글로 방전

Glow discharge
교류로 구동되는 NE-2형 네온 램프
전류에 의한 저압 튜브 내 글로 방전

글로우 방전은 전류가 기체를 통과하여 형성되는 플라즈마입니다.저압 가스를 포함하는 유리 튜브의 두 전극 사이에 전압을 인가하여 생성되는 경우가 많습니다.전압이 타격전압이라고 불리는 값을 넘으면 가스 이온화는 자급자족하게 되고 튜브는 색색의 빛으로 빛납니다.색상은 사용되는 가스에 따라 달라집니다.

글로우 방전은 네온 라이트, 형광등, 플라즈마 스크린 텔레비전과 같은 장치에서 광원으로 사용됩니다.분광학으로 생성된 빛을 분석하는 것은 기체 내의 원자 상호작용에 대한 정보를 밝힐 수 있기 때문에 글로우 방전은 플라즈마 물리학과 분석 화학에 사용된다.그것들은 스패터링이라고 불리는 표면 처리 기술에도 사용된다.

가스 내 전기 전도

2개의 평면 전극이 50cm 떨어져 있는 상태에서 1torr에서 네온 방전의 전압 전류 특성.
A: 우주복사에 의한 랜덤 펄스
B: 포화 전류
C: 아발란치 타운젠드 방전
D: 자급자족 Townsend 방전
E: 불안정한 영역: 코로나 방전
F: 정상 이하의 글로우 방전
G: 정상 글로 방전
H: 이상 글로우 방전 이상
I: 불안정한 영역: 예열 아크 전환
J: 전기 아아크
K: 전기 아아크
A-D 영역: 암방전; 이온화가 발생하고 전류가 10마이크로암페어 미만입니다.
F-H 영역: 글로우 방전, 플라즈마에서 희미한 글로우가 발생합니다.
I-K 영역: 아크 방전, 대량의 방사선 발생.

기체 내 전도에는 전하 캐리어가 필요하며, 전하 캐리어는 전자 또는 이온일 수 있습니다.전하 운반체는 일부 가스 분자를 이온화함으로써 발생합니다.전류 흐름의 관점에서 글로우 방전은 다크 방전 및 아크 방전 사이에 있습니다.

  • 암방전 시에는 자외선이나 우주선 등의 방사선원에 의해 가스가 이온화(캐리어 생성)된다.양극과 음극에 걸쳐 높은 전압에서 자유 캐리어는 충돌 시 추가 캐리어가 자유로워지도록 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 프로세스는 타운센드 눈사태 또는 증배입니다.
  • 글로우 방전에서는 캐리어 생성 프로세스는 음극에서 나오는 평균 전자가 다른 전자가 음극에서 나오는 것을 허용하는 지점에 도달한다.예를 들어, 평균 전자는 타운센드 눈사태를 통해 수십 건의 이온화 충돌을 일으킬 수 있으며, 그 결과 발생하는 양이온은 음극으로 향하며, 음극과의 충돌을 일으키는 일부 전자는 2차 방출에 의해 전자를 제거한다.
  • 아크방전에서는 전자가 열전자방출 및 전계방출에 의해 음극에서 나와 열수단에 [1]의해 가스가 이온화된다.

고장 전압 이하에서는 글로우가 거의 또는 전혀 발생하지 않으며 전계가 균일합니다.전장이 이온화를 일으킬 정도로 증가하면 타운젠드 방전이 시작됩니다.글로우 방전이 발생하면 양이온의 존재에 의해 전장이 상당히 변화합니다. 전장은 음극 근처에 집중됩니다.글로우 방전은 일반 글로우에서 시작됩니다.전류가 증가함에 따라 더 많은 음극 표면이 글로에 관여합니다.전류가 음극 표면 전체가 관여하는 수준 이상으로 증가하면 방전은 이상 글로우라고 불립니다.전류가 더 증가하면 다른 요인이 작용하여 아크 방전이 시작됩니다.[2]

메커니즘

글로우 방전의 가장 단순한 유형은 직류 글로우 방전입니다.가장 단순한 형태에서는 저압(0.1~10 torr, 대기압의 약 1/10000~1/100)으로 유지되는 셀에 있는 두 개의 전극으로 구성됩니다.저압은 평균 자유 경로를 증가시키는 데 사용됩니다. 고정 전계의 경우 평균 자유 경로가 길면 하전 입자가 다른 입자와 충돌하기 전에 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다.셀은 일반적으로 네온으로 채워지지만 다른 가스도 사용될 수 있습니다.두 전극 사이에 수백 볼트의 전위가 인가된다.세포 내 원자 집단의 작은 부분은 원자 간의 열 충돌이나 감마선과 같은 무작위 과정을 통해 초기에 이온화된다.양이온은 전위에 의해 음극으로 이동되고 전자는 같은 전위에 의해 양극으로 이동됩니다.이온과 전자의 초기 집단은 다른 원자와 충돌하여 이들을 들뜨게 하거나 이온화시킵니다.전위가 유지되는 한 이온과 전자의 집단은 남아 있습니다.

