Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 9. listopadu, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2012

Nízkoteplotní plazma IV – doutnavý výboj

Josef Khun, Vladimír Scholtz

V předchozím bulletinu této série (24/2012) jsme si popsali základní mechanizmus udržení elektrického výboje, tzv. Townsendovu teorii lavin. V případě popsaného uspořádání a za dalších vhodných podmínek bude mezi oběma elektrodami hořet doutnavý (slovensky tlejivý) výboj.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Střední volná dráha – průměrná vzdálenost mezi srážkami. V plazmatu, kde dochází jen k odklonu nabité částice z původního směru vlivem elektrických sil, chápeme střední volnou dráhu jako takovou vzdálenost, na které se částice v průměru odchýlí od původního směru o 90°. Elektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.

Doutnavý výboj je samostatný typ elektrického výboje vytvářející nízkoteplotní a nerovnovážné plazma (viz AB 22/2012). Je hojně používán například v osvětlovací technice, k analýze materiálů, k povrchové úpravě materiálů, jako prostředek pro depozici tenkých vrstev, k úpravě znečištěných plynů atd. Lze jej typicky vytvořit například v prostoru výbojové trubice, vyplněné zředěným plynem (tlak typicky p ~ 1÷10⁻⁴ Pa), mezi dvěma rovinnými elektrodami (s napětím typicky 100÷1000 V). Typická výbojová trubice má délku deset až několik desítek centimetrů a průměr v jednotkách centimetrů. Doutnavý výboj lze generovat také při vyšších tlacích nebo i při tlaku atmosférickém. Tato konfigurace však není běžná a také chování výboje není zcela „předpisové“. Dále se proto budeme zabývat pouze doutnavým výbojem při nízkém tlaku.

Prvním hlavním procesem pro vytvoření doutnavého výboje je zejména Townsendův průraz [1] pracovního plynu, tj. vytvoření lavinovité ionizace, kdy náhodný elektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.  – nacházející se mezi elektrodami – je urychlen v elektrickém poli, naráží do okolních částic a ionizuje je. Ionizací dochází ke vzniku nového volného elektronu a kladného iontu. Volné elektrony postupují k anodě (kladné elektrodě) a při dalších srážkách mohou opět ionizovat neutrální částice, čímž vzniká tzv. elektronová lavina. Vzniklé kladné ionty postupují naopak ke katodě (záporné elektrodě) a narážejí do ní. Podmínkou pro udržení samostatného výboje je, aby ionty dopadající na katodu měly dostatečnou energii k sekundární emisi elektronů z katody. Jelikož je hmotnost iontů několik tisíc násobně větší a pohybem v elektrickém poli získávají na dané trajektorii ionty stejnou energii jako volné elektrony (platí pro jedenkrát ionizované částice plynu), vzroste jejich rychlost (a tedy teplota) v porovnání s elektrony pouze nepatrně. Ionty budou mít oproti elektronům prakticky teplotu okolí, a tudíž teplota katody při bombardování ionty zůstane téměř nezměněná (hovoříme o tzv. chladné katodě).

Zápalné napětí potřebné pro dosažení samostatného doutnavého výboje závisí na použitém plynu a jeho tlaku. Důležité je, aby elektron urychlovaný elektrickým polem získal od vnějšího elektrického pole dostatečnou kinetickou energii k srážkové ionizaci neutrálních atomů a molekul. Uvažujme případ z [1] a přiveďme mezi elektrody (vzdálené o d) stejnosměrné napětí U. Volné elektrony začnou být urychlovány vzniklým elektrickým polem. Průměrnou dráhu, kterou urazí, než se srazí s neutrálním atomem nebo molekulou, nazveme střední volnou dráhouStřední volná dráha – průměrná vzdálenost mezi srážkami. V plazmatu, kde dochází jen k odklonu nabité částice z původního směru vlivem elektrických sil, chápeme střední volnou dráhu jako takovou vzdálenost, na které se částice v průměru odchýlí od původního směru o 90°. λ. Elektrické pole dodá elektronům mezi dvěma srážkami kinetickou energii E_K = F∙λ = qUλ/d (podrobnosti naleznete v každé učebnici fyziky). Pokud je tato energie vyšší než energie potřebná k ionizaci neutrálního atomu nebo molekuly, může k ionizaci při vzájemné srážce dojít. Jak vidíme, tuto energii můžeme zvyšovat zvětšením napětí U, přiblížením elektrod nebo prodloužením střední volné dráhy, tj. snížením tlaku plynu (atomy a molekuly plynu budou dále od sebe a tudíž se sníží šance elektronu, že se s některou srazí).

Mějme tedy pevně danou aparaturu a zvyšujme napětí U. Při dosažení zápalného napětí se objevuje nejprve v blízkosti anody slabé světélkování. Lavina elektronů, šířící se od katody k anodě, má totiž u anody nejvíce elektronů a dochází zde k největšímu počtu srážek elektronů s atomyAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. a molekulami plynu, které mohou tyto částice excitovat. Právě tyto excitované částice pak při zpětné deexcitaci vyzařují fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. na typických vlnových délkách [3]. Při dalším zvyšování napětí vzrůstá počet i energie volných elektronů a světélkování se rozšíří přes celý prostor až k blízkosti katody. Při dalším zvýšení napětí dochází mezi elektrodami k vytvoření prostorových nábojů a formaci charakteristických oblastí doutnavého výboje – katodové vrstvy (Obr. 1 – oblasti A až E), kladného sloupce (Obr. 1 – oblast F) a anodové vrstvy (Obr. 1 – oblasti G a H). Jak katodová tak anodová vrstva jsou podél trubice dále rozděleny na posloupnost temných a zářících oblastí s různou intenzitou. Tyto oblasti jsou dobře rozlišitelné zejména za malých tlaků, jelikož rozměr oblastí je obvykle úměrný střední volné dráze elektronů, která je dále nepřímo úměrná tlaku plynu.

