala glödregimen ovanför punkt G ökar spänningen avsevärt med den ökande totala strömmen för att tvinga katodströmmens täthet över sitt naturliga värde och ge den önskade strömmen. Med utgångspunkt i punkt G och med en rörelse åt vänster observeras en form av hysterese i spännings- och strömkarakteristiken. Urladdningen bibehåller sig själv vid betydligt lägre strömmar och strömtätheter än vid punkt F och gör först därefter en övergång tillbaka till Townsend-regimen.

Bågurladdningar (arc mode)

• H – K Vid punkt H blir elektroderna tillräckligt heta för att katoden ska avge elektroner termioniskt. Om likströmsförsörjningen har ett tillräckligt lågt inre motstånd kommer urladdningen att genomgå en övergång från glöd till ljusbåge, H-I. I bågregimen, från I till K, minskar urladdningsspänningen i takt med att strömmen ökar, tills stora strömmar uppnås i punkt J, och därefter ökar spänningen långsamt i takt med att strömmen ökar.

Fusion i glödladdningar

Glödladdningars egenskaper har föreslagits som ett idealiskt sätt att skapa fusionsenergi, och vissa fusionstekniker har utvecklats för att utnyttja egenskaperna och de olika funktionssätten hos glödladdningar som en viktig komponent i denna process. Den mest anmärkningsvärda av dessa är fusion med inertiell-elektrostatisk inneslutning (IECF). I denna process fångas bränslejoner med rent elektrostatiska fält i en konvergerande geometri, i motsats till magnetisk inneslutning och andra liknande mer populära metoder. Uppfinnaren av detta koncept var den amerikanske forskaren Philo Farnsworth, som kom på idén på 1950-talet. Andra varianter på detta är Polywell-konceptet, Penningfällan, den perodiskt oscillerande plasmasfären (POPS) och anordningar med flera elektroder (#elektroder >2). Alla dessa anordningar har någon funktion som gör dem mer komplexa än de enkla glödurladdningsanordningarna med två elektroder, ofta i syfte att kringgå några av de förlustmekanismer som är förknippade med IECF-anordningar.

Inertial-Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

En neutron-/protonkälla för inertial-elektrostatisk fusion med inneslutning (IECF) är en kompakt anordning med en enkel konfiguration som bygger på
egenskaperna hos glödurladdning. Den består i princip av en genomskinlig ihålig katod i mitten av en sfärisk vakuumkammare (fungerar som anod), vanligtvis fylld med en D2-bränslegas, och en glödurladdning äger rum mellan dem. De resulterande högenergi-jonerna interagerar med bakgrundsgasen (strål-bakgrundskollisioner) och med sig själva (strål-strålekollisioner) i en liten volym runt den centrala punkten, vilket resulterar i en hög hastighet av fusionsreaktioner. Resultatet är en neutrongenerator som producerar neutroner i storleksordningen 106-108 neutroner per sekund. I anordningar som använder ännu högre injektionshastigheter kan de injicerade jonerna ge en djup självgenererad potentialbrunn som innesluter fångade stråljoner, vilket skapar ännu högre reaktionshastigheter. Anordningen kan modifieras genom att man använder en fyllnadsgasblandning av deuterium och helium-3 som en källa till både protoner och neutroner. IECF har också lovande tillämpningar för upptäckt av landminor.

Driftsätt förknippade med IECF

Glödladdningen i IECF-maskiner kan kategoriseras enligt fyra distinkta urladdningslägen. Dessa är det centrala glödlampsläget, stjärnläget, halo-läget och jetläget. Namnen är beskrivande för det visuella utseendet på det ljus som avges från urladdningarna. Varje läge är förknippat med en annan potentiell brunnsstruktur, och därmed neutronproduktionshastighet, för givna driftsparametrar. Varje läge kräver en unik kombination av driftsparametrar, dvs. spänning, ström, tryck och nätparametrar.