이차 배출

이온의 운동 에너지 중 일부는 음극으로 전달됩니다.이는 부분적으로 이온이 음극에 직접 부딪힘으로써 발생합니다.그러나 주요 메커니즘은 덜 직접적이다.이온은 더 많은 중성 가스 원자와 충돌하여 에너지의 일부를 그들에게 전달합니다.이 중성 원자들은 그 다음에 음극에 부딪힌다.어떤 종(이온 또는 원자)이 음극에 충돌하든, 음극 내부의 충돌은 이 에너지를 재분배하여 음극에서 전자를 방출합니다.이 과정을 이차 전자 방출이라고 합니다.일단 음극에서 벗어나면, 전계는 전자를 글로우 방전의 대부분으로 가속시킵니다.원자는 이온, 전자, 또는 이전에 충돌에 의해 들뜬 다른 원자들과 충돌함으로써 들뜨게 될 수 있다.

광생성

일단 흥분하면, 원자는 에너지를 상당히 빨리 잃게 될 것이다.이 에너지가 손실될 수 있는 다양한 방법 중 가장 중요한 것은 방사선으로, 즉 광자가 방출되어 에너지를 운반하는 것입니다.광원자 분광학에서 이 광자의 파장은 원자의 동일성(즉, 어떤 화학 원소인지)을 결정하기 위해 사용될 수 있으며, 광자의 수는 표본 내 해당 원소의 농도에 정비례한다.일부 충돌(충분히 높은 에너지의 충돌)은 이온화를 일으킵니다.원자질량분석에서는 이들 이온이 검출된다.그 질량은 원자의 종류를 나타내며, 그 양은 표본에 포함된 원소의 양을 나타냅니다.

지역

각 영역을 구성하는 글로우 방전 및 그 이름을 나타내는 도표.

오른쪽 그림은 글로우 방전에 존재할 수 있는 주요 영역을 보여줍니다."영광"으로 표시된 영역은 상당한 양의 빛을 방출하지만 "어두운 공간"으로 표시된 영역은 그렇지 않습니다.방전이 더 길어지면(즉, 그림의 형상에서 수평으로 늘어남) 양의 컬럼이 스트라이핑될 수 있습니다.즉, 어두운 영역과 밝은 영역이 번갈아 형성될 수 있습니다.방전을 수평으로 압축하면 부위가 줄어듭니다.양극 열은 압축되고 음의 예열 크기는 그대로 유지되며, 간격이 충분히 작으면 양극 열은 완전히 사라집니다.분석 글로우 방전에서 방전은 주로 음의 글로우이며 그 위와 아래에 어두운 영역이 있다.

음극층

음극층은 Aston 다크 스페이스에서 시작하여 음의 글로우 영역으로 끝납니다.가스 압력이 증가하면 음극층이 짧아집니다.음극층은 양의 공간 전하와 강한 [3][4]전기장을 가지고 있습니다.

애스턴 암흑 공간

전자는 약 1eV의 에너지로 음극에서 나오는데, 이는 원자를 이온화하거나 자극하기에 충분하지 않고 음극 [3]옆에 얇은 어두운 층을 남깁니다.

음극 글로우

음극에서 나오는 전자는 결국 원자를 자극하기에 충분한 에너지를 얻는다.이 들뜬 원자들은 원자의 에너지 밴드 간의 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하면서 빠르게 지면 상태로 돌아갑니다.이 빛은 [3]음극 근처에서 볼 수 있습니다.

음극 암흑 공간

음극에서 나오는 전자가 더 많은 에너지를 얻으면서, 그들은 원자를 자극하기 보다는 이온화하는 경향이 있다.들뜬 원자는 빛을 방출하며 빠르게 지상으로 떨어지지만 원자가 이온화되면 반대 전하가 분리돼 곧바로 재결합하지 않는다.이것은 더 많은 이온과 전자를 발생시키지만 [3]빛은 발생하지 않는다.이 영역은 크룩스 다크 스페이스라고 불리기도 하고, 이 영역에서 튜브의 전압 강하가 가장 크기 때문에 음극 강하라고 불리기도 합니다.

