Тлеющий разряд - Glow discharge

Неоновая лампа типа НЕ-2 с питанием от переменный ток
Тлеющий разряд в трубке низкого давления, вызванный электрическим током.

А тлеющий разряд это плазма сформированный прохождением электрический ток через газ. Его часто создают путем подачи напряжения между двумя электроды в стеклянной трубке с газом низкого давления. Когда напряжение превышает значение, называемое поражающее напряжение, газ ионизация становится самоподдерживающимся, и трубка светится цветным светом. Цвет зависит от используемого газа.

Тлеющие разряды используются в качестве источника света в таких устройствах, как неоновые лампы, флюоресцентные лампы, и плазменные телевизоры. Анализируя свет, производимый спектроскопия может раскрыть информацию об атомных взаимодействиях в газе, поэтому тлеющие разряды используются в физика плазмы и аналитическая химия. Они также используются в технике обработки поверхности, называемой распыление.

Электропроводность в газе

Вольт-амперная характеристика электрического разряда в неоне при давлении 1 торр с двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 50 см.
A: случайные импульсы космическое излучение
B: ток насыщения
C: лавинный сброс Таунсенда
D: самостоятельная разрядка Таунсенда
E: нестабильный регион: коронный разряд
F: субнормальный тлеющий разряд
G: нормальный тлеющий разряд
H: аномальный тлеющий разряд
I: нестабильная область: переход тлеющей дуги
J: электрическая дуга
K: электрическая дуга
Область A-D: темные выделения; происходит ионизация, ток ниже 10 мкА.
F-H область: тлеющий разряд; плазма излучает слабое свечение.
Область I-K: дуговая разрядка; произведено большое количество радиации.

Для проводимости в газе необходимы носители заряда, которыми могут быть электроны или ионы. Носители заряда образуются в результате ионизации некоторых молекул газа. С точки зрения протекания тока тлеющий разряд находится между темным разрядом и дуговым разрядом.

  • В темном разряде газ ионизируется (носители генерируются) источником излучения, например ультрафиолетовым светом или Космические лучи. При более высоких напряжениях на аноде и катоде освобожденные носители могут получить достаточно энергии, так что дополнительные носители освобождаются во время столкновений; процесс - это Таунсендская лавина или умножение.
  • В тлеющем разряде процесс генерации носителей достигает точки, когда средний электрон, покидающий катод, позволяет другому электрону покинуть катод. Например, средний электрон может вызвать десятки ионизирующих столкновений через лавину Таунсенда; образовавшиеся положительные ионы направляются к катоду, и часть тех, которые вызывают столкновения с катодом, вытеснит электрон за счет вторичная эмиссия.
  • В дуговая разрядка электроны покидают катод на термоэлектронная эмиссия и автоэлектронная эмиссия, и газ ионизируется термическим способом.[1]

Ниже напряжение пробоя свечение практически отсутствует, а электрическое поле однородно. Когда электрическое поле увеличивается настолько, чтобы вызвать ионизацию, начинается таунсендовский разряд. Когда возникает тлеющий разряд, электрическое поле значительно изменяется из-за присутствия положительных ионов; поле сосредоточено около катода. Тлеющий разряд начинается как нормальное свечение. По мере увеличения тока в свечение вовлекается большая часть поверхности катода. Когда ток увеличивается выше уровня, на котором задействована вся поверхность катода, разряд называется аномальным свечением. Если ток еще больше увеличивается, в игру вступают другие факторы и дуговая разрядка начинается.[2]

