Glimmentladung

Die einfachste Art der Glimmentladung ist eine Gleichstrom-Glimmentladung. In seiner einfachsten Form besteht es aus zwei Elektroden in einer Zelle, die bei niedrigem Druck gehalten wird (0,1–10 Torr; etwa 1/10000 bis 1/100 Atmosphärendruck). Bei einem festen elektrischen Feld ermöglicht ein längerer mittlerer freier Weg einem geladenen Teilchen, mehr Energie zu gewinnen, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert. Die Zelle ist typischerweise mit Neon gefüllt, es können aber auch andere Gase verwendet werden. Zwischen den beiden Elektroden liegt ein elektrisches Potential von mehreren hundert Volt an. Ein kleiner Teil der Population von Atomen innerhalb der Zelle wird zunächst durch zufällige Prozesse ionisiert, wie thermische Kollisionen zwischen Atomen oder durch Gammastrahlen. Die positiven Ionen werden durch das elektrische Potential zur Kathode und die Elektronen durch das gleiche Potential zur Anode getrieben. Die anfängliche Population von Ionen und Elektronen kollidiert mit anderen Atomen und regt sie an oder ionisiert sie. Solange das Potential erhalten bleibt, verbleibt eine Population von Ionen und Elektronen.

Sekundäremissionbearbeiten

Ein Teil der kinetischen Energie der Ionen wird auf die Kathode übertragen. Dies geschieht teilweise durch die Ionen, die direkt auf die Kathode treffen. Der primäre Mechanismus ist jedoch weniger direkt. Ionen treffen auf die zahlreicheren neutralen Gasatome und übertragen einen Teil ihrer Energie auf sie. Diese neutralen Atome treffen dann auf die Kathode. Welche Spezies (Ionen oder Atome) auch immer auf die Kathode treffen, Kollisionen innerhalb der Kathode verteilen diese Energie neu, was dazu führt, dass Elektronen aus der Kathode ausgestoßen werden. Dieser Vorgang wird als Sekundärelektronenemission bezeichnet. Einmal frei von der Kathode, beschleunigt das elektrische Feld Elektronen in den Großteil der Glimmentladung. Atome können dann durch Kollisionen mit Ionen, Elektronen oder anderen Atomen angeregt werden, die zuvor durch Kollisionen angeregt wurden.

Lichtproduktionbearbeiten

Sobald Atome angeregt werden, verlieren sie ihre Energie ziemlich schnell. Von den verschiedenen Möglichkeiten, wie diese Energie verloren gehen kann, ist die wichtigste strahlend, was bedeutet, dass ein Photon freigesetzt wird, um die Energie wegzutragen. In der optischen Atomspektroskopie kann die Wellenlänge dieses Photons verwendet werden, um die Identität des Atoms (dh welches chemische Element es ist) zu bestimmen, und die Anzahl der Photonen ist direkt proportional zur Konzentration dieses Elements in der Probe. Einige Kollisionen (solche mit ausreichend hoher Energie) verursachen Ionisation. In der atomaren Massenspektrometrie werden diese Ionen nachgewiesen. Ihre Masse identifiziert die Art der Atome und ihre Menge zeigt die Menge dieses Elements in der Probe.

RegionsEdit

Die Abbildungen rechts zeigen die Hauptbereiche, die in einer Glimmentladung vorhanden sein können. Regionen, die als „Glühen“ beschrieben werden, emittieren signifikantes Licht; Regionen, die als „dunkle Räume“ bezeichnet werden, nicht. Wenn die Entladung ausgedehnter wird (d. h. horizontal in der Geometrie der Abbildungen gestreckt wird), kann die positive Säule gestreift werden. Das heißt, es können sich abwechselnd dunkle und helle Bereiche bilden. Eine horizontale Komprimierung der Entladung führt zu weniger Regionen. Die positive Spalte wird komprimiert, während die negative Spalte die gleiche Größe behält, und bei ausreichend kleinen Lücken verschwindet die positive Spalte vollständig. Bei einer analytischen Glimmentladung ist die Entladung primär ein negatives Glühen mit dunklem Bereich darüber und darunter.

Kathodenschichtedit

Die Kathodenschicht beginnt mit dem Aston-Dunkelraum und endet mit dem negativen Glühbereich. Die Kathodenschicht verkürzt sich mit erhöhtem Gasdruck. Die Kathodenschicht hat eine positive Raumladung und ein starkes elektrisches Feld.

Aston Dark spaceEdit

Elektronen verlassen die Kathode mit einer Energie von etwa 1 eV, was nicht ausreicht, um Atome zu ionisieren oder anzuregen, und hinterlassen eine dünne dunkle Schicht neben der Kathode.

Kathodenglühen

Elektronen aus der Kathode erreichen schließlich genug Energie, um Atome anzuregen. Diese angeregten Atome fallen schnell in den Grundzustand zurück und emittieren Licht mit einer Wellenlänge, die der Differenz zwischen den Energiebändern der Atome entspricht. Dieses Leuchten ist sehr nahe an der Kathode zu sehen.

