Come creare una scarica a bagliore

Una scarica a bagliore – usata come fonte di luce in dispositivi quali luci al neon, lampade fluorescenti e televisori al plasma – è un plasma formato dal passaggio di corrente elettrica attraverso un gas. Viene spesso creata applicando una tensione tra due elettrodi in un tubo di vetro contenente un gas a bassa pressione. Quando la tensione supera un valore chiamato “tensione di innesco”, la ionizzazione del gas diventa autosufficiente e il tubo si illumina di una luce il cui colore dipende dal gas usato. Le scariche a bagliore sono usate anche per studi nella fisica del plasma e analisi di chimica analitica.

I plasmi sono un modo accattivante di interessare gli studenti alla fisica. Essi possono e dovrebbe essere incorporati nel curriculum universitario come dimostrazioni e indagini avanzate dell’elettromagnetismo e degli effetti quantistici. Descriviamo qui come progettare un dispositivo – in pratica, un “tubo di scarica bagliore” alimentato a corrente continua (DC) – che consente una serie di esperimenti su argomenti come la tensione di scarica, la spettroscopia, il magnetismo e la temperatura degli elettroni.

Si tratta di un dispositivo di laboratorio economico basato su una scarica a bagliore per l’uso non solo nel corso avanzato di fisica di laboratorio o sul plasma ma anche in corsi standard su elettromagnetismo, meccanica quantistica, meccanica statistica e fisica atomica. Anche i semplici esperimenti descritti in un articolo a parte (Esperimenti sulla scarica a bagliore in un gas) possono essere tutti incorporati nel curriculum universitario come dimostrazione di un particolare concetto o come indagini di laboratorio.

La realizzazione di una scarica a bagliore e, più in generale, la familiarizzazione con i reattori al plasma, riveste interesse anche per il fatto che la terza e ultima generazione dell’E-Cat – il reattore di Andrea Rossi che produce energia termica gratuita “pulita” ed a costi irrisori – è un reattore al plasma operante in regime di scarica a bagliore, come illustrato nel mio articolo introduttivo “E-Cat SK: nel cuore del “reattore delle meraviglie e nei due articoli ad esso collegati tramite link.

Il reattore E-Cat di ultima generazione (nel riquadro)  mostra lo “spazio oscuro di Faraday”, una struttura tipica della scarica a bagliore in un tubo.

Pressione, tensione e distanza inter-elettrodi

Il tipo più semplice di scarica a bagliore è una scarica a bagliore a corrente continua (DC). Nella sua forma più semplice, consiste di due elettrodi posti in una cella mantenuta a bassa pressione (0,1-10 torr, ovvero da circa 1/10.000 a 1/100 di pressione atmosferica). La bassa pressione viene utilizzata per aumentare il percorso libero medio: per un dato campo elettrico fisso, un percorso libero medio più lungo consente a una particella carica di guadagnare più energia prima di scontrarsi con un’altra particella.

La cella è in genere piena di neon, ma è possibile utilizzare anche altri gas. Tra i due elettrodi viene applicato un potenziale elettrico di diverse centinaia di volt. In chimica analitica, in particolare, le scariche a bagliore sono solitamente utilizzate in modalità a corrente continua. Per la corrente continua, il catodo (che è il campione nell’analisi dei solidi) deve essere conduttivo. Al contrario, l’analisi di un catodo non conduttivo richiede l’uso di una corrente alternata ad alta frequenza.

In effetti, le scariche a bagliore possono funzionare anche in radiofrequenza (RF). L’uso di questa frequenza stabilirà una tensione di polarizzazione in corrente continua (DC) negativa sulla superficie del campione. Essa è il risultato di una forma d’onda di corrente alternata centrata sul potenziale negativo; in quanto tale, rappresenta più o meno il potenziale medio che si trova sulla superficie del campione. La radiofrequenza ha la capacità di fluire attraverso gli isolanti (cioè i materiali non conduttivi).

Una sfera al plasma usa scariche prodotte con un alimentatore ad alta tensione AC in radiofrequenza (qualche decina di chilohertz) per poter superare il vetro isolante.

Sia le scariche a radiofrequenza che quelle a corrente continua possono essere azionate in modalità pulsata, nella quale il potenziale viene attivato e disattivato. Ciò consente di applicare potenze istantanee più elevate senza riscaldare eccessivamente il catodo. Le potenze istantanee risolte nel tempo favoriscono il rilevamento: nell’emissione atomica, gli atomi del solido da analizzare emettono durante diverse porzioni dell’impulso rispetto agli atomi di fondo, consentendo ai due di essere discriminati.