Механизм

Самый простой тип тлеющего разряда - это постоянный ток тлеющий разряд. В простейшем виде он состоит из двух электродов в ячейке, поддерживаемой при низком давлении (0,1–10 торр; от 1/10000 до 1/100 атмосферного давления). Низкое давление используется для увеличения длина свободного пробега; для фиксированного электрического поля более длинная длина свободного пробега позволяет заряженной частице набрать больше энергии перед столкновением с другой частицей. Ячейка обычно заполнена неоном, но можно использовать и другие газы. An электрический потенциал между двумя электродами подается напряжение в несколько сотен вольт. Небольшая часть популяции атомов в ячейке изначально ионизированный через случайные процессы, такие как тепловые столкновения между атомами или гамма излучение. Положительные ионы движутся к катод электрическим потенциалом, и электроны движутся к анод таким же потенциалом. Начальная популяция ионов и электронов сталкивается с другими атомами, захватывающе или ионизирующий их. Пока сохраняется потенциал, сохраняется популяция ионов и электронов.

Вторичная эмиссия

Часть кинетической энергии ионов передается катоду. Частично это происходит из-за попадания ионов на катод. Однако первичный механизм менее прямой. Ионы ударяются о более многочисленные атомы нейтрального газа, передавая им часть своей энергии. Затем эти нейтральные атомы ударяются о катод. Какие бы частицы (ионы или атомы) ни ударялись о катод, столкновения внутри катода перераспределяют эту энергию, в результате чего электроны выбрасываются из катода. Этот процесс известен как вторичная электронная эмиссия. После выхода из катода электрическое поле ускоряет электроны в объеме тлеющего разряда. Затем атомы могут быть возбуждены столкновениями с ионами, электронами или другими атомами, которые ранее были возбуждены столкновениями.

Легкое производство

После возбуждения атомы довольно быстро теряют свою энергию. Из различных способов, которыми эта энергия может быть потеряна, наиболее важным является излучение, что означает, что фотон высвобождается, чтобы унести энергию. В оптическом атомная спектроскопия длина волны этого фотона может быть использована для определения идентичности атома (то есть химический элемент это так), а количество фотонов прямо пропорционально концентрации этого элемента в образце. Некоторые столкновения (с достаточно высокой энергией) вызовут ионизацию. В атомной масс-спектрометрии, эти ионы обнаруживаются. Их масса определяет тип атомов, а их количество показывает количество этого элемента в образце.

Регионы

Тлеющий разряд, иллюстрирующий различные области, составляющие тлеющий разряд, и диаграмма с их названиями.

На рисунках справа показаны основные области, которые могут присутствовать в тлеющем разряде. Области, описанные как «свечение», излучают значительное количество света; регионы, помеченные как «темные пространства», - нет. По мере того, как разряд становится более протяженным (т. Е. Вытянутым по горизонтали в геометрии иллюстраций), положительный столбец может стать полосатый. То есть могут образовываться чередующиеся темные и светлые области. Сжатие разряда по горизонтали приведет к уменьшению количества областей. Положительный столбец будет сжат, в то время как отрицательное свечение останется того же размера, а с достаточно маленькими промежутками положительный столбец исчезнет совсем. В аналитическом тлеющем разряде разряд в основном представляет собой отрицательное свечение с темной областью над и под ним.

Катодный слой

Катодный слой начинается с темного пространства Aston и заканчивается областью отрицательного свечения. Катодный слой укорачивается с увеличением давления газа. Катодный слой имеет положительный объемный заряд и сильное электрическое поле.[3][4]

Астон темное пространство

Электроны покидают катод с энергией около 1 эВ, чего недостаточно для ионизации или возбуждения атомов, оставляя рядом с катодом тонкий темный слой.[3]

Катодное свечение

Электроны с катода в конечном итоге получают достаточно энергии, чтобы возбуждать атомы. Эти возбужденные атомы быстро возвращаются в основное состояние, излучая свет с длиной волны, соответствующей разнице между энергетическими полосами атомов. Это свечение видно очень близко к катоду.[3]

Катод темное пространство

По мере того как электроны от катода набирают больше энергии, они склонны ионизировать, а не возбуждать атомы. Возбужденные атомы быстро падают на основной уровень, излучая свет, однако, когда атомы ионизируются, противоположные заряды разделяются и не рекомбинируют немедленно. В результате образуется больше ионов и электронов, но нет света.[3] Этот регион иногда называют Crookes темное пространство, иногда называемое катодное падение, поскольку наибольшее падение напряжения в трубке происходит именно в этой области.

