Huumlahendus

Huumlahendus on kvaasistatsionaarse sõltumatu gaaslahenduse tüüpiline vorm, mis tekib pinge rakendamisel gaasile. Huumlahenduse mõnes piirkonnas on aine plasmaolekus. Ioonide tekkimisel suureneb lahendusvahemiku elektrijuhtivus ja gaasi läbib elektrivool. Ergastamise ja relakseerumise ning ioniseerimise ja rekombineerumise protsesside käigus muudetakse elektrivälja energia valguseks ja soojuskiirguseks. Huumlahenduse olulised rakenduseks on gaaslaserid, erinevad valgusallikad ja ainete tuvastamine analüütilises keemias.

Omadused

Joonis 1. Huumlahenduse uurimise katseskeem. Pingeallika ja plasmaanumaga on jadamisi ühendatud ballasttakisti R

Huumlahendus võib tekkida väga erinevate tingimuste juures: muutuda võivad gaasi rõhk ja koostis, anuma kuju ja mõõtmed, gaasile rakendatud pinge. Huumlahendus võib olla ajas muutumatu (statsionaarne) või kesta vaid piiratud ajavahemiku jooksul. Huumlahenduse tüüpilisi omadusi on lihtsaim vaadelda statsionaarsel juhul suhteliselt väikese rõhu juures, näiteks p = 1 torr = 133 Pa, mis on 760 korda väiksem atmosfäärirõhust. Huumlahenduse vaatlemiseks sobib joonisel 1 kujutatud katseskeem, kus uuritav gaas asub ~0,5 m pikkuses ja mõne sentimeetri jämeduses klaastorus. Viimase otstes paiknevad plaatelektroodid on ühendatud jadamisi muudetava ballasttakisti ja alalispingeallikaga. Sobiva ballasttakistuse valimisega saab reguleerida gaasi läbivat voolu, kuna kehtib Ohmi seadus. Negatiivse potentsiaaliga elektroodi nimetatakse katoodiks ning positiivsega anoodiks. Ampermeetriga mõõdetakse gaasi läbiva elektrivoolu tugevust ja voltmeetriga pinget elektroodidel. Ülaltoodud tingimustel toimuva gaaslahenduse voltamperkarakteristikut on kujutatud joonisel 2.

Joonis 2. Gaaslahenduse voltamperkarakteristik. Huumlahendus jääb piirkonda BE

Huumlahendus jääb piirkonda BE. Väiksema voolutugevusega Townsendi lahenduselt (piirkond AB) huumlahendusele üleminekuks peab pinge elektroodidel saama suuremaks läbilöögipingest U_B. Üleminek on hüppeline ja sellega kaasneb elektroodide vahelise pingelangu järsk vähenemine. Huumlahendusele üleminekul väheneb plasmas eralduv võimsus, mis viitab protsessi efektiivsuse kasvule. Huumlahenduse normaalses piirkonnas CD jääb voolutihedus elektroodidel praktiliselt muutumatuks kuna voolu kasvades suureneb voolu juhtiva katoodiosa pindala. Pingetel U_C kuni U_D läbib vool vaid katoodi keskmist piirkonda ja servades vool puudub. Seetõttu püsib ka pinge piirkonnas CD peaaegu konstantsena. Punktis D katab plasma kogu elektroodi ja voolutugevuse suurenemisel peab kasvama ka voolutihedus, mille saavutamiseks tuleb tõsta pinget elektroodidel (piirkond DE). Suure voolutiheduse korral hakkab katood kuumenema ning termoemissiooni toimel elektrone välja paiskama. Punktis E omandab termoelektronide tekkimise kiirus kriitilise väärtuse ja toimub üleminek huumlahenduselt kaarlahendusele.

Huumlahenduse piirkonnad

Joonis 3. Huumlahenduse piirkonnad: a) Astoni pimeruum, b) helendav katoodilaik, c) Crookesi pimeruum, d) negatiivne helendus, e) Faraday pimeruum, f) positiivne sammas, g) helendav anoodilaik, h) anoodi pimeruum

Erinevalt väga nõrgalt valgust kiirgavast Townsendi lahendusest tekib huumlahenduses intensiivne kiirgus ning lahendusvahemikus eristuvad heledad ja tumedad piirkonnad (joonis 3).

Kiirgus tekib molekulide ergastumisele järgneval relakseerumisel ja ioonide rekombineerumisel. Mõlema protsessi puhul on olulisteks teguriteks elektrivälja tugevuse ja ruumlaengu jaotus huumlahenduse erinevates piirkondades.