La scarica a bagliore è facilitata dagli elettroni che colpiscono gli atomi del gas e li ionizzano. Per la formazione di una scarica a bagliore, il percorso libero medio degli elettroni deve essere ragionevolmente lungo ma inferiore alla distanza tra gli elettrodi; pertanto, le scariche a bagliore non si verificano facilmente a pressioni del gas troppo basse o troppo elevate. La capacità di ionizzazione da parte degli elettroni dipende anche dal campo elettrico applicato, cioè dalla tensione di alimentazione.

La tensione, la pressione del gas e la corrente sono correlati. Solo due possono essere controllate direttamente ogni volta, mentre il terzo deve poter variare. La pressione è in genere mantenuta costante, ma si possono usare altri schemi. Possono esser mantenute costanti la pressione e la corrente, mentre la tensione può variare; o la pressione e la tensione, mentre la corrente può variare; la potenza (prodotto di tensione e corrente) può essere mantenuta costante mentre la pressione è lasciata variare.

La cosiddetta “tensione di scarica” (breakdown voltage) per l’instaurarsi del regime di scarica a bagliore dipende in modo non lineare dal prodotto della pressione del gas (p) e dalla distanza dell’elettrodo (d), secondo la legge di Paschen. Per un certo valore di distanza × pressione, vi è una tensione di scarica più bassa. L’aumento della tensione di impatto per distanze degli elettrodi più brevi è correlato a un percorso libero medio troppo lungo degli elettroni rispetto alla distanza dell’elettrodo.

Un tipico apparato per creare una scarica a bagliore.

Il rapporto E / N tra il campo elettrico E e la concentrazione di particelle neutre N è pure spesso usato, poiché l’energia media degli elettroni (e quindi molte altre proprietà della scarica) è una funzione dei questo rapporto E / N. L’aumento dell’intensità elettrica E di un qualche fattore q ha le stesse conseguenze dell’abbassamento della densità del gas N per il fattore q (in pratica, o aumento la tensione o abbasso la pressione). La sua unità SI è V · cm2, ma l’unità Townsend (Td) è usata frequentemente.

A livello professionale, una piccola quantità di un elemento radioattivo può essere aggiunta nel tubo, o come un foglio di materiale (ad esempio nichel-63 nei krytron) o come aggiunta alla lega degli elettrodi (ad es. torio), per preionizzare il gas e aumentare la affidabilità dell’ignizione della scarica. Noi potremo creare, volendo, una preionizzazione con una lampada UV commerciale (che puoi trovare ad esempio qui). Una volta che sia stata innescata la scarica, potremo spegnere la lampada.

Schema generale di un possibile apparato

Per ottenere una scarica bagliore in corrente continua, il dispositivo da realizzare è composto da due elettrodi conduttori separati da una certa distanza e con un potenziale elettrico applicato posti all’interno di un tubo in cui viene fatto il vuoto a pressioni moderatamente basse, ottenibili con un sistema da vuoto spinto (v. l’articolo Come fare una buona camera a vuoto). Il potenziale elettrico deve essere abbastanza alto (da centinaia a migliaia di volt) da trasformare il gas (o l’aria) presente in un plasma.

Per i nostri esperimenti, possiamo evacuare tubi o vasi di vetro che ospitano elettrodi in acciaio inossidabile (o altri metalli). In generale, le caratteristiche del plasma sono controllate da quattro variabili: differenza di potenziale, distanza tra gli elettrodi, tipo di gas utilizzato e la sua pressione. Lo schema generale di un sistema per realizzare una scarica a bagliore comprende un alimentatore ad alta tensione regolabile, un tubo di scarica con in serie una resistenza e un amperometro, ed un apparato per fare il vuoto.

Schema dell’apparato per creare una scarica a bagliore in un tubo.

L’alimentatore ad alta tensione dovrebbe fornire una differenza potenziale almeno fino a 2000 V e 20 mA. Per limitare le correnti di scarica, si usa una resistenza di zavorra di 50-100 kohm in serie. Nell’apparato per fare il vuoto vi è una pompa da vuoto, un sistema di valvole di aspirazione e un sensore di pressione. Il tubo di scarica può essere riempito con qualsiasi gas (compresa l’aria) attraverso due valvola di regolazione, una fine e una più grossolana. Queste valvole consentono anche il controllo della pressione del gas.

Come contenitore, il dispositivo può impiegare una colonna per cromatografia liquida in vetro borosilicato: ad es. una colonna lunga 60 cm con un diametro interno di 7,5 cm. Questa è una buona lunghezza per visualizzare i componenti principali del bagliore in corrente continua e per fornire una variazione sufficiente nella separazione degli elettrodi quando si fanno esperimenti sulla tensione di scarica.