Отрицательное свечение

Ионизация в темном пространстве катода приводит к высокой плотности электронов, но более медленным электронам, что облегчает рекомбинацию электронов с положительными ионами, что приводит к интенсивному свету, посредством процесса, называемого тормозное излучение.[3]

Темное пространство Фарадея

Поскольку электроны продолжают терять энергию, излучается меньше света, что приводит к появлению еще одного темного пространства.[3]

Анодный слой

Анодный слой начинается с положительного столба и заканчивается анодом. Анодный слой имеет отрицательный объемный заряд и умеренное электрическое поле.[3]

Положительный столбец

При меньшем количестве ионов электрическое поле увеличивается, что приводит к электронам с энергией около 2 эВ, чего достаточно для возбуждения атомов и образования света. В более длинных трубках тлеющего разряда большее пространство занимает более длинный положительный столб, в то время как катодный слой остается прежним.[3] Например, у неоновой вывески положительный столбик занимает почти всю длину трубки.

Анодное свечение

Увеличение электрического поля приводит к свечению анода.[3]

Темное пространство анода

Меньшее количество электронов приводит к еще одному темному пространству.[3]

Полосы

Полосы чередования светлых и темных в положительном столбце называются полосы. Строчки возникают потому, что атомы могут поглощать или высвобождать только дискретное количество энергии, когда электроны движутся из одного квант уровень на другой. Эффект был объяснил Франк и Герц в 1914 г.[5]

Распыление

Основная статья: Распыление

Помимо вторичной эмиссии, положительные ионы могут ударяться о катод с силой, достаточной для выброса частиц материала, из которого изготовлен катод. Этот процесс называется распыление и это постепенно удаляет катод. Распыление полезно при использовании спектроскопия для анализа состава катода, как это сделано в Оптическая эмиссионная спектроскопия тлеющего разряда.[6]

Однако распыление нежелательно при использовании тлеющего разряда для освещения, поскольку оно сокращает срок службы лампы. Например, неоновые вывески имеют полые катоды разработан для минимизации разбрызгивания и содержит древесный уголь для непрерывного удаления нежелательных ионов и атомов.[7]

Газ-носитель

В контексте распыления газ в трубке называют «газом-носителем», потому что он уносит частицы с катода.[6]

Разница в цвете

Из-за распыления, происходящего на катоде, цвета, излучаемые из областей около катода, сильно отличаются от анода. Распыляемые с катода частицы возбуждаются и испускают излучение металлов и оксидов, составляющих катод. Излучение этих частиц сочетается с излучением возбужденного газа-носителя, придавая катодной области белый или синий цвет, в то время как в остальной части трубки излучение исходит только от газа-носителя и имеет тенденцию быть более монохроматическим.[6]

Электроны около катода менее энергичны, чем остальная часть трубки. Катод окружает отрицательное поле, которое замедляет электроны, выбрасываемые с поверхности. Только электроны с самой высокой скоростью могут покинуть это поле, а те, у которых нет достаточной кинетической энергии, втягиваются обратно в катод. Оказавшись вне отрицательного поля, притяжение положительного поля начинает ускорять эти электроны по направлению к аноду. Во время этого ускорения электроны отклоняются и замедляются положительными ионами, движущимися к катоду, что, в свою очередь, дает ярко-сине-белый цвет. тормозное излучение излучение в области отрицательного свечения.[8]

Использование в аналитической химии

Тлеющие разряды можно использовать для анализа элементного, а иногда и молекулярного состава твердых тел, жидкостей и газов, но наиболее распространенным является элементный анализ твердых тел. В этом устройстве образец используется в качестве катода. Как упоминалось ранее, ионы газа и атомы, ударяющиеся о поверхность образца, отбивают атомы от нее. Этот процесс известен как распыление.