1. Astoni pimeruum on õhuke helenduseta kiht vahetult katoodi lähedal. Ruumlaeng on seal negatiivne ja elektrivälja tugevus suur.
2. Helendav katoodilaik kiirgab valgust ja omab positiivset ruumlaengut.
3. Crookesi pimeruum paistab temaga külgnevate kihtide suure heleduse tõttu tumedana. Selle kihi anoodipoolses servas on elektrivälja tugevus langenud nullini.
4. Negatiivne helendus on huumlahenduse heledaim piirkond. Selle katoodipoolne serv on selgelt eristatav, anoodi pool väheneb valguse intensiivsus ühtlaselt. Elektrivälja tugevus negatiivse helenduse piirkonnas on väike ja võib omada negatiivseid väärtusi.
5. Faraday pimeruum on tume ala, kus positiivsete ioonide ning elektronide kontsentratsioonid saavad võrdseks ja hakkab kehtima kvaasineutraalsuse tingimus.
6. Positiivne sammas on ühtlase heleduse ja konstantse elektrivälja tugevusega piirkond, mis täidab peaaegu kogu ülejäänud toru. Mõnikord tekib positiivses sambas rida heledaid ja tumedaid piirkondi, mida nimetatakse straatideks. Perioodiline intensiivsusjaotus võib püsida paigal või ühe elektroodi poolt teise poole triivida. Kiire liikumise korral pole straadid silmaga eristatavad ja kiirgus näib ühtlasena.
7. Helendav anoodilaik on õhuke piirkond positiivse samba lõpus, kus heledus veidi kasvab. Helendavat anoodilaiku ei ole mõnikord võimalik eristada.
8. Anoodi pimeruum on tumedam piirkond enne anoodi, kus tekib negatiivne ruumlaeng.

Negatiivsest helendusest katoodi poole jäävad piirkonnad (a kuni c) moodustavad huumlahenduse katoodiosa, kus elektrivälja tugevus väheneb ligikaudu lineaarselt. Katoodiosa pingelang moodustab peamise osa elektroodidevahelisest pingelangust ja ülejäänud huumlahenduse osades muutub potentsiaal vähe. Katoodiosa pikkus d_c kujuneb välja selliselt, et katoodpingelang vastaks Pascheni kõvera miinimumväärtusele. Sel juhul on täidetud tingimus

$d_{c}p=(dp)_{min}\;,$

kus p on gaasi rõhk ja (dp)_min on Pacheni kõvera miinimumkoht. Väikseima võimaliku katoodpingelangu korral on ka ajaühikus plasmas eralduv energia vähim, kuna huumlahenduses on vool praktiliselt konstantne ja võimsus sõltub ainult pingest.

Toimemehhanism

Joonis 4. Huumlahenduse karakteristikud: 1) valguse intensiivsus, 2) potentsiaal, 3) elektrivälja tugevus, 4) ruumlaengu tihedus

Katoodilähedases piirkonnas on positiivsete ioonide ruumlaengu elektriväli tugev ja seetõttu hakkavad katoodist emiteerunud elektronid kiirenevalt anoodi poole liikuma. Astoni pimeruumis on elektronide kiirus liiga väike, et gaasi molekule ergastada või ioniseerida ja seetõttu seal kiirgust ei teki. Katoodlaigu piirkonda jõudes on elektronid omandanud piisavalt suure energia, et molekule ergastada. Põhiseisundisse tagasipöördumisel hakkavad molekulid valgust kiirgama ja tekib katoodilähedane helendus. Osa elektrone läbib katoodlaigu ilma põrgeteta ja nende edasisel kiirenemisel suureneb tõenäosus, et põrkel molekuliga toimub ergastamise asemel ionisatsioon. Seetõttu on Crookesi pimeruumis kiirgus nõrk, kuid tekib rohkesti juurde positiivseid ioone ja elektrone. Ioonide liikuvus on väike ja elektronid lahkuvad piirkonnast kiiremini kui ioonid. Seetõttu omandab Crookesi pimeruum positiivne ruumlaengu, mis ongi katoodilähedase pingelangu põhjustajaks.

