Glödurladdning

den enklaste typen av glödurladdning är en likströms glödurladdning. I sin enklaste form består den av två elektroder i en cell som hålls vid lågt tryck (0,1–10 torr; cirka 1/10000 till 1/100 atmosfärstryck). Ett lågt tryck används för att öka den genomsnittliga fria vägen; för ett fast elektriskt fält tillåter en längre genomsnittlig fri väg en laddad partikel att få mer energi innan den kolliderar med en annan partikel. Cellen är vanligtvis fylld med neon, men andra gaser kan också användas. En elektrisk potential på flera hundra volt appliceras mellan de två elektroderna. En liten del av populationen av atomer i cellen joniseras initialt genom slumpmässiga processer, såsom termiska kollisioner mellan atomer eller av gammastrålar. De positiva jonerna drivs mot katoden av den elektriska potentialen, och elektronerna drivs mot anoden av samma potential. Den ursprungliga populationen av joner och elektroner kolliderar med andra atomer, spännande eller joniserande dem. Så länge potentialen bibehålls kvarstår en population av joner och elektroner.

sekundär emissionEdit

en del av jonernas kinetiska energi överförs till katoden. Detta händer delvis genom jonerna som träffar katoden direkt. Den primära mekanismen är dock mindre direkt. Joner träffar de mer talrika neutrala gasatomerna och överför en del av sin energi till dem. Dessa neutrala atomer träffar sedan katoden. Oavsett vilken art (joner eller atomer) träffar katoden, omfördelar kollisioner inom katoden denna energi vilket resulterar i elektroner som matas ut från katoden. Denna process kallas sekundär elektronemission. När det är fritt från katoden accelererar det elektriska fältet elektroner i huvuddelen av glödladdningen. Atomer kan sedan exciteras av kollisioner med joner, elektroner eller andra atomer som tidigare har exciterats av kollisioner.

Ljusproduktionredigera

när atomer är upphetsade kommer de att förlora sin energi ganska snabbt. Av de olika sätten att denna energi kan gå förlorad är det viktigaste radiativt, vilket innebär att en foton släpps för att bära bort energin. I optisk atomspektroskopi kan våglängden för denna foton användas för att bestämma atomens identitet (det vill säga vilket kemiskt element det är) och antalet fotoner är direkt proportionellt mot koncentrationen av det elementet i provet. Vissa kollisioner (de med tillräckligt hög energi) kommer att orsaka jonisering. I atommasspektrometri detekteras dessa joner. Deras massa identifierar typen av atomer och deras kvantitet avslöjar mängden av det elementet i provet.

RegionsEdit

illustrationerna till höger visar de huvudområden som kan förekomma i en glödladdning. Regioner som beskrivs som” glöd ”avger betydande ljus; regioner märkta som” mörka utrymmen ” gör det inte. När urladdningen blir mer utsträckt (dvs sträckt horisontellt i illustrationernas geometri) kan den positiva kolumnen bli strimmad. Det vill säga växlande mörka och ljusa områden kan bildas. Komprimering av urladdningen horisontellt kommer att resultera i färre regioner. Den positiva kolumnen kommer att komprimeras medan den negativa glöden kommer att förbli lika stor, och med tillräckligt små luckor kommer den positiva kolumnen att försvinna helt och hållet. I en analytisk glödurladdning är urladdningen främst en negativ glöd med mörk region ovanför och under den.

Katodskiktredigera

katodskiktet börjar med Aston dark space och slutar med det negativa glödområdet. Katodskiktet förkortas med ökat gastryck. Katodskiktet har en positiv rymdladdning och ett starkt elektriskt fält.