네거티브 글로우

음극 암흑 공간에서의 이온화는 높은 전자 밀도를 가져오지만, 느린 전자들로, 전자들이 양 이온과 재결합하기 쉽게 만들고,[3] 브렘스스트룽 방사라고 불리는 과정을 통해 강렬한 빛을 이끌어 냅니다.

패러데이 암흑 공간

전자가 계속 에너지를 잃으면서 방출되는 빛이 줄어들어 또 다른 어두운 [3]공간이 생긴다.

양극층

양극 계층은 양의 열에서 시작하여 양극에서 끝납니다.양극층은 음의 공간 전하와 적당한 [3]전계를 가지고 있습니다.

[ Positive ]카람

이온이 적으면 전장이 증가하여 약 2eV의 에너지를 가진 전자가 생성되는데, 이는 원자를 흥분시키고 빛을 생성하기에 충분한 양이다.글로우 방전 튜브가 길면 공간이 길어지는 반면 음극층은 그대로 [3]유지됩니다.예를 들어 네온 사인의 경우 양수 열이 튜브의 거의 전체 길이를 차지합니다.

양극 글로우

전계가 증가하면 양극 [3]글로우가 발생합니다.

양극 암흑 공간

더 적은 전자는 또 다른 어두운 [3]공간을 만든다.

스트라이프

양의 열에 번갈아 나타나는 명암 띠를 스트라이프라고 합니다.전자가 한 양자 수준에서 다른 양자 수준으로 이동할 때 원자에 의해 흡수되거나 방출될 수 있는 에너지의 양이 이산적이기 때문에 줄무늬가 발생합니다.그 [5]효과는 1914년에 Franck와 Hertz에 의해 설명되었다.

스퍼터링

주요 기사: 스패터링

2차 방출을 일으킬 뿐만 아니라, 양이온은 음극이 만들어지는 물질의 입자를 배출하기에 충분한 힘으로 음극에 부딪힐 수 있다.이 과정은 스패터링이라고 불리며 점차적으로 음극이 연소됩니다.스패터링은 글로우 방전 광학 발광 [6]분광법에서처럼 스펙트럼법을 사용하여 음극의 구성을 분석할 때 유용합니다.

그러나 글로우 방전을 조명용으로 사용할 경우 램프의 수명이 짧아지기 때문에 스패터링은 바람직하지 않습니다.예를 들어 네온사인은 스패터링을 최소화하도록 설계된 중공 캐소드를 가지고 있으며 불필요한 이온과 [7]원자를 지속적으로 제거하기 위해 숯을 포함하고 있다.

캐리어 가스

스퍼터링의 맥락에서, 튜브 안의 가스는 [6]음극으로부터 입자를 운반하기 때문에 "반송 가스"라고 불립니다.

색차이

캐소드에서는 스패터링이 발생하기 때문에 캐소드 부근에서 방출되는 색상은 애노드와는 상당히 다릅니다.음극에서 스패터된 입자는 흥분하여 음극을 구성하는 금속과 산화물로부터 방사선을 방출합니다.이러한 입자의 방사선은 들뜬 반송 가스의 방사선과 결합하여 음극 영역을 흰색 또는 파란색으로 만드는 반면, 튜브의 나머지 부분에서는 방사선이 반송 가스에서만 발생하며 더 [6]단색인 경향이 있습니다.

음극 근처의 전자는 튜브의 나머지보다 에너지가 덜하다.음극 주변은 음의 장으로 표면에서 방출되는 전자의 속도가 느려집니다.가장 빠른 속도를 가진 전자만이 이 필드를 벗어날 수 있고 충분한 운동 에너지가 없는 전자들은 다시 음극으로 빨려 들어갑니다.일단 음의 필드를 벗어나면, 양의 필드로부터의 인력은 이러한 전자를 양극으로 가속하기 시작합니다.이 가속 중에 전자는 음극을 향해 빠른 양의 이온에 의해 휘어지고 느려지며, 음의 글로우 영역에서 [8]밝은 청백색 브렘스트룽 방사선이 생성됩니다.

