Záře - Glow discharge
Doutnavý výboj je plazma vytvořené průchodem elektrického proudu v plynu. Často se vytváří působením napětí mezi dvěma elektrodami ve skleněné trubici obsahující nízkotlaký plyn. Když napětí překročí hodnotu zvanou úderné napětí , stane se ionizace plynu soběstačnou a trubice září barevným světlem. Barva závisí na použitém plynu.
Záře výboje se používají jako zdroj světla v zařízeních, jako jsou neonová světla , zářivky a televizory s plazmovou obrazovkou . Analýza světla produkovaného spektroskopií může odhalit informace o atomových interakcích v plynu, takže výboje záře se používají ve fyzice plazmatu a analytické chemii . Používají se také v technice povrchové úpravy zvané rozprašování .
Elektrické vedení v plynu
A: náhodné pulsy kosmickým zářením
B: saturační proud
C: lavina Townsendův výboj
D: soběstačný Townsendův výboj
E: nestabilní oblast: koronový výboj
F: subnormální výboj
G: normální výboj
H: abnormální výboj
I: nestabilní oblast: přechod záře-oblouk
J: elektrický oblouk
K: elektrický oblouk
A-D oblast: tmavý výboj ; dojde k ionizaci, proud pod 10 mikroampérů.
FH oblast: žhavící výboj ; plazma vydává slabou záři.
Oblast IK: výboj oblouku ; velké množství vyprodukovaného záření.
Vedení v plynu vyžaduje nosiče náboje, kterými mohou být elektrony nebo ionty. Nosiče náboje pocházejí z ionizace některých molekul plynu. Pokud jde o tok proudu, doutnavý výboj spadá mezi tmavý výboj a výboj oblouku.
- Při tmavém výboji je plyn ionizován (generují se nosiče) zdrojem záření, jako je ultrafialové světlo nebo kosmické záření . Při vyšších napětích přes anodu a katodu mohou uvolněné nosiče získat dostatek energie, aby se během srážek uvolnily další nosiče; proces je lavina Townsend nebo multiplikace.
- V doutnavém výboji proces generování nosiče dosáhne bodu, kdy průměrný elektron opouštějící katodu umožňuje jinému elektronu opustit katodu. Například průměrný elektron může způsobit laviny Townsend desítky ionizujících srážek; výsledné kladné ionty směřují ke katodě a zlomek těch, které způsobují kolize s katodou, uvolní elektron sekundární emisí .
- V obloukovém výboji elektrony opouštějí katodu termionickou emisí a emisí pole a plyn je ionizován tepelnými prostředky.
Pod průrazným napětím je malá až žádná záře a elektrické pole je rovnoměrné. Když se elektrické pole dostatečně zvýší, aby způsobilo ionizaci, začne Townsendův výboj. Když se vyvíjí doutnavý výboj, elektrické pole je značně modifikováno přítomností kladných iontů; pole je soustředěno poblíž katody. Výboj žhavení začíná jako normální záře. Jak se proud zvyšuje, do záře je zahrnuto více povrchu katody. Když je proud zvýšen nad úroveň, kde je zapojen celý povrch katody, je výboj známý jako abnormální záře. Pokud se proud ještě zvýší, vstupují do hry další faktory a začíná obloukový výboj .
Mechanismus
Nejjednodušší typ žhavicího výboje je stejnosměrný žhavicí výboj. Ve své nejjednodušší formě se skládá ze dvou elektrod v článku udržovaném při nízkém tlaku (0,1–10 torr ; asi 1/10 000 až 1/100 atmosférického tlaku). Nízký tlak se používá ke zvýšení střední volné dráhy ; pro pevné elektrické pole umožňuje delší střední volná dráha nabité částice získat více energie před srážkou s jinou částicí. Buňka je obvykle naplněna neonem, ale lze použít i jiné plyny. Elektrický potenciál několika set voltů je aplikován mezi dvěma elektrodami. Malý zlomek populace atomů v buňce je zpočátku ionizován náhodnými procesy, jako jsou tepelné srážky mezi atomy nebo gama paprsky . Kladné ionty jsou poháněny směrem ke katodě elektrickým potenciálem a elektrony jsou poháněny směrem k anodě stejným potenciálem. Počáteční populace iontů a elektronů se srazí s jinými atomy, vzrušuje je nebo ionizuje. Dokud je potenciál zachován, zůstává populace iontů a elektronů.
