Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma/Scarica nei gas: differenze tra le versioni

dove <math>I_0\ </math> è la corrente di saturazione del regime Geiger, <math>d\ </math> è la distanza fra i due elettrodi, e <math>\alpha\ </math> è detto primo coefficiente di Townsend (più è grande maggiore è la ionizzazione). Esso rappresentaè tanto maggiore quanto è il numero di elettroni prodotti per unità di lunghezza del tubo di scarica.

Calcolare <math>\alpha\ </math> in base a principi primi è sostanzialmentemolto impossibiledifficile: esso dipende dalle sezioni d'urto di tutti i processi in gioco (emissione da parte del catodo, urti degli elettroni con gli ioni e con gli atomi neutri, scambio carica e ricombinazione). TuttaviaIn questo regime la tensione applicata tra gli elettrodi ha una caduta uniforme dentro il tubo da vuoto producendo un campo elettrico uniforme <math>E\ </math>. Per cui è possibile dare una forma funzionale di <math>\alpha\ </math> in base ai parametri essenziali in gioco:

InNormalmente questoi regimevalori ladelle tensionecostanti applicata tra''A'' glie elettrodi''B'' hache unacompaiono cadutanell'equazione uniformeper dentro<math>\alpha\ il</math> tubovengono databulati, vuotointerpolando producendole uncurve campoche elettricosi uniformeottengono <math>E\al </math>variare della pressione e della tensione applicata nel tubo, per diversi gas. Si vede pertanto che il parametro essenziale per la ionizzazione di un gas in un tubo di scarica è ''il campo elettrico diviso per la pressione nel tubo'', <math>E/p</math>. Normalmente i valori delle costanti ''A'' e ''B'' che compaiono nell'equazione per <math>\alpha\ </math> vengono tabulati, interpolando le curve che si ottengono al variare della pressione e della tensione applicata nel tubo, per diversi gas. Il risultato notevole è che i valori delle due costanti dipendono dal tipo di gas, e dai due parametri ''E'' e ''p'', ma non dalla forma o dal materiale dell'elettrodo.

Quando gli elettroni secondari emessi dal catodo, dovuti al bombardamento ionico, incominciano ad essere un numero consistente si ha la transizione dalla scarica oscura alla scarica a bagliore, cioè il tratto '''C-D-E''' della curva caratteristica.

Il catodo in questo regime incomincia ad essere bombardato da un flusso notevole di ioni, che emettono con una certa probalibilitàprobabilità elettroni, tale processo viene caratterzzatocaratterizzato dall'efficienza di produzione (yield) indicato con <math>\gamma_i\ </math>. Tale coefficiente adimensionale dipende molto poco dall'energia degli ioni positivi incidenti, mentre dipende dal tipo di Gas, gas più leggeri come L'Helio possono avere <math>\gamma_i=0.25\ </math>, mentre l'Argon ha un <math>\gamma_i=0.1\ </math>. Il materiale del catodo ha una piccola influenza marginale.

Il coefficiente <math>\gamma_i\ </math>, spesso indicato senza pedice, è talvolta chiamato '''secondo esponente di Townsend'''. Il regime in cui la scarica si sostiene da sola è chiamato anche '''scarica auto-sostenuta di Townsend''' (punto '''D''' della curva caratteristica), ed è caratterizzato da un ancora più marcato aumento della corrente che scorre nel tubo catodico.

Osserviamo che la tensione di innesco è funzione del prodotto ''p d'', ed ha un minimo, che dipende dal gas considerato, per un certo valore di pd. Intuitivamente se la pressione è troppo alta il cammino libero medio degli ioni è piccolo, quindi ci vuole una elevata tensione di innesco. Se invece il vuoto è troppo buono la probabilità di avere urti diventa trascurabile e quindi anche in questo caso la tensione di innesco crescedeve aumentare. L'effetto della lunghezza del tubo è diverso in condizioni di bassa pressione chiaramente, più lungo si fa il tubo più si contrasta il fatto che gli urti sono trascurabili, quindi se p è bassa basta allontanare gli elettrodi per abbassare la tensione di innesco. Invece se la pressione è troppo alta allontanare gli elettrodi haproduce un effetto negativo in quanto gli ioni prodotti si perdono ancor più nel cammino per andare da un elettrodo all'altro.

Notare come il comportamento sia asimmetrico, cioè se la pressione è troppo bassa non è possibile avere nessuna tensione di innesco, mentre, se la pressione è alta, è sempre possibile avere una tensione di innesco.

Si distinguono due zone una prima zona in cui varia la corrente, ma la tensione è costante (scarica normale), e un secondo regime quando il processo di emissione di elettroni coinvolge tutta la superficie del catodo, allora la tensione non è più indipendente dalla corrente, ma è circa proporzionale (scarica anormale): con riferimento alla curva caratteristica, si passa da '''G''' ad '''H'''. In questi duequesto regime si ha un plasma in una regione centrale del tubo da vuoto, con campi elettrici trascurabili, elevata conducibilità elettrica, mentre la caduta di tensione si ha quasi completamente nella regione adiacente al catodo.

La scarica normale viene usata nelle lampade a fluorescanzafluorescenza in quanto produce una diffusa luminosità. Nei processi tecnologici è la regione anormale quella di maggiore interesse.

Le zone oscure sono le zone in cui gli elettroni vengono accelerati ma a causa della lloro elevata energia cinetica la sezione d'urto di ionizzazione è scarsa, inquindi talele zonacollisioni sono rare, mentre quando esconoentrano perdendendonella ''negative glow'' perdono via via energia rapidamente ionizzanoionizzando il mezzo che diventa luminoso.

Se viene ridotta la distanza tra gli elettrodi ( o viene diminuita la pressione), la colonna positiva scompare, se ancora viene ulteriormente diminuita scomaprescompare lo spazio oscuro di Faraday. Quando l'anodo entra dentro la ''negative glow'' la scarica tende a spegnersi a meno di non aumentare notevolmente la tensione applicata.

Oltre alla perdita di carica vi è una perdita di energia in quanto le particelle energetiche urtando gli elettrodi o le pareti della camera da vuoto dissipano la loro energia, che diventa calore, che viene portata via daidal sistemisistema di raffreddamento. Quindi anche vi deve essere un bilanciamento energetico tra energia dissipata e fornita al sistema.

Dove <math>m\ </math> è la massa degli elettroni. Per un campo magnetico di <math>0.01\ T</math> la traiettoria circolare ha un raggio di frazioni di mm. In pratica la traiettoria degli elettroni diventa una spirale con un cammino molto lungo. L'effetto dei campi magnetici sugli ioni è invece trascurabile in quanto essendo la loro massa circa <math>10^5\ </math> volte quella degli elettroni il loro raggio di curvatura diventa di molti mmetri, molto più grande delle dimensioni degli elettrodi e della camera in cui avviene la scarica. Quindi avere dei campi magnetici modesti aumenta grandemente la probabilità di ionizzazione da parte degli elettroni. In genere quindi si aggiungono dei campi magnetici nella regione del catodo per aumentare la probabilità di ionizzazione e pemettere di diminuire la distanza tra gli elettrodi, in quanto il campo magnetico, artificialmente aumenta il cammino percorso dagli elettroni e quindi la loro probabilità di ionizzare il plasma. Mentre tale campo non modifica il meccanismo di bombardamento degli ioni da parte degli ioni positivi.

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