Mirdzizlāde

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search
Mirdzizlāde retinātā gāzē

Mirdzizlāde ir viens no vājstrāvas elektriskās izlādes veidiem, kas norisinās mēreni retinātās gāzēs. Palielinoties strāvai, mirdzizlāde parasti pāriet lokizlādē. Samazinot gāzes spiedienu līdz dažiem desmitiem mTorr, pieaug jonu brīvā noskrējiena garums, bet samazinās to koncentrācija; tad izlādes apgabals sadalās atsevišķos fragmentos izlādes caurules garumā (stratās). Pie μTorr liela spiediena brīvā noskrējiena garums pārsniedz caurules garumu, un novēro tikai nelielu caurules sieniņu veidojošo atomu emisiju.[1]

Atšķirībā no nestacionārām impulsveida izlādēm gāzēs, mirdzizlādes galvenie parametri maz mainās laikā. Lai arī mirdzizlāde starp citiem izlādes veidiem izceļas ar to, ka tā notiek pie ļoti zemām elektriskā lauka intensitātēm, uzliktais spriegums tiek mērīts kilovoltos; taču pati mirdzizlāde notiek apgabalos ar mazu potenciāla gradientu.[1]

Izplatītākais mirdzizlādes piemērs ir neona lampiņas un dienasgaismas spuldzes spīdēšana.

Mirdzizlādes rašanās[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mirdzizlāde gāzizlādes stabilitronā OD3/VR150 (skats no stikla balona gala). Mirdzizlāde novērojama caur atverēm vizlas plāksnītē, kas nostiprina elektrodus.

Izraisot mirdzizlādi garā caurulē, kuras galos iemontēti elektrodi un kurā iepildīta retināta gāze (ar spiedienu daži desmiti mm Hg), var novērot caurules spīdēšanu gandrīz visā garumā. Elektriskā lauka intensitātei starp elektrodiem jābūt vairākiem tūkstošiem voltu uz metru. Mirdzizlādei šādā caurulē ir visai sarežģīta struktūra, taču galvenās tās daļas ir tumšs apgabals katoda tuvumā (to sauc par katoda tumšo telpu) un spīdoša zona, kas sniedzas gandrīz līdz anodam un ko sauc par pozitīvo stabu. Gandrīz visa gaisma, ko dod mirdzizlāde, nāk no pozitīvā staba, turklāt gaismas krāsa atkarīga no iepildītās gāzes vai gāzu maisījuma veida (piemēram, neonam - oranžsarkana, argonam - zilganzaļa). Rodoties mirdzizlādei, notiek gāzes spēcīga jonizācija un tā kļūst par plazmu — labu strāvas vadītāju. Jonizācija rodas, elektriskajā laukā paātrinātiem elektroniem saduroties ar gāzes molekulām. Radušies pozitīvie joni kustas uz katodu un, ietriecoties tajā, rada elektronu sekundāro emisiju.

Mirdzizlādes struktūras apraksts[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mirdzizlādes uzbūve gāzes izlādes caurulē (Kruksa caurulē). *Anods (A) un katods (C) galos *Astona tumšā telpa (AsD) *Katoda spīdēšana (CG) *Katoda tumšā telpa (saukta arī par Kruksa vai Hitorfa tumšo telpu; CD) *Negatīvā spīdēšana (pati mirdzizlāde; NG) *Faradeja tumšā telpa (FD) *Positīvais stabs (PC) *Anoda spīdēšana (pozitīvā spīdēšana; AG) *Anoda tumšā telpa (AnD)