Sekundární emise
Část kinetické energie iontů se přenáší na katodu. To se děje částečně prostřednictvím iontů dopadajících přímo na katodu. Primární mechanismus je však méně přímý. Iony narážejí na početnější atomy neutrálního plynu a přenášejí na ně část své energie. Tyto neutrální atomy poté zasáhnou katodu. Bez ohledu na to, jaký druh (ionty nebo atomy) narazí na katodu, kolize uvnitř katody přerozdělí tuto energii, což má za následek vystřelení elektronů z katody. Tento proces je znám jako emise sekundárních elektronů. Jakmile je katoda uvolněna, elektrické pole zrychluje elektrony do většiny výboje. Atomy pak mohou být excitovány srážkami s ionty, elektrony nebo jinými atomy, které byly dříve excitovány srážkami.
Světelná výroba
Jakmile jsou atomy vzrušeny, ztratí svou energii poměrně rychle. Z různých způsobů, jak lze tuto energii ztratit, je nejdůležitější radiačně, což znamená, že se uvolní foton, který energii odnese. V optické atomové spektroskopii lze vlnovou délku tohoto fotonu použít ke stanovení identity atomu (tj. O jaký chemický prvek se jedná) a počet fotonů je přímo úměrný koncentraci tohoto prvku ve vzorku. Některé srážky (ty, které mají dostatečně vysokou energii) způsobí ionizaci. V atomové hmotnostní spektrometrii jsou tyto ionty detekovány. Jejich hmotnost identifikuje typ atomů a jejich množství odhaluje množství tohoto prvku ve vzorku.
Regiony
Ilustrace vpravo ukazují hlavní oblasti, které mohou být přítomny v doutnavém výboji. Regiony popisované jako „záře“ vyzařují významné světlo; oblasti označené jako „temné prostory“ nikoli. Jak se výboj zvětšuje (tj. Roztahuje se vodorovně v geometrii ilustrací), může být kladný sloupec pruhovaný . To znamená, že se mohou tvořit střídavé tmavé a světlé oblasti. Horizontální stlačování výboje způsobí méně oblastí. Kladný sloupec bude komprimován, záporná záře zůstane stejné velikosti a při dostatečně malých mezerách pozitivní sloupec úplně zmizí. V analytickém výboji je výboj primárně záporný s tmavou oblastí nad a pod ním.
Katodová vrstva
Vrstva katody začíná astonským temným prostorem a končí oblastí záporné záře. Vrstva katody se zkracuje se zvýšeným tlakem plynu. Katodová vrstva má kladný prostorový náboj a silné elektrické pole.
Aston temný prostor
Elektrony opouštějí katodu s energií asi 1 eV, což nestačí k ionizaci nebo excitaci atomů, přičemž vedle katody zůstává tenká tmavá vrstva.
Katodová záře
Elektrony z katody nakonec dosáhnou dostatečné energie k excitaci atomů. Tyto vzrušené atomy rychle padají zpět do základního stavu a vyzařují světlo na vlnové délce odpovídající rozdílu mezi energetickými pásmy atomů. Tato záře je vidět velmi blízko katody.
Katodový temný prostor
Jak elektrony z katody získávají více energie, mají tendenci ionizovat, spíše než vzrušovat atomy. Vzrušené atomy rychle padají zpět na úroveň země a vyzařují světlo, ale když jsou atomy ionizovány, opačné náboje se oddělí a okamžitě se nekombinují. Výsledkem je více iontů a elektronů, ale žádné světlo. Tato oblast se někdy nazývá Crookesův temný prostor a někdy se označuje jako pokles katody , protože v této oblasti dochází k největšímu poklesu napětí v trubici.
Negativní záře
Ionizace v katodovém temném prostoru má za následek vysokou elektronovou hustotu, ale pomalejší elektrony, což usnadňuje elektronům rekombinaci s kladnými ionty, což vede k intenzivnímu světlu, prostřednictvím procesu zvaného bremsstrahlung záření .
Faradayův temný prostor
Vzhledem k tomu, že elektrony stále ztrácejí energii, je emitováno méně světla, což má za následek další temný prostor.
Anodová vrstva
Anodová vrstva začíná kladným sloupcem a končí u anody. Anodová vrstva má negativní prostorový náboj a mírné elektrické pole.
Pozitivní sloupec
S menším počtem iontů se elektrické pole zvyšuje, což má za následek elektrony s energií asi 2 eV, což je dost pro excitaci atomů a produkci světla. U delších žhavicích výbojek je delší prostor obsazen delší kladnou kolonou, zatímco katodová vrstva zůstává stejná. Například s neonovým nápisem zaujímá kladný sloup téměř celou délku tuby.