Распыленные атомы, находящиеся теперь в газовой фазе, можно обнаружить с помощью атомная абсорбция, но это сравнительно редкая стратегия. Вместо, атомная эмиссия и масс-спектрометрии обычно используются.

Столкновения между атомами газовой фазы образца и плазменным газом передают энергию атомам образца. Эта энергия может возбуждать атомы, после чего они могут терять свою энергию из-за атомной эмиссии. Наблюдая за длиной волны излучаемого света, можно определить личность атома. Наблюдая за интенсивностью излучения, можно определить концентрацию атомов этого типа.

Энергия, полученная в результате столкновений, также может ионизировать атомы образца. Затем ионы могут быть обнаружены масс-спектрометрией. В этом случае это масса ионов, которые определяют элемент, и количество ионов, которые отражают концентрацию. Этот метод называется масс-спектрометрией тлеющего разряда (GDMS), и он имеет пределы обнаружения до суб-частей на миллиард для большинства элементов, которые почти не зависят от матрицы.

Анализ глубины

Как объемный, так и глубинный анализ твердых тел может выполняться с помощью тлеющего разряда. Массовый анализ предполагает, что образец достаточно однороден, и усредняет эмиссионный или масс-спектрометрический сигнал с течением времени. Глубинный анализ основан на отслеживании сигнала во времени, следовательно, это то же самое, что и отслеживание элементного состава на глубине.

Анализ глубины требует большего контроля над рабочими параметрами. Например, необходимо отрегулировать условия (ток, потенциал, давление) так, чтобы кратер, образовавшийся в результате распыления, имел плоское дно (то есть, чтобы глубина, анализируемая по площади кратера, была однородной). При объемных измерениях шероховатое или закругленное дно кратера не повлияет отрицательно на анализ. В наилучших условиях было достигнуто разрешение по глубине в одном нанометровом диапазоне (фактически, было продемонстрировано внутримолекулярное разрешение).[нужна цитата ]

Химия ионов и нейтралов в вакууме называется газовая фаза ионная химия и является частью аналитического исследования, включающего тлеющий разряд.

Режимы питания

Неоновая лампа с питанием от постоянного тока с тлеющим разрядом, окружающим только катод

В аналитическая химия, тлеющие разряды обычно работают в режиме постоянного тока. Для постоянного тока катод (который является образцом при анализе твердых веществ) должен быть проводящим. Напротив, анализ непроводящего катода требует использования высокочастотного переменного тока.

Потенциал, давление и ток взаимосвязаны. Одновременно можно напрямую управлять только двумя, а третьему можно разрешить варьироваться. Давление обычно поддерживается постоянным, но могут использоваться и другие схемы. Давление и ток могут оставаться постоянными, в то время как потенциал может изменяться. Давление и напряжение могут оставаться постоянными, в то время как ток может изменяться. Мощность (произведение напряжения и тока) может поддерживаться постоянной, в то время как давление может изменяться.

Тлеющие разряды также могут работать в радиочастотном диапазоне. Использование этой частоты создаст отрицательное напряжение смещения постоянного тока на поверхности образца. Смещение постоянного тока является результатом формы волны переменного тока с центром вокруг отрицательного потенциала; как таковой он более или менее представляет средний потенциал, находящийся на поверхности образца. Радиочастота может проходить сквозь изоляторы (непроводящие материалы).

Тлеющие разряды как радиочастотного, так и постоянного тока могут работать в импульсном режиме, при котором потенциал включается и выключается. Это позволяет применять более высокие мгновенные мощности без чрезмерного нагрева катода. Эти более высокие мгновенные мощности производят более высокие мгновенные сигналы, помогая обнаружению. Сочетание обнаружения с временным разрешением и импульсного питания дает дополнительные преимущества. При атомной эмиссии атомы анализируемого вещества излучают во время различных частей импульса, чем фоновые атомы, что позволяет различать их. Аналогично, в масс-спектрометрии ионы образца и фона создаются в разное время.