• Centralt glödläge I det centrala glödläget produceras en bollformad glöd i sfärens centrum. För att producera den kan man använda en jonkälla, t.ex. en jonkanon eller ett jonkällnät eller en elektronemitterande katod. I katoden görs gallret så sfäriskt som möjligt och består av många fina gallertrådar med många öppningar för att få en stor geometrisk transparens och ett någorlunda jämnt och sfäriskt symmetriskt flöde av joner. I en sådan drift är genomskinligheten i gallret en nyckelparameter: eftersom jonerna strömmar nästan jämnt genom gallret, avbryts en del av strömmen och går förlorad till gallertrådarna. Ju högre geometrisk transparens i nätet, desto lägre är jonernas förlustfraktion, vilket ökar jonåtercirkulationshastigheten. Reaktionshastigheten i den centrala punkten ökar på motsvarande sätt, och uppvärmningen och sputtringen av gallret genom jonbombardemanget minskar. Att utveckla och optimera sådana nätkonstruktioner var därför det primära målet för tidigare arbetare på området. För liknande driftsspänningar och strömmar ger detta läge endast ungefär en tredjedel av neutronutgången per tillförd energienhet jämfört med Star-läget.

• Star Mode: För att skapa stjärnläget konstrueras ett galler så att diametern på galleröppningen utgör en betydande del av gallerets större omkrets. Detta orsakar en lokal sänkning av den potentiella ytan. (Denna sänkning måste undvikas för att skapa det centrala glödläget.) Denna sänkning leder i sin tur till att jonflödet fokuseras och bildar de karakteristiska radiella jonstrålarna eller ”ekrarna” för stjärnläget. I plana urladdningar är det möjligt att beakta manteln i endast en dimension, men den diskreta karaktären hos katodgallret i en glödladdning i sfärisk form resulterar i en komplicerad 3D-potentialstruktur. Detta resulterar i att katoden fungerar som en effektiv lins för laddade partiklar på grund av krökningen av fältet mellan de enskilda katodgittertrådarna. Detta innebär att vi inte har ett homogent flöde av partiklar mellan elektroderna, utan snarare en heterogen flödesstruktur av plasma-”ekrar” som transporterar partiklar mellan elektroderna. Ekarna är också självlysande, vilket framgår av figur 1. Star Mode uppträder vanligtvis vid tryck på ~ 1 till 25 mTorr.
• Halo-läge: Det initieras på samma sätt som stjärnläget och liknar det i många avseenden, men vanligtvis vid lägre tryck och därmed högre katodspänningar. Övergången till Halo-läget åstadkoms genom att en eller flera av gallret öppningar förstoras (dvs. genom att fysiskt ta bort den trådsektion som separerar intilliggande öppningar). Detta orsakar ett flöde av elektroner ut ur centrumvolymen (elektronstråle), varvid Halo-läget utvecklas. Därefter observeras att en stark elektronstråle flödar genom den eller de förstorade öppningarna. Upp till sex jetstrålar har skapats på motsatta sidor av det aktuella rutnätet. Strålen skapar i sin tur nya joner genom kollisionsjonisering av de neutrala bakgrundsämnena. De resulterande jon- och elektronflödena orsakar en fullständig omfördelning av rymdladdningen och bildar därmed en ny potentialbrunnsstruktur som kännetecknas av en ljus central glöd och en yttre glödande haloregion. En ljusvit, sfärisk halo bildas koncentriskt till katodgallret med en ljuspunkt i mitten. Följaktligen har detta driftsätt benämnts Halo-läget. Halo har alltid åtföljts av den elektronstråle som nämns ovan och som tros vara en grundläggande egenskap hos detta läge. Halo-läget ger i allmänhet en faktor 1,5 till 3 gånger högre neutronutsläpp per enhet tillförd effekt än vad stjärnläget gör.

• Jetläge: När trycket höjs över driftsregimerna för ”Star Mode” är urladdningen synligt mer jämn med undantag för radiell variation och åtföljs av en elektronstråle genom ett visst gallerhål i katodgallret. Se figur 2. Av denna anledning kallas detta läge för ”Jet Mode”. Trots den visuella likformigheten finns det fortfarande en heterogen elektronflödesstruktur mellan anoden och katoden i ”Jet Mode”.

Notes