Gloeiontlading

het eenvoudigste type gloeiontlading is een gloeiontlading met gelijkstroom. In zijn eenvoudigste vorm bestaat het uit twee elektroden in een cel die bij lage druk wordt gehouden (0,1-10 torr; ongeveer 1 / 10000e tot 1 / 100e van de atmosferische druk). Een lage druk wordt gebruikt om de gemiddelde vrije weg te verhogen; voor een vast elektrisch veld, een langere gemiddelde vrije weg zorgt ervoor dat een geladen deeltje om meer energie te krijgen voordat botsen met een ander deeltje. De cel is meestal gevuld met neon, maar andere gassen kunnen ook worden gebruikt. Tussen de twee elektroden wordt een elektrisch potentiaal van enkele honderden volt aangebracht. Een kleine fractie van de bevolking van atomen binnen de cel wordt aanvankelijk geïoniseerd door willekeurige processen, zoals thermische botsingen tussen atomen of door gammastralen. De positieve ionen worden naar de kathode gedreven door de elektrische potentiaal, en de elektronen worden naar de anode gedreven door dezelfde potentiaal. De initiële populatie van ionen en elektronen botst met andere atomen, spannend of ioniserende hen. Zolang het potentieel behouden blijft, blijft er een populatie van ionen en elektronen over.

secundaire emissiedit

sommige kinetische energie van de ionen wordt overgebracht naar de kathode. Dit gebeurt gedeeltelijk door de ionen die de kathode direct raken. Het primaire mechanisme is echter minder direct. Ionen slaan de talrijke neutrale gasatomen aan en brengen een deel van hun energie naar hen over. Deze neutrale atomen raken dan de kathode. Welke soort (ionen of atomen) de kathode ook raken, botsingen binnen de kathode herverdelen deze energie, wat resulteert in elektronen die uit de kathode worden uitgestoten. Dit proces staat bekend als secundaire elektronenemissie. Eenmaal vrij van de kathode, versnelt het elektrische veld elektronen in het grootste deel van de gloeiontlading. Atomen kunnen dan worden opgewekt door botsingen met ionen, elektronen of andere atomen die eerder zijn opgewekt door botsingen.

Lichtproductiedit

eenmaal opgewekt verliezen atomen hun energie vrij snel. Van de verschillende manieren waarop deze energie verloren kan gaan, is de belangrijkste radiatief, wat betekent dat een foton wordt vrijgegeven om de energie weg te dragen. In optische atomaire spectroscopie, kan de golflengte van dit foton worden gebruikt om de identiteit van het atoom te bepalen (dat wil zeggen, welk chemisch element het is) en het aantal fotonen is direct evenredig met de concentratie van dat element in de steekproef. Sommige botsingen (die van hoog genoeg energie) zal ionisatie veroorzaken. In atomaire massaspectrometrie worden deze ionen gedetecteerd. Hun massa identificeert het type atomen en hun hoeveelheid onthult de hoeveelheid van dat element in de steekproef.

Regionedit

de illustraties rechts tonen de belangrijkste gebieden die aanwezig kunnen zijn in een gloeiontlading. Regio ‘ s die worden beschreven als “gloeit” stralen significant licht uit; regio ‘ s die worden aangeduid als “donkere ruimten” niet. Naarmate de ontlading meer wordt uitgebreid (d.w.z. horizontaal uitgerekt in de geometrie van de illustraties), kan de positieve kolom worden gestreept. Dat wil zeggen, afwisselend donkere en heldere gebieden kunnen vormen. Het horizontaal comprimeren van de ontlading resulteert in minder regio ‘ s. De positieve kolom wordt gecomprimeerd terwijl de negatieve gloed dezelfde grootte blijft en, met kleine genoeg gaten, zal de positieve kolom helemaal verdwijnen. In een analytische glow discharge is de ontlading voornamelijk een negatieve gloed met donkere regio erboven en eronder.

kathodelaagdit

De kathodelaag begint met de Aston dark space en eindigt met het negatieve gloedgebied. De kathodelaag verkort bij verhoogde gasdruk. De kathodelaag heeft een positieve ruimtelading en een sterk elektrisch veld.

