Glødutslipp - Glow discharge
En glødeavgivelse er et plasma dannet ved passering av elektrisk strøm gjennom en gass. Det opprettes ofte ved å påføre en spenning mellom to elektroder i et glassrør som inneholder en lavtrykksgass. Når spenningen overstiger en verdi som kalles tennspenningen , gass ioniseringen blir selvbærende, og røret lyser med en farget lys. Fargen avhenger av gassen som brukes.
Lysutslipp brukes som lyskilde i enheter som neonlys , lysrør og plasmaskjerm-TV . Analysering av lyset som produseres med spektroskopi kan avsløre informasjon om atominteraksjonene i gassen, slik at utslipp av glød brukes i plasmafysikk og analytisk kjemi . De brukes også i overflatebehandlingsteknikken kalt sputtering .
Elektrisk ledning i gass
A: tilfeldige impulser av kosmisk stråling
B: metningsstrøm
C: skred Townsendutladning
D: selvopprettholdende Townsendutladning
E: ustabil region: koronautladning
F: subnormal glødeaflading
G: normal glødeaflading
H: unormal glødeaflading
I: ustabil region: glødbueovergang
J: lysbue
K: lysbue
AD-region: mørk utladning ; ionisering skjer, strøm under 10 mikroampere.
FH-regionen: lysutslipp ; plasmaet avgir en svak glød.
IK-regionen: lysbueutslipp ; store mengder produsert stråling.
Ledning i en gass krever ladebærere, som kan være enten elektroner eller ioner. Ladebærere kommer fra ioniserende noen av gassmolekylene. Når det gjelder strøm, faller lysutslipp mellom mørkt utslipp og lysbueutslipp.
- I en mørk utslipp ioniseres gassen (bærerne genereres) av en strålekilde som ultrafiolett lys eller kosmiske stråler . Ved høyere spenninger over anoden og katoden kan de frigjorte bærerne få nok energi slik at flere bærere frigjøres under kollisjoner; prosessen er et skred eller multiplikasjon fra Townsend .
- I en glødutladning når bærergenereringsprosessen et punkt der gjennomsnittlig elektron som forlater katoden tillater et annet elektron å forlate katoden. For eksempel kan gjennomsnittselektronen forårsake dusinvis av ioniserende kollisjoner via Townsend-skredet; de resulterende positive ionene går mot katoden, og en brøkdel av de som forårsaker kollisjon med katoden vil løsne et elektron ved sekundær utslipp .
- I en lysbueutladning forlater elektroner katoden ved termionisk utslipp og feltutslipp , og gassen ioniseres med termiske midler.
Under sammenbruddsspenningen er det liten eller ingen glød, og det elektriske feltet er jevnt. Når det elektriske feltet øker nok til å forårsake ionisering, starter Townsend-utladningen. Når en glødeavgivelse utvikler seg, endres det elektriske feltet betydelig av tilstedeværelsen av positive ioner; feltet er konsentrert nær katoden. Glødeavgivelsen starter som en normal glød. Når strømmen økes, er mer av katodeoverflaten involvert i gløden. Når strømmen økes over nivået der hele katodeoverflaten er involvert, er utladningen kjent som en unormal glød. Hvis strømmen økes ytterligere, spiller andre faktorer inn og en lysbueutladning begynner.
Mekanisme
Den enkleste typen glødeaflading er en glødestrøm med likestrøm . I sin enkleste form består den av to elektroder i en celle holdt ved lavt trykk (0,1–10 torr ; ca. 1/10000 til 1/100 av atmosfærisk trykk). Et lavtrykk brukes til å øke den gjennomsnittlige frie banen ; for et fast elektrisk felt tillater en lengre gjennomsnittsfri vei en ladet partikkel å få mer energi før den kolliderer med en annen partikkel. Cellen er vanligvis fylt med neon, men andre gasser kan også brukes. Et elektrisk potensial på flere hundre volt påføres mellom de to elektrodene. En liten brøkdel av populasjonen av atomer i cellen ioniseres innledningsvis gjennom tilfeldige prosesser, for eksempel termiske kollisjoner mellom atomer eller gammastråler . De positive ionene drives mot katoden av det elektriske potensialet, og elektronene drives mot anoden av det samme potensialet. Den opprinnelige populasjonen av ioner og elektroner kolliderer med andre atomer, spennende eller ioniserende. Så lenge potensialet opprettholdes, forblir en populasjon av ioner og elektroner.
