(Fr.: décharge à travers un gaz; Du.: Gasentladung; Eng.: gaseous discharge), de geleiding van elektrische stroom door een gas. De gasontlading kan zowel door kortstondige stroompulsen (bijv. flits, bliksem) als door continue stroomdoorgang (bijv. gasontladingslamp) gebeuren.
Op zich zelf is een gas een goede isolator, aangezien slechts een gering aantal geladen deeltjes (elektronen en ionen) in een gas in normale toestand aanwezig is; deze deeltjes ontstaan op een natuurlijke wijze door inval van kosmische en radioactieve straling. Wanneer er geen (bijv. door een gloeidraad) vrije elektronen in het gas geproduceerd worden, zijn deze vrije ladingsdragers (al is hun aantal nog zo gering) essentieel voor het tot stand komen van een gasontlading.
Onderstel dat in een met gas gevuld volume twee vlakke elektroden zijn aangebracht, waartussen een regelbare spanning wordt aangelegd, en dat de onderlinge afstand klein is ten opzichte van de afmetingen van de elektroden. Bij het verhogen van de aangelegde spanning neemt de stroom geleidelijk toe. Bij een bepaalde waarde van de spanning (doorslagspanning) verliest het gas zijn isolerende eigenschappen. De spanning waarbij doorslag optreedt is afhankelijk van de aard van het gas, de gasdruk en de afstand tussen de elektroden. Zo zal in lucht van atmosferische druk en met een elektrodenafstand van 1 cm, doorslag optreden bij een spanning van ca. 30.000 V. De doorslagspanning is een stijgende functie van de grootte van het produkt van de gasdruk p met de elektrodenafstand d, althans voor niet te kleine pd-waarden (wet van Paschen).
Gedrag van elektronen en ionen in een elektrisch veld.
De elektronen bewegen onder invloed van een elektrisch veld, tengevolge van hun negatieve lading, naar de anode, waardoor de elektronen energie uit het veld opnemen en hun kinetische energie verhogen; anderzijds staan zij energie af door botsingen met de gasmoleculen. Als gevolg hiervan stelt zich zeer snel een evenwicht in, waarbij de elektronen gemiddeld evenveel energie afstaan door botsingen, als zij winnen uit het veld. In de literatuur zijn verschillende energieverdelingen beschreven, waaronder de Maxwell-Boltzmanverdeling de meest bekende is. De energieoverdracht door elektronen aan de gasmoleculen kan op verschillende manieren gebeuren. In elastische stoten wordt slechts een kleine fractie van de energie overgedragen, namelijk 2m/M, waarbij m en M de massa van resp. het elektron en het molecule zijn. Bij niet-elastische botsingen wordt het molecule hetzij aangeslagen in een hogere energietoestand, hetzij geïoniseerd; in het laatstgenoemde geval wordt een elektron geheel van het molecule verwijderd en verliest het aanbotsend elektron minstens de ionisatie-energie. Een aangeslagen molecule zal meestal in zeer korte tijd naar de grondtoestand (stabiele toestand van laagste energie) vervallen met uitzenden van een energiequantum (foton). Globaal bezien beschrijven de elektronen een zig-zagbeweging door het gas en leggen kleine afstanden af (in de veldrichting gezien) met snelheden van 104...105 m s−1, afhankelijk van de grootte van het elektrisch veld en van de gasdruk. Voor deze driftsnelheid van de elektronen geldt de betrekking: v = μE, waarin E de elektrische veldsterkte en μ de beweeglijkheid van de elektronen is; μ is afhankelijk van de aard van het gas en de gasdruk.
De ionen daarentegen bewegen zich, als gevolg van hun grotere massa, ca. 200 maal langzamer. Een tweede belangrijk onderscheid is dat de kinetische energie van de ionen over het algemeen klein blijft doordat zij bij elastische botsingen het grootste deel van hun kinetische energie overdragen op neutrale gasmoleculen met ongeveer de zelfde massa. Hieruit volgt dat over het algemeen alleen de elektronen verantwoordelijk zijn voor excitatie en ionisatie van het gas.
Bij de studie van gasontladingen is de evenwichtsenergie en dus ook de energieverdeling van de elektronen van fundamenteel belang. De energieverdeling geeft inderdaad het aantal elektronen aan dat voldoende energie heeft om moleculen te exciteren of te ioniseren. De energie gewonnen uit het veld tussen twee botsingen wordt gegeven door: e E l, waarin e de lading van het elektron is, E de veldsterkte en l de gemiddelde vrije-weglengte van de elektronen; l is omgekeerd evenredig met de gasdruk. Hieruit volgt dat de gemiddelde energie, en ook de energiedistributie een functie is van E/p.
Processen bij doorslag; vormen van gasontladingen.
