グロー放電

グロー放電は、ガスに電流が流れることで形成されるプラズマです。多くの場合、低圧ガスが入ったガラス管内の2 つの電極間に電圧をかけることで生成されます。電圧が点火電圧と呼ばれる値を超えると、ガスのイオン化が自立的になり、管が色の光で輝きます。色は使用するガスによって異なります。

グロー放電は、ネオンライト、冷陰極蛍光灯、プラズマスクリーンテレビなどのデバイスの光源として使用されます。分光法で生成された光を分析すると、ガス内の原子の相互作用に関する情報が明らかになるため、グロー放電はプラズマ物理学や分析化学で使用されます。また、スパッタリングと呼ばれる表面処理技術でも使用されます。

ガスの伝導には、電子またはイオンのいずれかの電荷キャリアが必要です。電荷キャリアは、ガス分子の一部をイオン化することで発生します。電流の流れに関して言えば、グロー放電は暗放電とアーク放電の中間に位置します。

• 暗放電では、ガスは紫外線や宇宙線などの放射線源によってイオン化されます（キャリアが生成されます）。陽極と陰極間の電圧が高くなると、解放されたキャリアは十分なエネルギーを獲得できるため、衝突時に追加のキャリアが解放されます。このプロセスはタウンゼント雪崩または増殖と呼ばれます。
• グロー放電では、キャリア生成プロセスは、平均電子が陰極から出て行くことで別の電子が陰極から出ていく点に到達します。たとえば、平均電子はタウンゼント雪崩によって数十回の電離衝突を引き起こす可能性があります。その結果生じた正イオンは陰極に向かい、陰極との衝突を引き起こしたイオンの一部は二次放出によって電子を除去します。
• アーク放電では、電子は熱電子放出と電界放出によって陰極から放出され、ガスは熱によってイオン化されます。^[1]

破壊電圧以下ではグローはほとんどまたは全くなく、電界は均一です。電界がイオン化を引き起こすほどに増加すると、タウンゼント放電が始まります。グロー放電が発生すると、陽イオンの存在によって電界が大幅に変化します。電界は陰極の近くに集中します。グロー放電は通常のグローとして始まります。電流が増加すると、陰極表面のより多くの部分がグローに巻き込まれます。電流が陰極表面全体が巻き込まれるレベルを超えて増加すると、放電は異常グローとして知られています。電流がさらに増加すると、他の要因が作用し、アーク放電が始まります。^[2]

最も単純なタイプのグロー放電は、直流グロー放電です。最も単純な形式では、低圧 (0.1～10 torr、大気圧の約 1/10000～1/100) に保たれたセル内の 2 つの電極で構成されます。低圧は平均自由行程を長くするために使用されます。固定電界の場合、平均自由行程が長いほど、荷電粒子は他の粒子と衝突する前に多くのエネルギーを得ることができます。セルは通常ネオンで満たされていますが、他のガスも使用できます。数百ボルトの電位が 2 つの電極間に適用されます。セル内の原子集団のごく一部は、原子間の熱衝突やガンマ線などのランダムなプロセスによって最初にイオン化されます。正イオンは電位によって陰極に向かって駆動され、電子は同じ電位によって陽極に向かって駆動されます。初期のイオンと電子の集団は他の原子と衝突し、それらを励起またはイオン化します。電位が維持される限り、イオンと電子の集団が残ります。

イオンの運動エネルギーの一部は陰極に伝達されます。これは部分的にはイオンが陰極に直接衝突することによって起こります。しかし、主なメカニズムはそれほど直接的ではありません。イオンはより多数の中性ガス原子に衝突し、そのエネルギーの一部を原子に伝達します。次にこれらの中性原子は陰極に衝突します。どの種 (イオンまたは原子) が陰極に衝突しても、陰極内での衝突によってこのエネルギーが再分配され、電子が陰極から放出されます。このプロセスは二次電子放出として知られています。電子は陰極から解放されると、電界によってグロー放電の大部分に加速されます。その後、原子はイオン、電子、または以前に衝突によって励起された他の原子との衝突によって励起されます。

原子は励起されると、かなり急速にエネルギーを失います。このエネルギーが失われるさまざまな方法のうち、最も重要なのは放射によるもので、これは光子が放出されてエネルギーを運び去ることを意味します。光原子分光法では、この光子の波長を使用して原子の正体（つまり、どの化学元素であるか）を判定でき、光子の数はサンプル内のその元素の濃度に正比例します。一部の衝突（十分に高いエネルギーの衝突）はイオン化を引き起こします。原子質量分析法では、これらのイオンが検出されます。その質量によって原子の種類が特定され、その量によってサンプル内のその元素の量が明らかになります。