Sekundært utslipp
Noe av ionenes kinetiske energi overføres til katoden. Dette skjer delvis gjennom at ionene treffer katoden direkte. Den primære mekanismen er imidlertid mindre direkte. Ioner rammer de flere tallrike nøytrale gassatomer og overfører en del av energien til dem. Disse nøytrale atomer treffer deretter katoden. Uansett hvilken art (ioner eller atomer) som rammer katoden, fordeler kollisjoner i katoden denne energien, noe som resulterer i at elektroner kastes ut fra katoden. Denne prosessen er kjent som sekundær elektronutslipp. Når det er fritt for katoden, akselererer det elektriske feltet elektroner i hoveddelen av glødeavladningen. Atomer kan da bli begeistret av kollisjoner med ioner, elektroner eller andre atomer som tidligere har blitt begeistret av kollisjoner.
Lettproduksjon
Når atomer er glade, vil de miste energien ganske raskt. Av de forskjellige måtene denne energien kan gå tapt på, er den viktigste strålende, noe som betyr at en foton frigjøres for å føre energien bort. I optisk atomspektroskopi kan bølgelengden til dette fotonet brukes til å bestemme identiteten til atomet (det vil si hvilket kjemisk element det er), og antall fotoner er direkte proporsjonal med konsentrasjonen av det elementet i prøven. Noen kollisjoner (de med høy nok energi) vil føre til ionisering. I atommassespektroskopi , er disse ioner detektert. Massen deres identifiserer atomtypen, og deres mengde avslører mengden av elementet i prøven.
Regioner
Illustrasjonene til høyre viser hovedregionene som kan være til stede i en glødeaflading. Regioner beskrevet som "glød" avgir betydelig lys; regioner merket som "mørke mellomrom" gjør det ikke. Når utslippet blir mer utvidet (dvs. strukket horisontalt i geometrien på illustrasjonene), kan den positive kolonnen bli striated . Det vil si at det kan danne seg vekslende mørke og lyse regioner. Komprimering av utslippet horisontalt vil føre til færre regioner. Den positive kolonnen vil bli komprimert mens den negative gløden vil forbli den samme størrelsen, og med små nok hull vil den positive kolonnen forsvinne helt. I en analytisk glødeaflading er utslippet primært en negativ glød med mørkt område over og under det.
Katodelag
Katodelaget begynner med det mørke rommet i Aston, og slutter med det negative lysområdet. Katodelaget forkortes med økt gasstrykk. Katodelaget har en positiv romladning og et sterkt elektrisk felt.
Aston mørkt rom
Elektroner forlater katoden med en energi på ca 1 eV, som ikke er nok til å ionisere eller eksitere atomer, og etterlate et tynt mørkt lag ved siden av katoden.
Katodeglød
Elektroner fra katoden oppnår til slutt nok energi til å stimulere atomer. Disse eksiterte atomene faller raskt tilbake til bakketilstanden og avgir lys i en bølgelengde som tilsvarer forskjellen mellom energibåndene til atomene. Denne gløden sees veldig nær katoden.
Katode mørkt rom
Når elektroner fra katoden får mer energi, har de en tendens til å ionisere, i stedet for å stimulere atomer. Spente atomer faller raskt tilbake til bakkenivå og avgir lys, men når atomer er ionisert, skilles motsatte ladninger og rekombineres ikke umiddelbart. Dette resulterer i flere ioner og elektroner, men ikke noe lys. Denne regionen kalles noen ganger Crookes mørke rom, og noen ganger referert til som katodefallet , fordi det største spenningsfallet i røret forekommer i denne regionen.
Negativ glød
Ioniseringen i katodens mørke rom resulterer i en høy elektrontetthet, men langsommere elektroner, noe som gjør det lettere for elektronene å rekombinere med positive ioner, noe som fører til intenst lys, gjennom en prosess som kalles bremsstrahlung stråling .
Faradays mørke rom
Ettersom elektronene fortsetter å miste energi, sendes mindre lys ut, noe som resulterer i et annet mørkt rom.
Anodelag
Anodelaget begynner med den positive kolonnen, og slutter ved anoden. Anodelaget har en negativ romladning og et moderat elektrisk felt.
Positiv kolonne
Med færre ioner øker det elektriske feltet, noe som resulterer i elektroner med energi på ca 2 eV, noe som er nok til å stimulere atomer og produsere lys. Med lengre lysutslippsrør opptar lengre plass en lengre positiv kolonne, mens katodelaget forblir det samme. For eksempel, med et neontegn, opptar den positive kolonnen nesten hele rørets lengde.