L’elettrodo alimentato – l’anodo – è fisso, mentre il catodo collegato a terra si trova su un lungo supporto che consente di regolare la distanza tra gli elettrodi lungo quasi l’intera lunghezza della colonna. Tutti i cavi elettrici sono coassiali, correttamente collegati a terra, e adatti per la tensione e la corrente utilizzate per proteggere contro i rischi per la sicurezza delle persone inerenti al sistema in esame.

Come alimentatore ad alta tensione si può usare un alimentatore auto-costruito o, più semplicemente, un alimentatore commerciale, oppure recuperato da un vecchio televisore o monitor di PC con tubo a raggi catodici (tipicamente basato su un  trasformatore flyback e un raddrizzatore). La tensione di uscita fornita dall’alimentatore deve essere variabile con continuità, ad es. ponendo un dimmer al suo ingresso AC, in pratica un regolatore elettronico di tensione utilizzante un Triac (sigla che sta per “Triodo per Corrente Alternata”). Questo tipo di regolatore aggiungerà impulsi con frequenza che dipende dal duty cycle usato.

Un regolatore di tensione elettronico da 2000 W con uscita variabile da 50 V a 250 V.

Se non si vogliono introdurre queste frequenze aggiuntive (kHz) al fine di avere un’uscita in corrente continua “pulita”, per gli alimentatori di bassa potenza il metodo di regolazione della tensione era – secondo la vecchia scuola – il “regolatore di shunt”, che utilizzava un triodo a valvole a vuoto per ridurre parzialmente l’uscita ad alta tensione. Tuttavia, oggi il modo più semplice di avere una regolazione “pulita” è quello di fornire tensione all’alimentatore ad alta tensione tramite un “Variac”, che permette di regolare con continuità la tensione di rete.

Si noti che già un alimentatore AC per alte tensioni auto-costruito da 16 kV (a 25 kHz), come ad es. quello illustrato qui, o uno AC da 2-5 kV (a 35 kHz) commerciale basato su un flyback come quello illustrato qui, aggiungono la propria frequenza di oscillazione. Se non le vogliamo, dobbiamo ripiegare su altri tipi di circuiti, come ad es. i “moltiplicatori di tensione”, che però per tensioni elevate pongono problemi costruttivi non banali perché si possono creare scariche ad arco con la terra.

Schema di un circuito moltiplicatore di tensione a 3 stadi, che effettua la rettificazione e la moltiplicazione della tensione alternata di ingresso grazie a diodi per alta tensione e condensatori. Il circuito, riportato solo per completezza di informazione, è pericoloso, ancor di più se non si usa un trasformatore di isolamento e una resistenza limitatrice di corrente.

In generale, la funzione del circuito che pilota un trasformatore flyback è di simulare un ingresso pulsato (a onda quadra) ad alta frequenza che permette a tale trasformatore di funzionare. L’onda quadra generata tipicamente ha una frequenza fra 25 e 100 kHz, ma il valore esatto può variare da un trasformatore flyback a un altro. Il circuito contiene spesso un timer-55 usato in modalità astabile, il che genera un’onda quadra. L’uso di un’alimentazione pulsata non è un problema per il nostro tubo a scarica.

Piuttosto, lo è il fatto che alcuni degli alimentatori di alta tensione che abbiamo citato forniscono un’uscita in corrente alternata (AC). Dato che per il nostro tubo a scarica ci serve una tensione continua, non alternata – cioè con la corrente che scorra unidirezionalmente, non una volta in un senso e una volta nell’altro – all’uscita di questi generatori di tensione dovremo applicare un diodo per alte tensioni o un raddrizzatore per alte tensioni, adeguato per la tensione max del nostro alimentatore.

In generale, le tipiche condizioni di funzionamento in una normale scarica a corrente continua a bassa pressione in aria o in argon sono: pochi torr di pressione (la pressione atmosferica normale al livello del mare è di 760 torr o mmHg), una tensione dell’ordine di 2 kV, una corrente dell’ordine di 100 mA. Il catodo dovrebbe essere realizzato in conduttore metallico con un elevato coefficiente di emissione secondaria γ. Talvolta (ad es. in lampade a scarica e tubi al neon) si usa un catodo cavo, anzichè piatto, per una conduzione a una tensione più bassa o con maggiore corrente.

Esempi di lampade a scarica a catodo cavo.