Mazās lauka intensitātes apgabals veidojas katoda tuvumā, kur aptuveni vienādā un visai ievērojamā koncentrācijā ir gan no katoda kustošajiem elektroniem, gan pretēja virzienā kustošajiem katjoniem. Lādiņu aptuvenā kompensēšanās arī ir cēlonis mazajai lauka intensitātei; šī apgabala atrašanos katoda tuvumā nosaka jau pieminētais fakts, ka elektroniem pie vienāda paātrinošā sprieguma U ir daudz lielāks kustības ātrums nekā daudz smagākiem katjoniem. Tas nozīmē, ka elektroni jau pēc visai neilga lidojuma no katoda virsmas sasniedz ātrumus, kas ļauj veikt triecienjonizāciju, radot lielu daudzumu lēni kustošo katjonu. Tie savukārt nosaka šī apgabala pozitīvu potenciālu, un potenciāla kritums ar negatīvā potenciāla katodu tādēļ gandrīz viss atrodas starp mirdzošās izlādes telpu un katoda virsmu. Elektronu emisiju no katoda izraisa gan triecienjonizācija no smagajiem, lielās intensitātes laukā paātrinātajiem katjoniem, gan arī ārējais fotoefekts mirdzizlādes starojuma iedarbībā. Paātrinoties elektroni sākumā iegūst enerģiju, kas pietiekama tikai atomu ierosināšanai (katoda spīdošais slānītis rodas šo atomu fluorescences dēļ). Tālāk, Kruksa tumšajā telpā, lielā elektronu ātruma dēļ notiek jau pārsvarā jonizācija, kurā rodas lielākais daudzums katjonu un elektronu. Vienlaicīgi ātrie elektroni zaudē kinētisko enerģiju, un rodas apgabals, kurā ir daudz gan tikko radīto pozitīvo jonu, gan arī brīvo elektronu, kas tikko izsisti no atomiem un ieguvuši tikai ļoti mazu vai nekādu papildu kinētisko enerģiju, vai arī tikko izsituši elektronus no atomiem un gandrīz vai pavisam zaudējuši savu enerģiju. Tādēļ šajā apgabalā var izdevīgi notikt jonu rekombinācija, kas arī rada mirdzizlādi. Tā kā rekombinācija, būdama jonizācijai pretējs process, arī notiek tikai ar elektronu līmeņiem atbilstošo gaismas kvantu izstarošanu, mirdzizlādes spektrs ir atkarīgs no tā, kādas daļiņas (joni) ir sastopami izlādes apgabala plazmā, respektīvi, gāzes fāzē starp katodu un anodu. Tālāk, Faradeja tumšajā telpā, lādētās daļiņas nonāk tikai difūzijas ceļā (jo mirdzizlādes telpā praktiski nav potenciāla starpības). Toties Faradeja telpā šī starpība jau parādās, jo ātrāk difundējošie elektroni rada lokālu drusku negatīvāku potenciālu, kam pretī tālumā ir pozitīvais anoda potenciāls. Tāpēc elektroni sāk paātrināties atkal, un telpas daļu, kad tie sasniedz atomu ierosināšanai un (tālāk) jonizēšanai nepieciešamo enerģiju, sauc par pozitīvo stabu. Šī staba ietvaros relatīvi nedaudzie no mirdzizlādes telpas izkļuvušie elektroni jonizē vai ierosina sastaptos atomus; tādējādi šie procesi ir sekundāri un var notikt tik ilgā ceļa posmā, cik atliek līdz anoda telpai. Tādēļ staba garums ir atkarīgs no attāluma starp katodu un anodu. Pētījumi rāda, ka, tuvinot anodu Faradeja tumšajai telpai, mirdzošā izlāde saglabājas, bet, aizbīdot to līdz Kruksa telpai, mirdzošā izlāde zūd.[2]

Mirdzizlāde atmosfēras spiedienā[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mirdzizlāde atmosfēras spiedienā pie šķidrā elektroda. Ierosinošā dzirksteļizlāde rada jonus, kuri bombardē šķidro katodu (H) un izšļaksta elektrolītu starpelektrodu telpā. Triecienjonizācijas rezultātā Kruksa tumšajā telpā (F) nokļūst no elektrolīta virsmas sekundārie elektroni un katjoni, kas vai nu rekombinē pie katoda virsmas (G), vai arī kustas gar elektriskā lauka spēka līnijām uz anodu, pamazām zaudējot ātrumu sadursmju ceļā. Gan joni, gan elektroni mirdzizlādes negatīvajā telpā (D) kustas lēni, jo te elektriskā potenciāla gradients ir ļoti mazs, kādēļ tie var rekombinēt un rodas mirdzizlāde. Tālāk anoda (J) virzienā lauka intensitāte pieaug un atsākas triecienjonizācija — tā ir Faradeja tumšā telpa (C). Pozitīvā staba (B) telpā lādiņnesēju koncentrācija un lauka gradients nav lieli, bet laiku pa laikam notiek jonizācija un rekombinācija, kas arī izraisa spīdēšanu. Tā kā pie paša anoda elektronu koncentrācija ir zema salīdzinoši ar katjonu koncentrāciju, potenciāla gradients atkal pieaug, un parādās anoda izlāde (A). Sarkanā līkne parāda elektriskā potenciāla (U) izmaiņas, zaļā — elektriskā lauka intensitātes (E) izmaiņas. Attēls balstās uz diviem avotiem.[2][3]