분석 화학에 사용

글로우 방전은 고체, 액체 및 기체의 원소, 때로는 분자 조성을 분석하는 데 사용될 수 있지만, 고체의 원소 분석이 가장 일반적입니다.이 배치에서는 시료를 음극으로 사용한다.앞에서 언급했듯이, 가스 이온과 원자가 시료 표면에 충돌하여 원자를 떨어뜨리는 과정을 스패터링이라고 합니다.

현재 기체 상태인 스패터 원자는 원자 흡수에 의해 검출될 수 있지만, 이것은 비교적 드문 전략이다.대신 원자 방출과 질량 분석법이 주로 사용된다.

기상 시료 원자와 플라즈마 가스 간의 충돌은 에너지를 시료 원자에 전달합니다.이 에너지는 원자를 자극할 수 있고, 그 후에 원자 방출을 통해 에너지를 잃을 수 있다.방출된 빛의 파장을 관찰함으로써 원자의 동일성을 판정할 수 있다.발광 강도를 관찰하는 것으로, 그 타입의 원자의 농도를 결정할 수 있다.

충돌을 통해 얻은 에너지는 또한 샘플 원자를 이온화할 수 있다.이온은 질량분석법에 의해 검출될 수 있다.이 경우 원소를 식별하는 이온의 질량과 농도를 반영하는 이온의 수이다.이 방법은 글로우 방전 질량 분석법(GDMS)으로 불리며 매트릭스에 거의 의존하지 않는 대부분의 원소에 대해 검출 한도가 sub-ppb 범위까지 내려갑니다.

깊이 분석

고형물의 부피 및 깊이 해석은 글로우 방전을 통해 수행할 수 있다.벌크 분석에서는 표본이 상당히 균질하다고 가정하고 시간에 따른 방출 또는 질량 분석 신호의 평균을 산출합니다.깊이 분석은 신호의 시간 추적에 의존하기 때문에 요소 구성을 상세하게 추적하는 것과 같습니다.

깊이 분석을 위해서는 작동 매개변수에 대한 더 나은 제어가 필요합니다.예를 들어, 스패터링에 의해 생성된 크레이터가 평평한 바닥이 되도록(즉, 크레이터 영역에 걸쳐 분석된 깊이가 균일하도록) 조건(전류, 전위, 압력)을 조정할 필요가 있다.벌크 측정에서 거칠거나 둥근 크레이터 바닥은 분석에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.최적의 조건에서 단일 나노미터 범위의 깊이 분해능이 달성되었습니다(실제로 분자 내 분해능이 [citation needed]입증되었습니다).

진공에서 이온과 중성자의 화학을 기상 이온 화학이라고 하며 글로 방전을 포함하는 분석 연구의 일부입니다.

전원 모드

DC 전원 네온 램프(음극만 둘러싼 글로우 방전을 나타냄

분석 화학에서 글로 방전은 보통 직류 모드로 작동됩니다.직류의 경우 음극(고형물 분석의 표본)은 전도성이 있어야 합니다.반대로 비전도성 음극의 해석에는 고주파 교류전류가 필요합니다.

전위, 압력 및 전류는 서로 관련되어 있습니다.한 번에 직접 제어할 수 있는 것은 2개뿐이며, 3번째는 변경할 수 있어야 합니다.압력은 일반적으로 일정하게 유지되지만 다른 방식을 사용할 수 있습니다.압력과 전류는 일정하게 유지되지만 전위는 변화할 수 있습니다.전류가 변화하는 동안 압력 및 전압은 일정하게 유지될 수 있습니다.압력이 변화하는 동안 전력(전압 및 전류의 곱)은 일정하게 유지될 수 있습니다.

글로 방전은 무선 주파수로 작동할 수도 있다.이 주파수를 사용하면 샘플 표면에 음의 DC 바이어스 전압이 설정됩니다.DC 바이어스는 음전위를 중심으로 하는 교류 파형의 결과로, 어느 정도 샘플 표면에 존재하는 평균 전위를 나타냅니다.무선 주파수는 절연체(비전도성 물질)를 통과하는 것처럼 보일 수 있습니다.

무선 주파수 및 직류 예열 방전은 모두 전위가 켜지고 꺼지는 펄스 모드로 작동할 수 있습니다.이것에 의해, 캐소드를 과도하게 가열하지 않고, 보다 높은 순간 전력을 적용할 수 있습니다.이러한 높은 순간의 힘은 더 높은 순간의 신호를 생성하여 탐지를 지원합니다.시간 분해능 검출과 펄스 전원을 조합하면 추가적인 이점을 얻을 수 있습니다.원자 방출에서 분석물 원자는 펄스의 다른 부분과 배경 원자를 구별하는 동안 방출된다.마찬가지로 질량분석에서는 시료 이온과 배경 이온이 다른 시간에 생성된다.