Aston dark spaceEdit

elektronen verlaten de kathode met een energie van ongeveer 1 eV, wat niet genoeg is om atomen te ioniseren of op te wekken, waardoor er een dunne donkere laag achterblijft naast de kathode.

kathode glowEdit

elektronen uit de kathode bereiken uiteindelijk genoeg energie om atomen op te wekken. Deze opgewekte atomen vallen snel terug naar de grondtoestand, die licht uitzenden bij een golflengte die overeenkomt met het verschil tussen de energiebanden van de atomen. Deze gloed is heel dichtbij de kathode te zien.

kathode dark spaceEdit

omdat elektronen uit de kathode meer energie winnen, hebben ze de neiging om atomen te ioniseren in plaats van atomen op te wekken. De opgewekte atomen vallen snel terug op grondniveau die licht uitzenden, echter, wanneer de atomen worden geïoniseerd, worden de tegenovergestelde ladingen gescheiden, en recombineren niet onmiddellijk. Dit resulteert in meer ionen en elektronen, maar geen licht. Dit gebied wordt soms Crookes dark space genoemd, en soms aangeduid als de kathodeval, omdat de grootste spanningsval in de buis optreedt in dit gebied.

negatieve gloeilamp

de ionisatie in de donkere ruimte van de kathode resulteert in een hoge elektronendichtheid, maar langzamere elektronen, waardoor het gemakkelijker wordt voor de elektronen om te recombineren met positieve ionen, wat leidt tot intens licht, door middel van een proces genaamd bremsstrahlungstraling.

Faraday dark spaceEdit

aangezien de elektronen energie blijven verliezen, wordt er minder licht uitgestraald, wat resulteert in een andere donkere ruimte.

anode layerEdit

de anode laag begint met de positieve kolom, en eindigt bij de anode. De anodelaag heeft een negatieve ruimtelading en een matig elektrisch veld.

positieve columnEdit

bij minder ionen neemt het elektrische veld toe, wat resulteert in elektronen met een energie van ongeveer 2 eV, wat voldoende is om atomen op te wekken en licht te produceren. Bij langere gloeiontladingslangen wordt de langere ruimte bezet door een langere positieve kolom, terwijl de kathodelaag hetzelfde blijft. Bij een neonteken neemt de positieve kolom bijvoorbeeld bijna de gehele lengte van de buis in.

anode glowEdit

een elektrische veldverhoging resulteert in de anode gloed.

anode donkere ruimtedit

minder elektronen resulteert in een andere donkere ruimte.

StriationsEdit

banden van afwisselend licht en donker in de positieve kolom worden striaties genoemd. Strepen komen voor omdat alleen discrete hoeveelheden energie kunnen worden geabsorbeerd of vrijgegeven door atomen, wanneer elektronen bewegen van het ene kwantumniveau naar het andere. Het effect werd in 1914 verklaard door Franck en Hertz.

SputteringEdit

naast het veroorzaken van secundaire emissie, kunnen positieve ionen de kathode raken met voldoende kracht om deeltjes uit te werpen van het materiaal waaruit de kathode is gemaakt. Dit proces heet sputteren en het geleidelijk ablates de kathode. Sputtering is nuttig bij het gebruik van spectroscopie om de samenstelling van de kathode te analyseren, zoals wordt gedaan in Glow-discharge optische emissiespectroscopie.

sputteren is echter niet wenselijk wanneer gloeiontlading wordt gebruikt voor verlichting, omdat het de levensduur van de lamp verkort. Neonborden hebben bijvoorbeeld holle kathoden die ontworpen zijn om sputteren te minimaliseren en bevatten houtskool om onophoudelijk ongewenste ionen en atomen te verwijderen.

Dragergasedit

in het kader van sputtering wordt het gas in de buis “dragergas” genoemd, omdat het de deeltjes uit de kathode transporteert.

Kleurverschildedit

vanwege sputtering bij de kathode, zijn de kleuren die worden uitgezonden vanuit gebieden in de buurt van de kathode vrij verschillend van de anode. Deeltjes sputtert uit de kathode worden opgewekt en stralen straling uit van de metalen en oxiden die deel uitmaken van de kathode. De straling van deze deeltjes combineert met straling van opgewonden dragergas, waardoor het kathodegebied een witte of blauwe kleur krijgt, terwijl in de rest van de buis de straling alleen afkomstig is van het dragergas en meer monochromatisch is.

elektronen in de buurt van de kathode zijn minder energiek dan de rest van de buis. Rond de kathode is een negatief veld, dat elektronen vertraagt als ze van het oppervlak worden uitgeworpen. Alleen die elektronen met de hoogste snelheid zijn in staat om uit dit veld te ontsnappen, en die zonder genoeg kinetische energie worden terug getrokken in de kathode. Eenmaal buiten het negatieve veld, begint de aantrekkingskracht van het positieve veld deze elektronen te versnellen naar de anode. Tijdens deze versnelling worden elektronen afgebogen en vertraagd door positieve ionen die naar de kathode snellen, die op hun beurt heldere blauw-witte bremsstrahlungstraling in het negatieve gloedgebied produceert.