Obr. 1: Charakteristické oblasti doutnavého výboje, rozložení intenzity světla,
intenzity elektrického pole a potenciálu. Převzato a upraveno z [5].

Základní vrstvy doutnavého výboje

Katodová vrstva

Pro udržení samostatného doutnavého výboje je důležitý dopad kladných iontů na katodu, a tím způsobená emise volných elektronů. Bezprostředně u katody mají tyto elektrony ještě nízkou kinetickou energii (cca 1 eV) pro excitování částic plynu. Tato vrstva je proto temná (nezáří) a je známá jako Astonův temný prostor (Obr. 1, oblast A). Dále následuje relativně tenká vrstva katodového doutnavého světla (Obr. 1, oblast B), která je způsobena excitací částic plynu elektrony, které po vyražení z katody a průchodu Astonovým temným prostorem již získaly v elektrickém poli dostatečnou kinetickou energii k excitaci neutrálních atomů a molekul. Dalším postupem získávají elektrony dostatečnou energii i k ionizacím a vzniku volných elektronů mechanismem Townsendových lavin, které začnou převažovat na úkor excitací, až ionizace převládne a intenzita vyzařování klesá. Proto dál následuje katodový temný prostor (tzv. Crookesův prostor) (Obr. 1, oblast C). Tomuto prostoru odpovídá nízká úroveň intenzity vyzařování, podstatné zvětšování počtu elektronů a pokles počtu kladných iontů podél této vrstvy směrem k anodě (v porovnání s Astonovým temným prostorem a katodovým doutnavým světlem). Na konci katodového temného prostoru již vygenerované kladné ionty a záporné elektrony vytvoří lokální elektrické pole opačného směru, než je elektrické pole vnější. To má za následek další pokles velikosti výsledného elektrické pole. Volné elektrony již nemusí získat dostatečnou kinetickou energii k ionizaci, které tím pozvolna ubývá, opět začne přibývat pouze excitací a vytváří se vrstva záporného doutnavého světla (Obr. 1, oblast D) ostře ohraničeného od katodového temného prostoru. Kvůli excitacím a ionizacím se však snižuje ve směru k anodě kinetická energie elektronů, kterou již nízké elektrické pole nedokáže udržet. Intenzita záření této vrstvy klesá a prostor záporného doutnavého světla postupně, směrem k anodě, přechází do Faradayova temného prostoru (Obr. 1, oblast E).

Kladný sloupec

Po úplném vymizení ionizací už není vnější elektrické pole stíněno elektrickým polem nově generovaných párů elektron – kladný iont a volné elektrony při svém pohybu k anodě opět získávají kinetickou energii, excitují okolní atomy a molekuly a vzniká nová vrstva, tzv. kladného sloupce (Obr. 1, oblast F), která pokračuje až k anodě. Excitační procesy jsou zde způsobené elektrony s energií mezi 1 a 2 eV. Za nízkého tlaku se ještě můžou v kladném sloupci periodicky opakovat tmavší a světlejší oblasti. V temnější oblasti převažují pomalé elektrony, které ještě nemají dostatečnou energii k excitaci. Tyto jsou dále urychlovány a při dosažení potřebné energie začnou excitovat okolní plyn, oblast se stává jasnější. Elektrony opět přicházejí o svoji energii a oblast opět přechází v temnější.

Anodová vrstva

Někdy může mezi kladným sloupcem a anodou vznikat malá oblast anodové vrstvy. Úplná teorie plně popisující mechanizmy kladného sloupce a anodové vrstvy zatím nebyla formulována [4].

Obr. 2: Fotografie doutnavého výboje s viditelnými typickými vrstvami [6].

Shrnutí

Při nízkém napětí je v celém prostoru mezi elektrodami veden proud volnými elektrony a kladnými ionty generovanými Townsendovým mechanizmem. Elektrony mají u anody největší kinetickou energii, a proto dochází k ionizacím a excitacím převážně v této oblasti. Dá se říci, že v tomto případě se u katody nachází Astonův temný prostor a blíže k anodě katodové doutnavé světlo. Dalším zvyšováním napětí se tyto vrstvy postupně přibližují ke katodě a začínají se tvořit ostatní popsané oblasti doutnavého výboje. Je zajímavé, že kdybychom v případě už plně zformovaného doutnavého výboje zvětšovali vzdálenost elektrod a mírně zvyšovali napětí potřebné k udržení kladného sloupce (přibližně 1 V na každý cm prodloužení), budou rozměry katodových oblastí beze změny. Ty totiž závisí na materiálu katody a použitém plynu. Prodlužovat se bude pouze délka kladného svítícího sloupce. Právě tato vlastnost kladného sloupce je využívána v osvětlovací technice pro různé „neonové“, dlouhé a pokroucené světelné reklamy.

Obr. 3: Doutnavý výboj v dlouhé výbojové trubici naplněné neonem, kde je světelný
efekt tvořen kladným sloupcem výboje [7].

Článok vznikol s podporou grantu ČVUT SGS10/266/OHK3/3T/13

Odkazy