Anode glød
En økning i elektrisk felt resulterer i anode-glød.
Anode mørkt rom
Færre elektroner resulterer i et annet mørkt rom.
Striasjoner
Bånd av vekslende lys og mørkt i den positive kolonnen kalles striasjoner . Striasjoner oppstår fordi bare diskrete mengder energi kan absorberes eller frigjøres av atomer når elektroner beveger seg fra ett kvantenivå til et annet. Effekten ble forklart av Franck og Hertz i 1914.
Sputring
I tillegg til å forårsake sekundær utslipp, kan positive ioner slå katoden med tilstrekkelig kraft til å kaste ut partikler av materialet som katoden er laget av. Denne prosessen kalles forstøvning og den fjerner gradvis katoden. Sputtering er nyttig når du bruker spektroskopi for å analysere sammensetningen av katoden, slik det gjøres i optisk utslippsspektroskopi med lysutslipp .
Sputring er imidlertid ikke ønskelig når lysutladning brukes til belysning, fordi det forkorter lampens levetid. For eksempel kan neonlys ha hule katoder er utformet for å minimalisere sputtering, og inneholder trekull kontinuerlig å fjerne uønskede ioner og atomer.
Transportgass
I forbindelse med sputtering kalles gassen i røret "bærergass", fordi den bærer partiklene fra katoden.
Fargeforskjell
På grunn av sputtering som forekommer ved katoden, er fargene som sendes ut fra områder nær katoden, ganske forskjellige fra anoden. Partikler som spruttes fra katoden, blir eksitert og avgir stråling fra metallene og oksidene som utgjør katoden. Strålingen fra disse partiklene kombineres med stråling fra eksitert bærergass, noe som gir katodeområdet en hvit eller blå farge, mens i resten av røret er stråling bare fra bærergassen og har en tendens til å være mer monokromatisk.
Elektroner i nærheten av katoden er mindre energiske enn resten av røret. Rundt katoden er et negativt felt som bremser elektronene når de kastes ut fra overflaten. Bare de elektronene med høyeste hastighet er i stand til å unnslippe dette feltet, og de uten nok kinetisk energi blir dratt tilbake i katoden. En gang utenfor det negative feltet begynner tiltrekningen fra det positive feltet å akselerere disse elektronene mot anoden. I løpet av denne akselerasjonen blir elektroner avbøyd og bremset av positive ioner som kjører mot katoden, som i sin tur produserer lysblå-hvit bremsstrålingstråling i det negative lysområdet.
Bruk i analytisk kjemi
Glødeutslipp kan brukes til å analysere den grunnleggende, og noen ganger molekylære, sammensetningen av faste stoffer, væsker og gasser, men elementæranalyse av faste stoffer er den vanligste. I denne ordningen brukes prøven som katode. Som nevnt tidligere slår gassioner og atomer som rammer prøveoverflaten, atomene av den, en prosess kjent som forstøvning.
De forstøvede atomene, nå i gassfasen, kan oppdages ved atomabsorpsjon , men dette er en relativt sjelden strategi. I stedet brukes atomutslipp og massespektrometri vanligvis.
Kollisjoner mellom gassfase prøveatomer og plasmagass overfører energi til prøveatomene. Denne energien kan opphisse atomene, hvoretter de kan miste energien sin ved atomutslipp. Ved å observere bølgelengden til det utsendte lyset kan atomets identitet bestemmes. Ved å observere intensiteten av utslippet kan konsentrasjonen av atomer av den typen bestemmes.
Energi oppnådd ved kollisjoner kan også ionisere prøveatomene. Ionene kan deretter oppdages ved massespektrometri. I dette tilfellet er det massene til ionene som identifiserer elementet og antall ioner som gjenspeiler konsentrasjonen. Denne metoden er referert til som glødutladningsmassespektrometri (GDMS), og den har deteksjonsgrenser ned til sub-ppb-området for de fleste elementer som er nesten matriseuavhengig.
Dybdeanalyse
Både bulk og dybdeanalyse av faste stoffer kan utføres med glødeavgivelse. Bulkanalyse antar at prøven er ganske homogen og gjennomsnittlig utslipps- eller massespektrometrisk signal over tid. Dybdeanalyse er avhengig av å spore signalet i tide, derfor er det samme som å spore elementersammensetningen i dybden.