Применение к аналоговым вычислениям

Интересное применение тлеющего разряда было описано в научной статье Райеса, Ганема в 2002 году. и другие.[9]Согласно статье новостей Nature, описывающей эту работу,[10] Исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они построили мини-карту, на которой светится кратчайший путь между двумя точками. В новостной статье Nature система описывается следующим образом:

Чтобы создать однодюймовую лондонскую фишку, команда нанесла план центра города на стеклянную пластину. Установка плоской крышки сверху превратила улицы в полые соединенные трубы. Они заполнили их гелием и вставили электроды в ключевые туристические центры. Когда напряжение подается между двумя точками, электричество естественным образом проходит по улицам по кратчайшему маршруту от A до B, и газ светится, как крошечная неоновая полоска.

Сам подход обеспечивает новый видимый аналоговые вычисления подход к решению широкого класса задач поиска лабиринтов, основанный на свойствах зажигания тлеющего разряда в микрожидкостном чипе.

Применение для регулирования напряжения

Трубка стабилизатора напряжения 5651 в работе

В середине ХХ века, до развития твердое состояние компоненты, такие как Стабилитроны, регулирование напряжения в схемах часто выполнялось с трубки регулятора напряжения, в котором использовался тлеющий разряд.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фридман, Александр (2011). Физика плазмы и инженерия. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1439812280.
  2. ^ Принципы электроники В.К. Мехта ISBN  81-219-2450-2
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j Фридман, Александр (2012). Химия плазмы. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 177. ISBN  978-1107684935.
  4. ^ Konjevic, N .; Виденович, И. Р .; Курайца, М. М. (1997). «Эмиссионная спектроскопия области катодного падения аналитического тлеющего разряда». Le Journal de Physique IV. 07 (C4): C4–247 – C4–258. Дои:10.1051 / jp4: 1997420. ISSN  1155-4339. Получено 19 июня, 2017.
  5. ^ Челе, Марк (2011). «2.6 Эксперимент Франка – Герца». Основы источников света и лазеров. Джон Уайли и сыновья. С. 31–36. ISBN  9780471675228.
  6. ^ а б c Мавродиняну, Р. (1984). «Разряды с полым катодом - аналитические приложения». Журнал исследований Национального бюро стандартов. 89 (2): 147. Дои:10.6028 / jres.089.009. ISSN  0160-1741.
  7. ^ Клод, Жорж (ноябрь 1913 г.). «Развитие неоновых трубок». Инженерный журнал: 271–274. LCCN  sn83009124.
  8. ^ Уитакер, Джерри (1999). Справочник по силовым электронным лампам, второе издание. Бока-Ратон: CRC Press. п. 94. ISBN  978-1420049657.
  9. ^ Reyes, D. R .; Ghanem, M. M .; Whitesides, G.M .; Манц, А. (2002). «Тлеющий разряд в микрофлюидных чипах для видимых аналоговых вычислений». Лаборатория на чипе. ACS. 2 (2): 113–6. Дои:10.1039 / B200589A. PMID  15100843.
  10. ^ Мини-карта снабжает туристов неоновыми указателями маршрутов: http://www.nature.com/news/2002/020527/full/news020520-12.html

дальнейшее чтение

  • С. Флюгге, изд. (1956). Handbuch der Physik / Encyclopedia of Physics band / volume XXI - Электронная эмиссия • Газовые разряды I. Springer-Verlag. Первая глава статьи Вторичные эффекты П.Ф. Маленький.
  • Р. Кеннет Маркус (ред.) (1993). Спектроскопия тлеющего разряда. Kluwer Academic Publishers (Современная аналитическая химия). ISBN  978-0-306-44396-1.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)