右の図は、グロー放電で発生する主な領域を示しています。「グロー」と表現される領域は、かなりの光を発しますが、「暗い部分」と表現される領域は、光を発しません。放電が拡大するにつれて (つまり、図の幾何学的形状で水平方向に引き伸ばされるにつれて)、陽光柱に縞模様が現れることがあります。つまり、暗い領域と明るい領域が交互に形成されることがあります。放電を水平方向に圧縮すると、領域が少なくなります。陽光柱は圧縮されますが、負のグローは同じサイズのままで、隙間が十分に小さいと、陽光柱は完全に消えます。分析的な^{[説明が必要]}グロー放電では、放電は主に負のグローで、その上下に暗い領域があります。

陰極層はアストン暗部から始まり、負のグロー領域で終わります。陰極層はガス圧の増加とともに短くなります。陰極層は正の空間電荷と強い電界を持ちます。^{[3] [4]}

電子は約1eVのエネルギーで陰極から放出されるが、これは原子をイオン化または励起するには不十分であり、陰極の隣に薄い暗い層を残す。^[3]

陰極から放出された電子は最終的に原子を励起するのに十分なエネルギーを得る。励起された原子はすぐに基底状態に戻り、原子のエネルギーバンドの差に対応する波長の光を発する。この輝きは陰極のすぐ近くで見られる。^[3]

陰極からの電子がより多くのエネルギーを得ると、原子を励起するのではなく、イオン化する傾向があります。励起された原子はすぐに基底レベルに落ちて光を発しますが、原子がイオン化されると、反対の電荷が分離され、すぐに再結合しません。その結果、イオンと電子は増えますが、光は発生しません。^{[3]この領域は}クルックスの暗部と 呼ばれることもあり、また、この領域で管内で最大の電圧降下が発生するため、陰極降下と呼ばれることもあります。

陰極暗部での電離により電子密度は高くなるが、電子の速度は遅くなり、電子が正イオンと再結合しやすくなり、制動放射線と呼ばれるプロセスを通じて強い光が発生します。^[3]

電子がエネルギーを失い続けると、放出される光が減少し、新たな暗黒空間が形成されます。^[3]

陽極層は陽極柱から始まり、陽極で終わります。陽極層は負の空間電荷と中程度の電界を持ちます。^[3]

イオンが少ないと電界が増加し、約2eVのエネルギーを持つ電子が生成されます。これは原子を励起して光を生成するのに十分です。グロー放電管が長くなると、陰極層は同じままで、より長い空間が長い陽光柱によって占められます。^[3] たとえば、ネオンサインでは、陽光柱は管のほぼ全長を占めます。

電界が増加すると陽極が発光する。^[3]

電子が減ると暗黒空間が生まれます。^[3]

陽光柱に明暗が交互に現れる帯状の現象を条線という。条線を生じるガスや圧力のあらゆる条件において条線を説明できる普遍的なメカニズムはないが、実験結果に裏付けられた最近の理論的・モデル的研究ではデュフォー効果の重要性が指摘されている。^[5]

二次放出を引き起こすことに加えて、陽イオンは陰極に十分な力で衝突し、陰極の材料の粒子を放出する。このプロセスはスパッタリングと呼ばれ、陰極を徐々に除去する。スパッタリングは、グロー放電発光分光法で行われるように、分光法を使用して陰極の組成を分析するときに役立ちます。^[6]

しかし、グロー放電を照明に使用する場合、スパッタリングはランプの寿命を縮めるため望ましくない。例えば、ネオンサインにはスパッタリングを最小限に抑えるために設計された中空陰極があり、不要なイオンや原子を継続的に除去するために木炭が含まれている。^[7]

スパッタリングの文脈では、チューブ内のガスは「キャリアガス」と呼ばれます。これは、カソードから粒子を運ぶためです。^[6]

陰極でスパッタリングが発生するため、陰極付近の領域から放出される色は陽極とはまったく異なります。陰極からスパッタされた粒子は励起され、陰極を構成する金属や酸化物から放射線を放出します。これらの粒子からの放射線は励起されたキャリアガスからの放射線と組み合わさり、陰極領域に白または青の色を与えますが、管の残りの部分では、放射線はキャリアガスからのみであり、より単色になる傾向があります。^[6]

陰極付近の電子は、管の残りの部分よりもエネルギーが低い。陰極の周囲は負の電界で囲まれており、表面から放出される電子の速度を遅くする。最も速度の高い電子だけがこの電界から逃れることができ、十分な運動エネルギーを持たない電子は陰極に引き戻される。負の電界から抜け出すと、正の電界の引力によってこれらの電子は陽極に向かって加速し始める。この加速中に、電子は陰極に向かって加速する正イオンによって偏向され、減速され、その結果、負のグロー領域で明るい青白色の制動放射線が発生する。 ^[8]

グロー放電は、固体、液体、気体の元素組成、場合によっては分子組成を分析するために使用できますが、固体の元素分析が最も一般的です。この配置では、サンプルがカソードとして使用されます。前述のように、ガスイオンと原子がサンプル表面に衝突すると、サンプル表面から原子が叩き落とされます。このプロセスはスパッタリングと呼ばれます。

