Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лампа неоновая типа НЕ-2 с питанием от переменного тока
Тлеющий разряд в трубке низкого давления, вызванный электрическим током.

Тлеющий разряд является плазма образуется при прохождении электрического тока через газ. Его часто создают путем приложения напряжения между двумя электродами в стеклянной трубке, содержащей газ низкого давления. Когда напряжение превышает значение, называемое напряжением зажигания , ионизация газа становится самоподдерживающейся, и трубка светится цветным светом. Цвет зависит от используемого газа.

Тлеющие разряды используются в качестве источника света в таких устройствах, как неоновые лампы , люминесцентные лампы и плазменные телевизоры . Анализ света, производимого с помощью спектроскопии, может дать информацию об атомных взаимодействиях в газе, поэтому тлеющие разряды используются в физике плазмы и аналитической химии . Они также используются в технике обработки поверхности, называемой напылением .

Электропроводность в газе [ править ]

Вольт-амперная характеристика электрического разряда в неоне при давлении 1 торр с двумя плоскими электродами, расположенными на расстоянии 50 см.
A: случайные импульсы космического излучения
B: ток насыщения
C: лавинный разряд Таунсенда
D: самоподдерживающийся разряд Таунсенда
E: нестабильная область: коронный разряд
F: субнормальный тлеющий разряд
G: нормальный тлеющий разряд
H: аномальный тлеющий разряд
I: нестабильный область: переход тлеющая дуга
J: электрическая дуга
K: электрическая дуга
A-D область: темный разряд ; происходит ионизация, ток ниже 10 мкА.
FH область: тлеющий разряд ; плазма излучает слабое свечение.
ИК область: дуговый разряд; произведено большое количество радиации.

Проводимость в газе требует носителей 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 космическими лучами . 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; образующиеся в результате положительные ионы направляются к катоду, и часть тех, которые вызывают столкновения с катодом, вытесняют электрон путем вторичной эмиссии .
  • В дуговом разряде электроны покидают катод за счет термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии , а газ ионизируется термическим способом. [1]

Ниже напряжения 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 начинается дуговая разрядка . [2]

Механизм [ править ]

Самый простой вид тлеющего разряда - это тлеющий разряд постоянного тока . В своей простейшей форме он состоит из двух электродов в ячейке, поддерживаемой при низком давлении (0,1–10 торр ; примерно от 1/10000 до 1/100 атмосферного давления). Низкое давление используется для увеличения длины свободного пробега ; для фиксированного электрического поля большая длина свободного пробега позволяет заряженной частице набрать больше энергии перед столкновением с другой частицей. Ячейка обычно заполнена неоном, но можно использовать и другие газы. Электрический потенциал нескольких сотен вольт подается между двумя электродами. Небольшая часть совокупности атомов в ячейке изначально ионизирована.через случайные процессы, такие как тепловые столкновения между атомами или гамма-лучи . Положительные ионы движутся к катоду под действием электрического потенциала, а электроны движутся к аноду под действием того же потенциала. Первоначальная популяция ионов и электронов сталкивается с другими атомами, возбуждая или ионизируя их. Пока сохраняется потенциал, сохраняется популяция ионов и электронов.

Вторичная эмиссия [ править ]

Часть кинетической энергии ионов передается катоду. Частично это происходит из-за того, что ионы попадают прямо 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 [ править ]

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 оптической атомной спектроскопии длину волны этого фотона можно использовать для определения идентичности атома (то есть, какой это химический элемент ), а количество фотонов прямо пропорционально концентрации этого элемента в образце. Некоторые столкновения (с достаточно высокой энергией) вызовут ионизацию. Эти ионы обнаруживаются в атомной масс-спектрометрии . Их масса определяет тип атомов, а их количество показывает количество этого элемента в образце.

Регионы [ править ]

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 значительный свет; регионы, помеченные как «темные пространства», - нет. По мере того, как разряд становится более протяженным (т. Е. Растягивается по горизонтали в геометрии иллюстраций), положительный столбик может стать полосатым . 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 [ править ]

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]

Aston dark space [ править ]

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

Катодное свечение [ править ]

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]

Катодное темное пространство [ править ]

Поскольку 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] Эту область иногда называют темным пространством Крукса или катодным падением , потому что в этой области происходит наибольшее падение напряжения в трубке.

Отрицательное свечение [ править ]

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 тормозным излучением . [3]

Темное пространство Фарадея [ править ]

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

Слой анода [ править ]

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

Положительный столбец [ править ]

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, с неоновой вывеской положительный столбик занимает почти всю длину трубки.