Anodová záře
Výsledkem zvýšení elektrického pole je záře anody.
Anodový temný prostor
Méně elektronů má za následek další temný prostor.
Striations
Skupiny střídavého světla a tmy v kladném sloupci se nazývají pruhování . Vyskytují se striace, protože atomy mohou absorbovat nebo uvolňovat pouze diskrétní množství energie, když se elektrony pohybují z jedné kvantové úrovně do druhé. Účinek vysvětlili Franck a Hertz v roce 1914.
Prskání
Kromě toho, že způsobí sekundární emise, mohou pozitivní ionty zasáhnout katodu dostatečnou silou, aby vyvrhly částice materiálu, ze kterého je katoda vyrobena. Tento proces se nazývá rozprašování a katodu postupně ablácí . Rozprašování je užitečné při použití spektroskopie k analýze složení katody, jak se to děje v optické emisní spektroskopii s výbojem .
Rozprašování však není žádoucí, pokud se pro osvětlení používá výbojka, protože to zkracuje životnost lampy. Například neonové nápisy mají duté katody navržené tak, aby minimalizovaly prskání, a obsahují uhlí, které nepřetržitě odstraňuje nežádoucí ionty a atomy.
Nosný plyn
V souvislosti s rozprašováním se plyn v trubici nazývá „nosný plyn“, protože nese částice z katody.
Barevný rozdíl
Kvůli rozprašování na katodě jsou barvy vyzařované z oblastí v blízkosti katody zcela odlišné od anody. Částice rozprašované z katody jsou vzrušeny a emitují záření z kovů a oxidů, které tvoří katodu. Záření z těchto částic se kombinuje s zářením z excitovaného nosného plynu, což dává katodové oblasti bílou nebo modrou barvu, zatímco ve zbytku trubice je záření pouze z nosného plynu a má tendenci být více monochromatické.
Elektrony poblíž katody jsou méně energetické než zbytek trubice. Kolem katody je záporné pole, které zpomaluje elektrony, když jsou vyhozeny z povrchu. Pouze ty elektrony s nejvyšší rychlostí jsou schopny uniknout z tohoto pole a ty bez dostatečné kinetické energie jsou staženy zpět do katody. Jakmile jsou mimo záporné pole, přitažlivost z pozitivního pole začne tyto elektrony zrychlovat směrem k anodě. Během této akcelerace jsou elektrony vychýleny a zpomaleny kladnými ionty, které se zrychlují směrem ke katodě, což zase produkuje jasné modrobílé bremsstrahlung záření v oblasti záporné záře.
Použití v analytické chemii
Záře mohou být použity k analýze elementárního a někdy i molekulárního složení pevných látek, kapalin a plynů, ale elementární analýza pevných látek je nejběžnější. V tomto uspořádání je vzorek použit jako katoda. Jak již bylo zmíněno dříve, plynové ionty a atomy narážející na povrch vzorku z něj srážejí atomy, což je proces známý jako rozprašování.
Rozprášené atomy, nyní v plynné fázi, lze detekovat atomovou absorpcí , ale toto je poměrně vzácná strategie. Místo toho se obvykle používá atomová emise a hmotnostní spektrometrie .
Kolize mezi atomy vzorku v plynné fázi a plazmatickým plynem předávají energii atomům vzorku. Tato energie může vzrušovat atomy, a poté mohou ztratit svou energii atomovou emisí. Pozorováním vlnové délky emitovaného světla lze určit identitu atomu. Pozorováním intenzity emise lze určit koncentraci atomů tohoto typu.
Energie získaná srážkami může také ionizovat atomy vzorku. Iony pak mohou být detekovány hmotnostní spektrometrií. V tomto případě je to hmotnost iontů, které identifikují prvek, a počet iontů, které odrážejí koncentraci. Tato metoda se označuje jako hmotnostní spektrometrie s výbojem (GDMS) a pro většinu prvků, které jsou téměř nezávislé na matrici, má detekční limity až do rozsahu subppb.
Hloubková analýza
Hromadnou i hloubkovou analýzu pevných látek lze provádět s doutnavým výbojem. Hromadná analýza předpokládá, že vzorek je poměrně homogenní a průměruje časově emisní nebo hmotnostní spektrometrický signál. Hloubková analýza se spoléhá na sledování signálu v čase, proto je stejné jako sledování elementární skladby do hloubky.