スパッタされた原子は気相状態となり、原子吸光法で検出できますが、これは比較的まれな手法です。代わりに、通常は原子発光法と質量分析法が使用されます。

気相サンプル原子とプラズマガスの衝突により、サンプル原子にエネルギーが伝達されます。このエネルギーは原子を励起し、その後、原子の放出によってエネルギーを失います。放出された光の波長を観察することで、原子の正体を判定できます。放出の強度を観察することで、そのタイプの原子の濃度を判定できます。

衝突によって得られたエネルギーは、サンプル原子をイオン化することもできます。イオンは質量分析によって検出できます。この場合、元素を特定するのはイオンの質量であり、濃度を反映するのはイオンの数です。この方法はグロー放電質量分析 (GDMS) と呼ばれ、マトリックスにほぼ依存しないほとんどの元素に対して、ppb 未満の範囲まで検出限界があります。

固体のバルク分析と深度分析の両方をグロー放電で実行できます。バルク分析では、サンプルがかなり均質であると想定し、放出信号または質量分析信号を時間とともに平均化します。深度分析は、信号を時間的に追跡することに依存しているため、深度で元素組成を追跡することと同じです。

深さ分析では、操作パラメータをより厳密に制御する必要があります。たとえば、スパッタリングによって生成されたクレーターの底が平らになるように（つまり、クレーター領域で分析される深さが均一になるように）、条件（電流、電位、圧力）を調整する必要があります。バルク測定では、クレーターの底が粗かったり丸かったりしても、分析に悪影響はありません。最適な条件下では、1 ナノメートルの範囲の深さ分解能が達成されています（実際、分子内分解能が実証されています）。^{[引用が必要]}

真空中のイオンと中性物質の化学は気相イオン化学と呼ばれ、グロー放電を含む分析研究の一部です。

分析化学では、グロー放電は通常、直流モードで動作します。直流の場合、カソード（固体分析のサンプル）は導電性でなければなりません。対照的に、非導電性カソードの分析には、高周波交流を使用する必要があります。

電位、圧力、電流は相互に関連しています。一度に直接制御できるのは 2 つだけですが、3 つ目は変化させる必要があります。圧力は最も一般的には一定に保たれますが、他の方式が使用される場合もあります。圧力と電流は一定に保たれますが、電位は変化させることができます。圧力と電圧は一定に保たれますが、電流は変化させることができます。電力 (電圧と電流の積) は一定に保たれますが、圧力は変化させることができます。

グロー放電は、無線周波数でも作動します。この周波数を使用すると、サンプル表面に負の DC バイアス電圧が確立されます。DC バイアスは、負の電位を中心とした交流波形の結果であり、多かれ少なかれサンプル表面に存在する平均電位を表します。無線周波数は、絶縁体 (非導電性材料) を流れるように見える能力があります。

高周波グロー放電と直流グロー放電はどちらも、電位のオン/オフを切り替えるパルス モードで動作できます。これにより、カソードを過度に加熱することなく、より高い瞬間電力を適用できます。これらのより高い瞬間電力により、より高い瞬間信号が生成され、検出に役立ちます。時間分解検出とパルス電力供給を組み合わせると、さらなる利点が得られます。原子放出では、分析対象原子はパルスの異なる部分でバックグラウンド原子とは放出されるため、2 つを区別できます。同様に、質量分析では、サンプル イオンとバックグラウンド イオンは異なる時間に生成されます。

グロー放電の興味深い応用例は、2002年にRyes、Ghanemらによって発表された科学論文で説明されています。^[9] この研究を紹介するNatureのニュース記事によると、^[10]インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは、2点間の最短経路に沿って光るミニマップの構築方法を実証しました。Natureのニュース記事では、このシステムを次のように説明しています。

1インチのロンドンチップを作るために、研究チームはガラスのスライドに市の中心部の平面図を刻み込んだ。上部に平らな蓋をかぶせると、通りは中が空洞になった管になった。研究チームはこの管にヘリウムガスを充填し、主要な観光拠点に電極を設置した。2点間に電圧をかけると、電気は自然に通りを通り、A地点からB地点までの最短経路に沿って流れ、ガスは小さなネオンストリップライトのように光る。

このアプローチ自体は、マイクロ流体チップ内のグロー放電の点灯特性に基づいて、広範囲の迷路探索問題を解決するための 新しい可視アナログコンピューティングアプローチを提供します。

20 世紀半ば、ツェナー ダイオードなどの固体素子が開発される前は、回路内の電圧調整は、グロー放電を利用した電圧調整管によって行われることが多かった。

• 電気アーク放電
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• 蛍光灯、ネオンランプ、プラズマランプ
• ニキシー管
• 真空アーク
• X線管

• S.フリュッゲ編（1956年）。Handbuch der Physik/Encyclopedia of Physics バンド/ボリューム XXI - 電子放出 • ガス放電 I。スプリンガー・フェルラーグ。PF Little による記事「二次的影響」の最初の章。
• R. Kenneth Marcus 編 (1993)。グロー放電分光法。Kluwer Academic Publishers (Modern Analytical Chemistry) 。ISBN 978-0-306-44396-1。