Palielinoties gāzes spiedienam, intensīva elektrodu bombardēšana var novest pie termoelektronu emisijas, kādēļ radīsies lavīnizlāžu kanāli un sāksies lokizlāde (vai koronas izlāde).[2] Taču 1993. gadā T. Cerfalvi (Cserfalvi) un P. Mezejs (Mezei) ar līdzstrādniekiem parādīja, ka, izmantojot par katodu elektrolīta šķīdumu un ne īpaši lielu spriegumu, arī atmosfēras spiedienā kanāli nav raksturīgi un pie pietiekama attāluma starp elektrodiem veidojas stabila mirdzizlāde (mirdzizlāde atmosfēras spiedienā, angļu APGD – atmospheric-pressure glow discharge).[4][3] Galveno lomu šeit spēlē tas, ka, bombardējot katodu ar katjoniem, no tā virsmas tiek izsistas sīkas šļakatas un pilieni, kas tālāk iztvaiko izlādes telpā un piepilda to ar šķīdinātāja (ūdens) piesātināto tvaiku. Tā kā katoda virsma tiek visu laiku atjaunota (praksē bez konvekcijas nodrošina arī mehāniski radītu plūsmu), uz tās neveidojas izciļņi, kādēļ strīmeru rašanās nav varbūtīga. Vienā no praksē lietotajām metodēm – ELCAD (angļu ELectrolyte CAthode Discharge, izlāde uz elektrolīta katoda) – katodu veido vertikāla pārteces caurule (visbiežāk no parastā vai kvarca stikla); citā – LS-APGD (angļu liquid-sampling APGD, mirdzizlāde atmosfēras spiedienā ar šķidruma iztvēršanu) – anali­zējamo šķīdumu izsmidzina [parasti] hori­zontāli no kapilāra pret metāla anodu. Lielās ūdens tvaiku koncentrācijas dēļ process ir vai nu jārealizē atvērtā sistēmā, vai nu izlādes nodalījumam visu laiku jālaiž cauri dzesējošā/vēdinošā gāze. Skaidrs, ka šīs izlādes temperatūra ir visai neliela, sakarā ar ko arī jonizācijas pakāpe parasti ir 10–20 %.[3] Lai nepieļautu izlādes pāreju par lokizlādi, ķēdē anoda pusē ieslēdz lielu balasta pretestību (virs 1 kΩ).[5]

ELCAD tiek ierosināts, izlaižot starp elek­tro­diem īsu dzirksteli (t.i., pie liela sprieguma) vai īslaicīgi satuvinot elektrodus. Izlādes pro­cess ir aptuveni tāds pats kā metāla katoda ga­dī­jumā; taču procesā iesaistītie katjoni pār­sva­rā ir H2O+ un HO+, iespējams, arī O+. Joni­zā­ci­jā iesaistās arī gaisa molekulas, pārsvarā N2 un O2; ir noteikts, ka Ar un He izlādē nepiedalās, jo to jonizēšanai nepieciešama ievērojami aug­stā­ka enerģija. Tā kā Kruksa tumšajā telpā ir lie­la katjonu koncentrācija, metālu joni, kas no­nāk tur no šķīduma šļakatu pilienos, nespēj pār­varēt pozitīvo potenciālu un difundē uz ka­to­da mirdzošās spīdēšanas telpu (KMST) tikai pēc rekombinācijas ar lēnajiem elektroniem. KMST tos ierosina jau ātrāk kustošie elek­tro­ni, kas kustas anoda virzienā. Šis mehānisms gan vēl nav viennozīmīgi atzīts zinātnieku vi­dū. Līdzīgi procesi notiek arī LS-APGD gadī­ju­mā. Šī paveida mirdzizlādes iekārtas parasti tiek savienotas ar masspektrometru jonu tā­lākai analīzei.[3]

Mirdzizlādes parādības izmantošana[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Mirdzizlādes lampas, tā saucamās dienasgaismas spuldzes, ko sauc arī par ekonomiskajām spuldzēm vai luminiscentajām lampām, plaši izmanto apgaismošanā. Šādās lampās mirdzizlāde tiek izraisīta dzīvsudraba tvaikos pie neliela vakuuma (ap 0,2 % no atmosfēras spiediena), kas rada intensīvu ultravioleto starojumu. UV starojums ierosina luminoforu, ar ko no iekšpuses pārklātas lampas sieniņas un tas spīd acij patīkamā baltā gaismā. Mirdzizlādes lampas ir daudz ekonomiskākas par kvēlspuldzēm.

Ar inertām gāzēm pildītas tievu caurulīšu veida lampas izmanto dekoratīviem un informatīviem mērķiem.

Mirdzizlādi izmanto arī gāzu lāzeros un dažādās elektronu lampās un gāzu elektroierīcēs (gāzizlādes stabilitronos, tiratronos). Cits pielietojuma veids ir klasiskā gāzveida paraugu analīzē – gāzizlādes caurules, kā arī modernā — atmosfēras spiedienā.[6]

Literatūra[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. 1,0 1,1 Г. А. Зисман, О. М. Тодес. Курс общей физики 2. Москва : Наука, 1972. 154–168. lpp.
  2. 2,0 2,1 2,2 Jānis Platacis. Elektrība. Rīga : Zvaigzne, 1974. 234–256. lpp.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Jamroz, Piotr; Greda, Krzysztof; Pohl, Pawel (2012). "Development of direct-current, atmospheric-pressure, glow discharges generated in contact with flowing electrolyte solutions for elemental analysis by optical emission spectrometry". TrAC Trends in Analytical Chemistry 41: 105–121. doi:10.1016/j.trac.2012.09.002.
  4. Lu, Q.; Yang, S.; Sun, D.; Zheng, J.; Li, Y.; Yu, J.; Su, M. (2016). Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 125: 136–139.
  5. Yu, J.; Zhang, X.; Lu, Q.; Wang, X.; Sun, D.; Wang, Y.; Yang, W. (2017). Talanta 175: 150–157.
  6. Владимир Константинович Прокофьев. «Раздел I: Эмиссионный спектральный анализ». In Г. С. Гольденберг. Методы спектрального анализа. Москва : Издательство МГУ, 1962. 21–59. lpp.