아날로그 컴퓨팅에 대한 응용

글로우 방전을 사용하는 흥미로운 응용 프로그램은 Ryes, Ghanem [9]등의 2002년 과학 논문에서 설명되었습니다.이 [10]작품을 설명하는 네이처 뉴스 기사에 따르면, 임페리얼 칼리지 런던의 연구원들은 어떻게 그들이 두 지점 사이의 최단 경로를 따라 빛을 내는 미니 지도를 만들었는지 시연했다.Nature 뉴스 기사에서는 시스템에 대해 다음과 같이 설명합니다.

1인치 크기의 런던 칩을 만들기 위해 연구팀은 유리 슬라이드에 도심의 도면을 새겨 넣었다.맨 위에 평평한 뚜껑을 달면 거리가 텅 빈, 연결된 튜브로 변했습니다.그들은 이것들을 헬륨 가스로 채우고 주요 관광 허브에 전극을 삽입했다.두 지점 사이에 전압이 인가되면, 전기가 자연스럽게 A에서 B로 가는 최단 경로를 따라 거리를 흐르게 되고, 가스는 작은 네온 스트립 빛처럼 빛납니다.

이 접근법 자체는 마이크로 유체 칩의 글로우 방전의 점등 특성에 기초한 광범위한 미로 탐색 문제를 해결하기 위한 새로운 가시적 아날로그 컴퓨팅 접근 방식을 제공합니다.

전압 조절에 적용

작동 중인 5651 전압 조절 튜브

20세기 중반에는 제너 다이오드와 같은 솔리드 스테이트 컴포넌트가 개발되기 전에는 글로 방전을 사용하는 전압 조절 튜브를 사용하여 회로의 전압 조절이 종종 이루어졌습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Fridman, Alexander (2011). Plasma physics and engineering. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1439812280.
  2. ^ V.K.의 전자제품 원리메하타 ISBN 81-219-2450-2
  3. ^ a b c d e f g h i j Fridman, Alexander (2012). Plasma chemistry. Cambridge: Cambridge University Press. p. 177. ISBN 978-1107684935.
  4. ^ Konjevic, N.; Videnovic, I. R.; Kuraica, M. M. (1997). "Emission Spectroscopy of the Cathode Fall Region of an Analytical Glow Discharge". Le Journal de Physique IV. 07 (C4): C4–247–C4–258. doi:10.1051/jp4:1997420. ISSN 1155-4339. Retrieved June 19, 2017.
  5. ^ Csele, Mark (2011). "2.6 The Franck–Hertz Experiment". Fundamentals of Light Sources and Lasers. John Wiley & Sons. pp. 31–36. ISBN 9780471675228.
  6. ^ a b c Mavrodineanu, R. (1984). "Hollow Cathode Discharges - Analytical Applications". Journal of Research of the National Bureau of Standards. 89 (2): 147. doi:10.6028/jres.089.009. ISSN 0160-1741. PMID 34566122.
  7. ^ Claude, Georges (November 1913). "The Development of Neon Tubes". The Engineering Magazine: 271–274. LCCN sn83009124.
  8. ^ Whitaker, Jerry (1999). Power vacuum tubes handbook, Second Edition. Boca Raton: CRC Press. p. 94. ISBN 978-1420049657.
  9. ^ Reyes, D. R.; Ghanem, M. M.; Whitesides, G. M.; Manz, A. (2002). "Glow discharge in microfluidic chips for visible analog computing". Lab on a Chip. ACS. 2 (2): 113–6. doi:10.1039/B200589A. PMID 15100843.
  10. ^ 미니맵은 관광객들에게 네온루트 표지판을 제공한다.http://www.nature.com/news/2002/020527/full/news020520-12.html

추가 정보

  • S. Flügge, ed. (1956). Handbuch der Physik/Encyclopedia of Physics band/volume XXI - Electron-emission • Gas discharges I. Springer-Verlag. 기사 제1장 P.F.에 의한 2차 효과작은.
  • R. Kenneth Marcus, ed. (1993). Glow Discharge Spectroscopies. Kluwer Academic Publishers (Modern Analytical Chemistry). ISBN 978-0-306-44396-1.