Kathode dunkler RaumBearbeiten

Da Elektronen aus der Kathode mehr Energie gewinnen, neigen sie eher zur Ionisierung als zur Anregung von Atomen. Angeregte Atome fallen schnell auf Bodenhöhe zurück, emittieren Licht, aber wenn Atome ionisiert werden, werden die entgegengesetzten Ladungen getrennt und rekombinieren nicht sofort. Dies führt zu mehr Ionen und Elektronen, aber kein Licht. Dieser Bereich wird manchmal als Crookes-Dunkelraum bezeichnet und manchmal als Kathodenfall bezeichnet, da in diesem Bereich der größte Spannungsabfall in der Röhre auftritt.

Negatives Glühen

Die Ionisation im dunklen Kathodenraum führt zu einer hohen Elektronendichte, aber langsameren Elektronen, was es den Elektronen erleichtert, sich mit positiven Ionen zu rekombinieren, was zu intensivem Licht führt, durch einen Prozess namens Bremsstrahlungsstrahlung.

Faradayscher dunkler RaumBearbeiten

Da die Elektronen weiter Energie verlieren, wird weniger Licht emittiert, was zu einem weiteren dunklen Raum führt.

Anodenschichtredit

Die Anodenschicht beginnt mit der positiven Säule und endet an der Anode. Die Anodenschicht hat eine negative Raumladung und ein moderates elektrisches Feld.

Positive Säulebearbeiten

Mit weniger Ionen nimmt das elektrische Feld zu, was zu Elektronen mit einer Energie von etwa 2 eV führt, die ausreicht, um Atome anzuregen und Licht zu erzeugen. Bei längeren Glimmentladungsröhren wird der längere Raum von einer längeren positiven Säule eingenommen, während die Kathodenschicht gleich bleibt. Bei einer Leuchtreklame beispielsweise nimmt die positive Säule fast die gesamte Länge der Röhre ein.

Anodenglühen

Ein Anstieg des elektrischen Feldes führt zu einem Glühen der Anode.

Anode dunkler RaumBearbeiten

Weniger Elektronen führen zu einem anderen dunklen Raum.

Streifenbearbeiten

Streifen, die abwechselnd hell und dunkel in der positiven Spalte sind, werden als Streifen bezeichnet. Streifen treten auf, weil nur diskrete Energiemengen von Atomen absorbiert oder freigesetzt werden können, wenn sich Elektronen von einer Quantenebene zur anderen bewegen. Der Effekt wurde 1914 von Franck und Hertz erklärt.

SputteringEdit

Zusätzlich zur Sekundäremission können positive Ionen mit ausreichender Kraft auf die Kathode treffen, um Partikel des Materials auszustoßen, aus dem die Kathode besteht. Dieser Prozess wird Sputtern genannt und es wird allmählich die Kathode abgetragen. Sputtern ist nützlich, wenn Spektroskopie verwendet wird, um die Zusammensetzung der Kathode zu analysieren, wie es bei der optischen Emissionsspektroskopie mit Glimmentladung der Fall ist.

Sputtern ist jedoch nicht wünschenswert, wenn eine Glimmentladung zur Beleuchtung verwendet wird, da dies die Lebensdauer der Lampe verkürzt. Leuchtreklamen haben beispielsweise Hohlkathoden, die das Sputtern minimieren sollen, und enthalten Holzkohle, um unerwünschte Ionen und Atome kontinuierlich zu entfernen.

Trägergasedit

Im Zusammenhang mit dem Sputtern wird das Gas in der Röhre als „Trägergas“ bezeichnet, da es die Partikel von der Kathode trägt.

Farbdifferenzbearbeiten

Aufgrund des an der Kathode auftretenden Sputterns unterscheiden sich die Farben, die von Bereichen in der Nähe der Kathode emittiert werden, stark von der Anode. Partikel, die von der Kathode gesputtert werden, werden angeregt und emittieren Strahlung von den Metallen und Oxiden, aus denen die Kathode besteht. Die Strahlung dieser Partikel verbindet sich mit der Strahlung des angeregten Trägergases, wodurch der Kathodenbereich eine weiße oder blaue Farbe erhält, während im Rest der Röhre die Strahlung nur vom Trägergas stammt und dazu neigt, monochromatischer zu sein.

Elektronen in der Nähe der Kathode sind weniger energiereich als der Rest der Röhre. Um die Kathode herum befindet sich ein negatives Feld, das Elektronen verlangsamt, wenn sie von der Oberfläche ausgestoßen werden. Nur die Elektronen mit der höchsten Geschwindigkeit können diesem Feld entkommen, und diejenigen ohne genügend kinetische Energie werden in die Kathode zurückgezogen. Außerhalb des negativen Feldes beginnt die Anziehung vom positiven Feld, diese Elektronen zur Anode zu beschleunigen. Während dieser Beschleunigung werden Elektronen abgelenkt und verlangsamt, indem positive Ionen in Richtung Kathode rasen, was wiederum im negativen Glühbereich eine helle blau-weiße Bremsstrahlungsstrahlung erzeugt.