La prima cosa con cui viene naturale sperimentare è un tubo pieno d’aria in cui viene fatto il vuoto per cui, dato che  l’aria è composta da vari gas ma per circa 4/5 da azoto (21% di O2, 78% di N2, e poi CO2 e altre impurità), sarà un po’ come sperimentare con un tubo con azoto a bassa pressione. I plasmi in aria sono influenzati da reazioni plasmo-chimiche con produzione di ossidi di azoto, ozono, dissociazione di O2 e N2. Sono presenti (anche nei relativi spettri) stati energetici atomici e molecolari.

Di solito, nei tubi a scarica vengono usati gas nobili diversi dall’azoto (come ad es. elio, neon, argon, xeno e krypton)  perché questi non subiscono reazioni o dissociazioni plasmo-chimiche. Sono presenti (anche nei relativi spettri) solo gli stati atomici delle orbite elettroniche. Queste portano a transizioni fra stati energetici degli elettroni legati con emissioni di righe (spettro di righe), mentre nel caso dell’aria le transizioni di elettroni legati tra due livelli energetici molecolari portano a emissioni di bande.

Alla normale pressione atmosferica, i gas sono cattivi conduttori di elettricità. Se noi applichiamo una differenza di potenziale dell’ordine di 30 kV fra due elettrodi posti nell’aria alla distanza di 1 cm l’uno dall’altro, la conduzione elettrica inizia sotto forma di scintille. Ma questa cosiddetta “tensione di scarica”, in generale, dipende dal gas utilizzato e da due parametri: la pressione (p) nel tubo e la distanza fra i due elettrodi (d). Ebbene, la curva di Paschen è un grafico che fornisce, per un dato gas, la tensione di scarica tra due elettrodi in un gas in funzione del prodotto pd fra i due suddetti parametri.

La curva di Paschen per alcuni gas puri.

Alcuni esempi di tubi a scarica in aria 

Possiamo in pratica realizzare una classica scarica a bagliore in un tubo di Crookes, cioè in un tubo di vetro per scarica evacuato ad una pressione di circa 10-5-10-6 torr, con un elettrodo metallico all’interno posto ad entrambe le estremità. Il bagliore è dovuto a una tensione di diverse migliaia di volt applicata tra gli elettrodi, che fa ionizzare il gas all’interno del tubo, consentendo a una corrente di attraversarlo. In figura, il catodo (elettrodo negativo) si trova a sinistra, l’anodo (elettrodo positivo) è a destra.

Si noti che, se il tubo è molto lungo (ad es. 25 cm), non succede nulla alla pressione atmosferica, poiché la tensione dell’alimentatore è in generale troppo bassa per passare attraverso 25 cm di aria all’interno della colonna. Tuttavia, una scarica a bagliore sotto forma di uno streamer sottile si può formare tra gli elettrodi dopo l’accensione di una pompa da vuoto e che la pressione è scesa a circa 100 Torr (1/10 di quella atmosferica). Via via che la pressione continua a scendere, lo streamer diventa più vivido.

Un esempio di scarica a bagliore in aria a bassa pressione.

Lo streamer si irradia, a queste pressioni, con un bagliore piuttosto rosa / violetto. Quando la pressione viene abbassata a circa 5 Torr (circa 1/150 di quella atmosferica), il bagliore rosa si allontana dal catodo, lasciando un bagliore luminoso bluastro accanto al catodo e uno spazio buio (noto come lo “spazio oscuro di Faraday”) tra le aree di luce rosa e blu. A circa 1 Torr (cioè a 1,3 mbar), il bagliore blu negativo si separa dal catodo, e la colonna rosa positiva si divide in una serie di strisce separate (striature).

Le regioni di scarica nel tubo, da sinistra a destra, sono: bagliore catodico, che è la prima regione chiara violacea a sinistra accanto allo spazio oscuro del catodo (la banda più scura tra le due regioni più luminose vicino al catodo); bagliore negativo, che è la seconda regione più luminosa e violacea accanto allo spazio oscuro di Faraday; colonna positiva, la colonna rosa che riempie il lato destro del tubo; bagliore anodico, che è lo strato particolarmente luminoso adiacente all’anodo all’estrema destra.

Per avviare il bagliore in corrente continua, l’aria (in questo caso), o l’argon, l’elio o un altro gas che riempie lo spazio tra gli elettrodi, devono diventare conduttivi. La tensione applicata dall’alimentatore ad alta tensione e quindi il campo elettrico nel gap fra gli elettrodi devono essere abbastanza alti per avviare la scarica elettrica. Dunque, un interessante esperimento didattico è misurare il potenziale di partenza necessario per avviare un flusso di corrente continuo e autosufficiente attraverso il tubo.