Dybdeanalyse krever større kontroll over operasjonelle parametere. For eksempel må forhold (strøm, potensial, trykk) justeres slik at krateret som produseres ved sputtering er flat bunn (det vil si slik at dybden som analyseres over kraterområdet er jevn). Ved bulkmåling ville en grov eller avrundet kraterbunn ikke påvirke analysen negativt. Under de beste forhold har dybdeoppløsning i det nanometerområdet blitt oppnådd (faktisk er oppløsning innen molekyl vist).
Kjemien til ioner og nøytraler i vakuum kalles gassfase-ionekemi og er en del av den analytiske studien som inkluderer glødeavladning.
Strømmodus
I analytisk kjemi drives glødeutslipp vanligvis i likestrømsmodus. For likestrøm må katoden (som er prøven i faststoffanalyse) være ledende. I kontrast krever analyse av en ikke-ledende katode bruk av høyfrekvent vekselstrøm.
Potensialet, trykket og strømmen henger sammen. Bare to kan styres direkte samtidig, mens den tredje må få variere. Trykket holdes vanligvis konstant, men andre ordninger kan brukes. Trykk og strøm kan holdes konstant, mens potensialet kan variere. Trykk og spenning kan holdes konstant mens strømmen får variere. Effekten (produktet av spenning og strøm) kan holdes konstant mens trykket får variere.
Glødeavgivelser kan også brukes i radiofrekvens. Bruken av denne frekvensen vil etablere en negativ DC-forspenning på prøveoverflaten. DC-bias er resultatet av en vekselstrøms bølgeform som er sentrert om negativt potensial; som sådan representerer det mer eller mindre det gjennomsnittlige potensialet som ligger på prøveoverflaten. Radiofrekvens har evne til å strømme gjennom isolatorer (ikke-ledende materialer).
Både radiofrekvens- og likestrømsutslipp kan drives i pulsmodus, der potensialet slås på og av. Dette gjør det mulig å påføre høyere øyeblikkelige krefter uten å overopphete katoden. Disse høyere øyeblikkelige kreftene gir høyere øyeblikkelige signaler, noe som hjelper til med deteksjon. Å kombinere tidsoppløst gjenkjenning med pulserende strøm gir ekstra fordeler. Ved atomemisjon emitterer analytatomer ut under forskjellige deler av pulsen enn bakgrunnsatomer, slik at de to kan diskrimineres. Analogt, i massespektrometri, opprettes prøve- og bakgrunnsioner på forskjellige tidspunkter.
Søknad til analog databehandling
En interessant applikasjon for bruk av glødutslipp ble beskrevet i et vitenskapelig papir fra 2002 av Ryes, Ghanem et al. I følge en artikkel om Nature som beskriver arbeidet, demonstrerte forskere ved Imperial College London hvordan de bygde et minikart som lyser langs den korteste ruten mellom to punkter. Nyhetsartikkelen om Nature beskriver systemet som følger:
- For å lage en-tommers London-brikke, laget teamet et plan for sentrum på et glassbilde. Å montere et flatt lokk over toppen gjorde gatene til hule, sammenkoblede rør. De fylte disse med heliumgass, og satte inn elektroder i viktige turistknutepunkter. Når en spenning påføres mellom to punkter, strømmer det naturlig gjennom gatene langs den korteste ruten fra A til B - og gassen lyser som et lite neonstrimmellys.
Selve tilnærmingen gir en ny synlig analog databehandlingsmetode for å løse en bred klasse av labyrint-søkeproblemer basert på egenskapene til å lyse opp av en glødeaflading i en mikrofluidbrikke.
Anvendelse på spenningsregulering
I midten av 1900-tallet, før utviklingen av faststoffkomponenter som Zener-dioder , ble spenningsregulering i kretser ofte oppnådd med spenningsregulatorrør , som brukte lysutladning.
Se også
- Lysbue utslipp
- Elektrisk gnist
- Elektrisk sammenbrudd
- Støt fra statisk elektrisitet
- Vakuumbue
- Røntgenrør
- Fluorescerende lampe , neonlampe og plasmalampe
- Liste over plasma (fysikk) artikler
Referanser
Videre lesning
- S. Flügge, red. (1956). Handbuch der Physik / Encyclopedia of Physics band / volum XXI - Electron-utslipp • gassutslipp jeg . Springer-Verlag .Første kapittel i artikkelen Sekundære effekter av PF Little.
- R. Kenneth Marcus (red.) (1993). Glow Discharge Spectroscopies . Kluwer akademiske forlag (moderne analytisk kjemi). ISBN 978-0-306-44396-1.CS1 maint: ekstra tekst: forfatterliste ( lenke )