Анодное свечение [ править ]

Увеличение электрического поля приводит к свечению анода. [3]

Темное пространство анода [ править ]

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

Striations [ править ]

Полосы чередования светлых и темных в положительном столбце называются полосами . Строчки возникают из-за того, что атомы могут поглощать или высвобождать только дискретные количества энергии, когда электроны переходят с одного квантового уровня на другой. Эффект был объяснен Франком и Герцем в 1914 г. [5]

Распыление [ править ]

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 напылением, и он постепенно разрушает катод. Распыление полезно при использовании спектроскопии для анализа состава катода, как это делается в оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда . [6]

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

Газ-носитель [ править ]

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

Разница в цвете [ править ]

Из-за распыления, происходящего на катоде, цвета, излучаемые из областей вблизи 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 наибольшей 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, производит яркое бело-голубое тормозное излучение в области отрицательного свечения. [8]

Использование в аналитической химии [ править ]

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 атомной абсорбции , но это сравнительно редкая стратегия. Вместо этого обычно используют атомную эмиссию и масс-спектрометрию .

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 с тлеющим разрядом (GDMS), и он имеет пределы обнаружения до суб-частей на миллиард для большинства элементов, которые почти не зависят от матрицы.

Анализ глубины [ править ]

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 на анализ. В наилучших условиях было достигнуто разрешение по глубине в одном нанометровом диапазоне (фактически, было продемонстрировано внутримолекулярное разрешение). [ необходима цитата ]

Химия ионов и нейтралов в вакууме называется газовой ионной химией и является частью аналитического исследования, которое включает в себя тлеющий разряд.

Режимы питания [ править ]

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

В аналитической химии 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. Чаще всего давление 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, центрированной вокруг отрицательного потенциала; как таковые, они более или менее представляют 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.

Приложение к аналоговым вычислениям [ править ]

Интересное применение тлеющего разряда было описано в научной статье 2002 г. Ryes, Ghanem et al. [9] Согласно статье новостей Nature, описывающей эту работу, [10] исследователи из Имперского колледжа Лондона продемонстрировали, как они построили мини-карту, которая светится вдоль кратчайшего маршрута между двумя точками. В новостной статье Nature система описывается следующим образом:

Чтобы сделать однодюймовую лондонскую фишку, команда нарисовала план центра города на стеклянной пластине. Установка сверху плоской крышки превратила улицы в полые соединенные трубы. Они заполнили их газообразным 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, а газ светится, как крошечная неоновая полоска.

Сам подход обеспечивает новый подход к видимым аналоговым вычислениям для решения широкого класса задач поиска в лабиринте, основанный на свойствах зажигания тлеющего разряда в микрожидкостном чипе.

Применение к регулированию напряжения [ править ]

Трубка стабилизатора напряжения 5651 в работе

В середине 20-го века, до развития твердотельных компонентов, таких как стабилитроны , регулирование напряжения в схемах часто осуществлялось с помощью ламп регулятора напряжения , в которых использовался тлеющий разряд.

См. Также [ править ]

  • Электродуговый разряд
  • Электрическая искра
  • Электрический пробой
  • Электростатический разряд
  • Вакуумная дуга
  • Рентгеновская трубка
  • Люминесцентная лампа , неоновая лампа и плазменная лампа
  • Список статей по плазме (физике)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фридман, Александр (2011). Физика и техника плазмы . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . ISBN 978-1439812280.
  2. ^ Принципы электроники ВК Мехта ISBN 81-219-2450-2 
  3. ^ Б с д е е г ч я J Фридман, Александр (2012). Плазменная химия . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . п. 177. ISBN. 978-1107684935.
  4. ^ Konjevic, N .; Виденович, IR; Курайца, MM (1997). «Эмиссионная спектроскопия области катодного падения аналитического тлеющего разряда» . Le Journal de Physique IV . 07 (C4): C4–247 – C4–258. DOI : 10,1051 / JP4: 1997420 . ISSN 1155-4339 . Проверено 19 июня 2017 года . 
  5. ^ Csele, Марк (2011). «2.6 Эксперимент Франка – Герца» . Основы источников света и лазеров . Джон Вили и сыновья . С. 31–36. ISBN 9780471675228.
  6. ^ a b c Мавродиняну Р. (1984). «Разряды с полым катодом - аналитические приложения» . Журнал исследований Национального бюро стандартов . 89 (2): 147. DOI : 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. ^ Рейес, DR; Ганем, ММ; Уайтсайдс, GM; Манц, А. (2002). «Тлеющий разряд в микрожидкостных микросхемах для видимых аналоговых вычислений». Лаборатория на чипе . ACS. 2 (2): 113–6. DOI : 10.1039 / B200589A . PMID 15100843 . 
  10. ^ Мини-карта показывает туристам неоновые указатели маршрутов: http://www.nature.com/news/2002/020527/full/news020520-12.html

Дальнейшее чтение [ править ]

  • С. Флюгге, изд. (1956). Handbuch дер Physik / Энциклопедия физики группа / объем XXI - электронно-излучения • Газ разряжает я . Springer-Verlag .Первая глава статьи П.Ф. Литтла « Вторичные эффекты ».
  • 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 ( ссылка )