A destra, la caratteristica tensione-corrente (I-V) dei tubi a scarica in gas a bassa pressione a catodo freddo (a differenza di quelli termoionici che hanno il catodo caldo e operano sotto un alto vuoto). A sinistra, il tubo può essere usato come rivelatore Geiger se fatto operare nel regime di “transizione” (Geiger region).

Nota che la caratteristica I-V (cioè la curva corrente-tensione tipica) dei tubi di scarica in un gas ha la forma di una curva a S (vedi qui) e 3 grandi regioni: scarica oscura, a bagliore, ad arco. Per impostare un punto operativo stabile, quindi, è opportuno utilizzare fonti di corrente costante anziché fonti di tensione costante. Quindi, devi stabilizzare la corrente nel tubo al valore richiesto. Il miglior modo di farlo è usare fonti di corrente costante, ad esempio costruite mediante transistor con la corrente di collettore o di drenaggio che passa attraverso il tubo di scarica.

In generale, una sorgente di corrente costante può essere definita come una sorgente avente un’impedenza molto più grande dell’impedenza del carico che alimenta. Schematicamente ciò può essere mostrato nella figura qui sotto: in pratica, quando R2 cambia l’impedenza, c’è un effetto trascurabile sulla corrente attraverso R1. Pertanto, R1 e R2 hanno una corrente costante. Ciò può essere realizzato in due modi. Il primo è usare una resistenza esterna come dispositivo di regolazione della corrente. Il secondo è quello di regolare elettronicamente la corrente con un complesso controllo di feedback.

La regolazione della corrente con una resistenza esterna.

Naturalmente, è possibile anche realizzare tubi a scarica con mezzi molto modesti, specie se ci si accontenta di creare un plasma luminoso in aria. Ad esempio, facendo un vuoto dell’ordine di 1/10 della pressione atmosferica (v. il mio articolo Come realizzare una pompa da vuoto fai-da-te) si può usare un comune barattolo di vetro della passata di pomodoro, nel quale praticheremo un foro per il collegamento alla pompa da vuoto e due fori (uno nel coperchio e uno nel fondo) per gli elettrodi.

Nell’esempio in questione, effettivamente realizzato da un dilettante, gli elettrodi erano di carbone (grafite) ed è stato usato il trasformatore ad alta tensione di un vecchio forno a microonde. Un tipico trasformatore di un microonde domestico a microonde ha due avvolgimenti secondari: uno fornisce da 3,1 -3,2 volt, mentre l’avvolgimento ad alta tensione fornisce 1.800-2.800 V. L’uscita a bassa tensione viene utilizzata per accendere il filamento nella valvola a vuoto generatrice di microonde (chiamata magnetron).

Una scarica con relativo plasma realizzata in un barattolo della passata di pomodoro in cui è stato fatto il vuoto a circa 1/10 della pressione atmosferica con un sistema da vuoto fai-da-te.

L’uscita AC ad alta tensione del trasformatore del forno a microonde, invece, viene rettificata e raddoppiata utilizzando un circuito raddoppiatore di tensione (diodo e condensatore ad alta tensione) per alimentare il magnetron. Un trasformatore del forno a microonde e un duplicatore di tensione funzionano a livelli di tensione e corrente letali per l’uomo, quindi non usarli mai se non sei adulto e non sai esattamente cosa stai facendo. Piuttosto, usa l’alimentatore della sfera al plasma citato in precedenza.

In quel caso, lo sperimentatore dilettante ha usato un metodo astuto per innescare la scarica nel barattolo di vetro, basato sul fatto che le lampade fluorescenti utilizzano una scintilla ad alta tensione per accendere il plasma (condensatore di avviamento, modulo boost-up per caricarlo, etc.): attaccare un filo elettrico molto sottile al primo elettrodo e farlo pendere liberamente attorno al secondo elettrodo. Scuotendo la bottiglia, il filo toccherà un elettrodo e accenderà un arco, che inizierà a fondere questo filo lungo il suo percorso verso il primo elettrodo. Alla fine, dentro la bottiglia rimarrà il plasma.

AVVERTENZE – Lavorare con sorgenti di alte tensioni può essere potenzialmente letale. Usare l’alta tensione è pericoloso e può causare scosse elettriche o ustioni. Per qualsiasi lesione provocata da questi dispositivi non mi assumo alcuna responsabilità. Tutto ciò che fai è a tuo rischio. Pertanto, questa esperienza è riservata esclusivamente a sperimentatori adulti con un background elettronico, fisico o ingegneristico, e devono essere adottate tutte le accortenze del caso, documentandosi a riguardo su Internet.

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