Osa elektrone jõuab negatiivse helenduse piirkonda, omades molekulide ergastamiseks piisavat kineetilist energiat. Samuti tekib selles piirkonnas rekombinatsioonikiirgus. Faraday pimeruumi liiguvad laengukandjad difusiooni teel. Laengukandjate kontsentratsioon on siin oluliselt väiksem kui negatiivse helenduse piirkonnas ja rekombinatsiooni tõenäosus väheneb. Faraday pimeruumis tekib nullist erinev elektriväli, mis elektrone anoodi poole kiirendab. Positiivse samba alguses saavutavad elektronid molekulide ergastamiseks vajaliku energia ja põhiseisundisse naasevad molekulid kiirgavad valgust. Mõned elektronid omavad gaasi ioniseerimiseks piisavat energiat ja toru telje lähedal on elektronide ja positiivsete ioonide kontsentratsioon suurem kui välimistes piirkondades. Laengukandjad liiguvad difusiooni toimel seinte poole, kus tekib rekombinatsioonikiirgus. Nii positiivses sambas kui ka negatiivse helenduse piirkonnas on täidetud kvaasineutraalsuse tingimus: elektronide ja positiivsete ioonide kontsentratsioonid on ligikaudu võrdsed ja aine on plasmaolekus.

Huumlahendus erinevatel tingimustel

Huumlahenduse omadused sõltuvad tugevasti järgmistest parameetritest.

1. Rõhk

Rõhu kasvamisel pikeneb positiivne sammas teiste piirkondade arvelt. Negatiivne helendus liigub katoodi poole ning katoodiosa piirkonnad surutakse kokku ja muutuvad raskesti eristatavaks. Katoodiosa lühenemine tuleneb Pascheni seadusest: rõhu suurenemisel peab katoodiosa pikkus vähenema, et korrutis pdc jääks konstantseks. Rõhul ~100 torri jõuab negatiivne helendus katoodini. Sellest kõrgematel rõhkudel hakkab positiivse samba läbimõõt vähenema ja hele piirkond ei ulatu enam toru seinteni.

Rõhu vähendamisel avaldub vastupidine efekt: katoodiosa pikeneb ja negatiivne helendus liigub anoodi poole tuues kaasa positiivse samba lühenemise. Madalatel rõhkudel võivad positiivne sammas ja negatiivne helendus täielikult kaduda.

1. Elektroodide vahekaugus

Toru pikkuse muutmisel jääb Pascheni seaduse täitmiseks katoodiosa praktiliselt muutumatuks ja positiivne sammas pikeneb või lüheneb koos toru pikkusega. Toru lühendamisel väheneb lahenduse ülalhoidmiseks vajalik pinge vähehaaval kuni positiivse samba kadumiseni. Anoodi lähendamisel negatiivse helenduseni tuleb lahenduse ülalhoidmiseks pinget märgatavalt suurendada.

1. Kasutatav gaas

Gaasi valikust sõltub helendavate piirkondade värvus. Näiteks neoonis helendab positiivne sammas punakalt ja magneesiumiaurudes rohekalt.Samuti muutub Crookesi pimeruumi ulatus, sest ionisatsiooniks vajalik energia varieerub sõltuvalt kasutatavast gaasist.

1. Katoodi materjal

Katoodi materjaliga muutub elektronide sekundaaremissiooni koefitsient – mõnest ainest on kergem elektrone välja lüüa ja lahenduse tööshoidmiseks vajaminev pinge väheneb.

1. Rakendatava pinge ajaline käik

Eelnevalt oli kirjeldatud alalispingel toimuvat statsionaarset huumlahendust. Üldiselt on huumlahenduse kujunemiseks kuluv aeg lühike ja samad piirkonnad tekivad ka lühikese pingeimpulsi rakendamisel elektroodidele. Olukorda, kus iseloomulike piirkondade väljakujunemiseks kulunud aeg on oluliselt lühem pingeimpulsi kestusest nimetatakse kvaasistatsionaarseks. Vahelduvpingeallika kasutamisel vahetuvad anood ja katood iga poolperioodi järel ning piirkonnad muutuvad vastupidiseks. Juba mõnekümne hertsise sageduse korral ei taju silm muutust ja helendus paistab statsionaarsena.

Rakendused

Gaaslaserites rakendatakse positiivses sambas tekkivat pöördhõivet valguse võimendamisel. Suure võimsusega CO₂ lasereid kasutatakse näiteks metalli lõikamisel ja keevitamisel.

Huumlahenduse kiirgust kasutatakse erinevat tüüpi valgustites. Huumlahenduse enda kiirgust on näha näiteks neooniga täidetud signaallampides ja samuti reklaamlampides. Erinevat värvi kiirguse saamiseks varieeritakse gaasi koostist. Luminofoorlampides jääb huumlahenduse kiirgus põhiliselt ultravioletsesse piirkonda ja see muudetakse nähtavaks valguseks lambi sisepinnale kantud luminofoori abil.

Huumlahendust kasutatakse analüütilises keemias materjali koostise määramiseks. Katood valmistatakse uuritavast materjalist ja sellest eraldunud ioone tuvastatakse massispektromeetria abil.