Aston dark spaceEdit

elektroner lämnar katoden med en energi på ca 1 eV, vilket inte räcker för att jonisera eller excitera atomer och lämnar ett tunt mörkt lager bredvid katoden.

katod glowEdit

elektroner från katoden uppnår så småningom tillräckligt med energi för att excitera atomer. Dessa upphetsade atomer faller snabbt tillbaka till marktillståndet och avger ljus vid en våglängd som motsvarar skillnaden mellan atomernas energiband. Denna glöd ses mycket nära katoden.

katod mörk spaceEdit

när elektroner från katoden får mer energi tenderar de att jonisera snarare än att excitera atomer. Upphetsade atomer faller snabbt tillbaka till marknivå som avger ljus, men när atomer joniseras separeras de motsatta laddningarna och rekombineras inte omedelbart. Detta resulterar i fler joner och elektroner, men inget ljus. Denna region kallas ibland Crookes dark space, och kallas ibland katodfallet, eftersom det största spänningsfallet i röret inträffar i denna region.

negativ glowEdit

joniseringen i katodens mörka utrymme resulterar i en hög elektrontäthet, men långsammare elektroner, vilket gör det lättare för elektronerna att rekombinera med positiva joner, vilket leder till intensivt ljus genom en process som kallas bremsstrahlung-strålning.

Faraday dark spaceEdit

när elektronerna fortsätter att förlora energi släpps mindre ljus ut, vilket resulterar i ett annat mörkt utrymme.

Anodlayeredit

anodskiktet börjar med den positiva kolumnen och slutar vid anoden. Anodskiktet har en negativ rymdladdning och ett måttligt elektriskt fält.

positiv kolumnredigera

med färre joner ökar det elektriska fältet, vilket resulterar i elektroner med energi på ca 2 eV, vilket är tillräckligt för att excitera atomer och producera ljus. Med längre glödladdningsrör upptas det längre utrymmet av en längre positiv kolonn, medan katodskiktet förblir detsamma. Till exempel, med ett neonskylt, upptar den positiva kolonnen nästan hela rörets längd.

Anode glowEdit

en ökning av det elektriska fältet resulterar i anodens glöd.

anod mörk spaceEdit

färre elektroner resulterar i ett annat mörkt utrymme.

StriationsEdit

band av alternerande ljus och mörk i den positiva kolumnen kallas striations. Striations uppstår eftersom endast diskreta mängder energi kan absorberas eller släppas av atomer, när elektroner flyttar från en kvantnivå till en annan. Effekten förklarades av Franck och Hertz 1914.

SputteringEdit

förutom att orsaka sekundär emission kan positiva joner träffa katoden med tillräcklig kraft för att mata ut partiklar av materialet från vilket katoden tillverkas. Denna process kallas sputtering och den ablaterar gradvis katoden. Sputtering är användbar vid användning av spektroskopi för att analysera katodens sammansättning, vilket görs i optisk emissionsspektroskopi med Glödladdning.

sputtering är emellertid inte önskvärt när glödladdning används för belysning, eftersom det förkortar lampans livslängd. Till exempel har neonskyltar ihåliga katoder utformade för att minimera förstoftning och innehåller kol för att kontinuerligt avlägsna oönskade joner och atomer.

Carrier gasEdit

i samband med sputtering kallas gasen i röret ”bärargas”, eftersom den bär partiklarna från katoden.

Färgskillnadedit

på grund av sputtering som förekommer vid katoden är färgerna som emitteras från regioner nära katoden ganska annorlunda än anoden. Partiklar som sprutas från katoden är upphetsade och avger strålning från metallerna och oxiderna som utgör katoden. Strålningen från dessa partiklar kombineras med strålning från upphetsad bärargas, vilket ger katodregionen en vit eller blå färg, medan i resten av röret är strålning endast från bärargasen och tenderar att vara mer monokromatisk.

elektroner nära katoden är mindre energiska än resten av röret. Omgivande katoden är ett negativt fält, vilket saktar elektroner när de matas ut från ytan. Endast de elektroner med högsta hastighet kan undkomma detta fält, och de utan tillräckligt med kinetisk energi dras tillbaka in i katoden. En gång utanför det negativa fältet börjar attraktionen från det positiva fältet att accelerera dessa elektroner mot anoden. Under denna acceleration elektroner avböjs och bromsas av positiva joner fortkörning mot katoden, som, i tur och ordning, producerar klarblå-vit bremsstrahlung strålning i den negativa glöden regionen.