Hloubková analýza vyžaduje větší kontrolu nad provozními parametry. Například podmínky (proud, potenciál, tlak) je třeba upravit tak, aby kráter vytvářený rozprašováním měl ploché dno (tj. Aby byla hloubka analyzovaná po ploše kráteru stejnoměrná). Při hromadném měření by hrubé nebo zaoblené dno kráteru nemělo nepříznivý dopad na analýzu. Za nejlepších podmínek bylo dosaženo hloubkového rozlišení v rozsahu jednoho nanometru (ve skutečnosti bylo prokázáno rozlišení uvnitř molekuly).
Chemie iontů a neutrálů ve vakuu se nazývá iontová chemie v plynné fázi a je součástí analytické studie, která zahrnuje doutnavý výboj.
Režimy napájení
V analytické chemii jsou žhavicí výboje obvykle provozovány v režimu stejnosměrného proudu. Pro stejnosměrný proud musí být katoda (což je vzorek při analýze pevných látek) vodivá. Naproti tomu analýza nevodivé katody vyžaduje použití vysokofrekvenčního střídavého proudu.
Potenciál, tlak a proud spolu souvisí. Pouze dva lze ovládat přímo najednou, zatímco třetí musí být umožněno měnit. Tlak se nejčastěji udržuje konstantní, ale lze použít i jiná schémata. Tlak a proud mohou být udržovány konstantní, zatímco potenciál se může měnit. Tlak a napětí mohou být udržovány konstantní, zatímco proud se může měnit. Síla (součin napětí a proudu) může být udržována konstantní, zatímco tlak se může měnit.
Žhavé výboje mohou být provozovány také vysokofrekvenčně. Použitím této frekvence se vytvoří záporné stejnosměrné předpětí na povrchu vzorku. DC-bias je výsledkem křivky střídavého proudu, která je soustředěna kolem záporného potenciálu; jako takový představuje víceméně průměrný potenciál na povrchu vzorku. Vysokofrekvenční má schopnost vypadat, že protéká izolátory (nevodivé materiály).
Vysokofrekvenční i stejnosměrné doutnavé výboje lze provozovat v pulzním režimu, kde se potenciál zapíná a vypíná. To umožňuje použití vyšších okamžitých výkonů bez nadměrného zahřívání katody. Tyto vyšší okamžité síly produkují vyšší okamžité signály, což pomáhá detekci. Kombinace časově rozlišené detekce s pulzním napájením přináší další výhody. V atomové emisi atomy analytu emitují během různých částí pulzu než atomy pozadí, což umožňuje rozlišení těchto dvou. Analogicky se v hmotnostní spektrometrii vytvářejí ionty vzorku a pozadí v různých časech.
Aplikace na analogové výpočty
Zajímavou aplikaci pro použití žhavicího výboje popsali ve vědecké práci z roku 2002 Ryes, Ghanem et al. Podle článku v Nature, který tuto práci popisuje, vědci z Imperial College v Londýně předvedli, jak postavili minimapu, která září nejkratší cestou mezi dvěma body. Článek v novinách Nature popisuje systém následovně:
- Při výrobě jednopalcového londýnského čipu tým vyryl na skleněný skluz plán centra. Nasazení plochého víka na horní část proměnilo ulice v duté spojené trubky. Naplnili je plynným héliem a vložili elektrody do klíčových turistických uzlů. Když je mezi dvěma body přivedeno napětí, elektřina přirozeně prochází ulicemi po nejkratší cestě z A do B - a plyn září jako malé neonové proužkové světlo.
Samotný přístup poskytuje nový viditelný analogový výpočetní přístup k řešení široké třídy problémů s hledáním bludiště na základě vlastností rozsvícení žhavícího výboje v mikrofluidním čipu.
Aplikace na regulaci napětí
V polovině 20. století, před vývojem součástek v pevné fázi, jako jsou Zenerovy diody , se regulace napětí v obvodech často prováděla pomocí trubek regulátoru napětí , které používaly žhavicí výboj.
Viz také
- Výboj elektrického oblouku
- Elektrická jiskra
- Elektrické poruchy
- Elektrostatický výboj
- Vakuový oblouk
- Rentgenová trubice
- Zářivka , neonová lampa a plazmová lampa
- Seznam článků o plazmě (fyzice)
Reference
Další čtení
- Flügge, vyd. (1956). Handbuch der Physik / Encyclopedia of Physics band / objem XXI - Electron emisemi • Gas vybíjí I . Springer-Verlag .První kapitola článku Sekundární efekty od PF Little.
- R. Kenneth Marcus (vyd.) (1993). Spektroskopie s výbojem . Kluwer Academic Publishers (Moderní analytická chemie). ISBN 978-0-306-44396-1.CS1 maint: další text: seznam autorů ( odkaz )