Prezentace v rámci „Studentského semináře“ Výboje v plynech Jan Čech 10.11.2010

Definice „výbojů v plynech“ Výbojem v plynu rozumíme: Vedení elektrického proudu plynem díky pohybu nabitých částic vytvořených srážkovými procesy mezi elektrony (zejména) a částicemi plynu. (McGraw-Hill Dictionary of Science & Technical Terms, 6E © 2003) Otázkami jsou: Čím je to způsobeno - mechanismus vedení. Jaké je rozdělení výbojů v plynech.

Mechanismy vedení proudu v plynu Plyn je za normálních podmínek NEVODIČ s ~ 10-14 S/m Vedení skrze nabité částice (elektrony a ionty plynu) ~ ionizací plynu s > 103 S/m (Ar plazma) s ~ 6.107 S/m (stříbro) Hodnoty dle [Wiki].

Mechanismy vedení proudu v plynu II Jak „přimět“ nevodivý plyn vést elektrický proud? Vytvořit volné nosiče náboje. Udržet volné nosiče náboje. Tj. plyn „ionizovat“. Jinými slovy: potřebujeme částicím plynu dodat energii

Mechanismy vedení proudu v plynu III Jak „přimět“ nevodič vést elektrický proud? Dodáním tepelné energie: Zajímavý pokus s generací volných nosičů náboje je ke shlédnutí např. na webu: http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/POKUSY/PROUDVESKLE/INDEX.HTM (v podstatě jde o vytvoření slabého elektrolytu)

Mechanismy vedení proudu v plynu IV Jak „přimět“ nevodivý plyn vést elektrický proud? Dodáním ionizační energie částicím plynu dojde ke generaci nabitých částic – nosičů náboje. Zvyšováním teploty plynu (tepelná energie) Nepružné (ionizační) srážky částic plynu Rozdělení rychlostí částic plynu (TDR ~ Maxwellovo rozdělení) Absorpcí vysokoenergetického záření částicí plynu UV záření X-rays Kosmické záření

Mechanismy vedení proudu v plynu IV Za termodynamické rovnováhy se proces generace párů nabitých částic s teplotou plynu dá popsat statisticky pomocí Sahovy rovnice [Mart]:

Co se stane po přiložení napětí? Elektrické pole začne urychlovat elektrony, tzv. primární elektrony Urychlené elektrony se sráží s částicemi plynu Získají-li elektrony dostatečnou energii, může při srážce dojít k ionizaci částice (příp. k excitaci, či disociaci) Proces se opakuje (pokud nedojde k záchytu, či rekombinaci elektronu s kladným iontem) Může dojít ke vzniku elektronové laviny

Co se stane po přiložení napětí? Tj. máme zde ionizovaný plyn. (Nikoliv plazma!) Stále potřebujeme zdroj(e) primárních elektronů. Tj. proud v plynu je veden v pomocí elektronových lavin v režimu tzv. „nesamostatného (Townsendova) výboje“ Uplatňuje se zde první Townsendův koeficient (výtěžnost srážek vedoucích k ionizaci) - d

Jak zajistit „samostatnost“ výboje? Musíme zajistit „náhradní“zdroj elektronů, které „končí svoji pouť výbojem“ rekombinací na anodě. Kde vzít zdroj? Na katodě! (-) Emisí z katody Potenciálová emise účinkem kladných iontů (Augerova emise) Uplatňuje se zde druhý Townsendův koeficient (výtěžnost emise elektronů kladnými ionty) - g

Co se stane při zvyšování napětí? Evoluce výboje s rostoucím napětím [Mart]:

Townsendův výboj Nesamostatný výboj (potřeba zdroje primárních elektronů – i0) Hustota elektrického proudu je [Mart]: Odtud získáme podmínku pro „osamostatnění“ výboje – musíme se zbavit závislosti na i0 [Mart]: Závislost na budícím napětí (el. poli) je v d.

Paschenův zákon Kdy přejde výboj do „samostatného režimu“? Tj. jaké napětí způsobí osamostatnění výboje, jeho „zapálení“? Tuto odpověď získáme analýzou podmínky „zapálení“ – koeficient d skrývá v sobě závislost na E a koncentraci částic (tj. na redukovaném tlaku p0) Získáváme tedy semi-empirickou závislost [Mart]:

Paschenův zákon II Paschenova křivka pro argon [Mart]:

Mechanizmus generace výboje za vysokého tlaku Townsendova teorie není aplikovatelná > 200 Torr.cm (potřeba nestacionární teorie) Teorie zapálení výboje pomocí streamerů: Vývoj streameru, [Mart]

Evoluce výboje s rostoucím napětím [Mart]:

Korónový výboj Podmínky zapálení koróny [Mart]: p > 1 kPa, silně nehomogenní el. pole Lokální průraz při napětí < průrazné napětí mezi elektrodami. Problém VN sítí – hoří korónový výboj mezi fázemi vedení – potřeba zvětšení ef. průřezu vodiče => kombinace fáze z více vodičů. Schema: Korona [Mart]

Doutnavý výboj Podmínky stability výboje – omezení výbojového proudu, nízký tlak, závislost na katodové skvrně Schéma a průběhy proudů a potenciálu [Mart]: Katodový temný prostor je zásadní pro stabilitu výboje. Kladný sloupec může stratifikovat. Toto je pravděpodobně vliv nečistot. V super čistém výboji (údajně) nejsou. V průběhu napětí a koncentrací nabitých částic můžeme rozeznat vznik prostorového náboje – kladný sloupec je plazmatem.

Obloukový výboj Tento výboj je „finálním“ stupněm (DC) výbojů. Výboj řízen katodovou skvrnou – termo/autoemise e- Schéma a průběhy proudů a potenciálu [Mart]: Katodový spád výrazně nižší – účinnost termoemise 3-4 řády vyšší. Prostor katodového spádu ~ 102 nm Pole u katody velice vysoké ~ (108 V/m). Ohřev anody využíván pro svařování (prochází vysoký proud).

Raiser, I.:Gas discharges (Springer Verlag,New York,1997) Klasifikace výbojů Rozdělení převzato z: Raiser, I.:Gas discharges (Springer Verlag,New York,1997)

p f Klasifikace výbojů II p>patm p<patm DC HF RF MW Rozdělení dle budící frekvence a tlaku plynu p>patm arc, corona, spark p barrier discharges, APTD, APGD Plasma jets, MW torch ICP, CCP Surfatron glow, arc ECR plasma p<patm magnetron f DC HF RF MW

Klasifikace výbojů III Rozdělení dle budící frekvence a tlaku plynu http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/frecol.html 1O5 Pa fsr ~ 5.1013 Hz p ? fpl < f < fsr? 1 Pa fsr ~ 5.104 Hz f 0 kHz 10 kHz 13,56 MHz 1 MHz

Klasifikace výbojů IV Převzato z: [CVUT]

Klasifikace výbojů V Převzato z: [CVUT]

Děkuji Vám za pozornost. Vysvětlení použitých zkratek: TDR: termodynamická rovnováha VN: vysoké napětí Zdroje: [Mart]: Martišovitš V., Základy fyziky plazmy (Univerzita Komenského, Bratislava, 2006) [Wiki]: Wikipedia (http://wikipedia.com) Bogaerts A.: Gase discharge plasmas and their applications, Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) [CVUT]: http://kfe.fjfi.cvut.cz/~limpouch/plazma/uvn2.pdf