Elektronen die in het gas aanwezig zijn worden in het elektrische veld versneld; er stelt zich een energiedistributie in. Elektronen met een energie groter dan de ionisatiepotentiaal van het gas kunnen bij botsing gasmoleculen ioniseren. De nieuw gevormde elektronen versnellen op hun beurt en werken eveneens ioniserend. Aldus ontstaat in korte tijd een lawine van vrije ladingen (elektronen en ionen). Een kenmerkende grootheid bij de beschrijving van deze elektronenmultiplicatie is de primaire (townsend) ionisatiecoëfficiënt ⍺; deze geeft aan hoeveel ionenparen (elektron + ion) er gevormd worden bij de driftbeweging van een elektron over een afstand van 1 cm in de veldrichting. Men kan wiskundig aantonen dat door een elektron dat de afstand d tussen de elektroden doorloopt e⍺d ionenparen gevormd worden.
Er is nog een tweede proces noodzakelijk om tot doorslag te komen: het vrijmaken van secundaire elektronen aan de kathode (in sommige speciale gevallen ook in het gas) door inval van in de lawine geproduceerde ionen en fotonen. Doorslag treedt op indien: γ(e⍺d − 1) = 1. Hierin is γ de secundaire (townsend)coëfficiënt die aangeeft het aantal secundaire elektronen dat aan de kathode (of eventueel in het gas) wordt vrijgemaakt door fotonen en ionen per ionenpaar dat wordt geproduceerd in de lawines. Deze betrekking wordt het townsendcriterium voor doorslag genoemd. Fysisch betekent dit dat voor elk elektron dat de kathode verlaat, een nieuw elektron wordt gevormd door secundaire emissie aan de kathode.
Al naar gelang de omstandigheden kunnen verschillende vormen van ontlading voorkomen. In afb. 1 wordt schematisch het verloop van de spanning over de ontladingsruimte weergegeven als functie van de stroom (logaritmische schaal) voor een lage-drukontlading met koude kathode. Aanvankelijk moet de spanning sterk opgedreven worden om een merkbare toename van de stroom te verkrijgen (AB) (ca. 10−12 A). Bij de doorslagspanning VD gaat de ontlading over in een zelfstandige townsendontlading (BC), gepaard gaande aan een veel hogere stroomsterkte (ca. 10−6 A), bepaald door de uitwendige weerstand die in de stroomkring is opgenomen. Laat men de stroom verder stijgen, dan doorloopt de ontlading de negatieve spanningskarakteristiek (CD) en komt in het gebied van de normale glimontlading (DE).
De glimontlading kan worden onderhouden door een veel lagere spanning dan de doorslagspanning. De verklaring hiervoor is de volgende: vlak voor de kathode ontstaat een ophoping van positieve ionen (positieve ruimtelading), zodat in die zone een versterkt elektrisch veld ontstaat; hierdoor wordt een groot gedeelte van de excitatie- en de ionisatieprocessen geconcentreerd in deze zone, waardoor de secundaire emissie van elektronen uit de kathode meer efficiënt verloopt (N.B.: de spanning over de buis blijft constant binnen ruime stroomgrenzen). In spanningsstabilisatorbuizen wordt van deze eigenschap gebruik gemaakt. Het vergroten van de stroomsterkte in het gebied van de normale glimontlading betekent dat de ontlading zich geleidelijk uitbreidt over het gehele kathode-oppervlak. Verdere stroomtoename (anomale glim EF) kan slechts bereikt worden door de spanning over de buis verder op te drijven. Hierdoor worden zowel het gas als de kathode sterk verhit en gaat de kathode zelfs gloeien. Dit brengt met zich mee een verhoogde emissie (thermionische en veldemissie) van de kathode. Wanneer deze nieuwe mechanismen in werking treden doorloopt men opnieuw een negatieve karakteristiek (FG) en gaat de ontlading over in een boog met nog lagere brandspanning. Daarin is er naast de ionisatie door elektronen ook ionisatie door thermische stoten van gasmoleculen en ionen. Het gebied van de boogontlading strekt zich uit tot honderden ampères. De temperatuur in het centrum van de boog kan oplopen tot 50.000 K.
Niet alleen met gelijkspanning, ook met wisselspanning kan men een zelfstandige ontlading opwekken. Voor lage frequenties (de periode is groot vergeleken met de drifttijden van elektronen en ionen tussen beide elektroden) krijgt men hetzelfde doorslagmechanisme als bij gelijkspanning. Hierbij vervullen de elektroden om beurten de rol van kathode. Bij zeer hoge frequenties (⪢ 106 Hz) kunnen de ladingdragers de afstand tussen beide elektroden niet meer doorlopen in een periode; de elektronen bewegen over een zeer beperkte afstand heen en weer en ioniseren het gas. Het verlies van geladen deeltjes uit de actieve ladingszone is hier hoofdzakelijk te wijten aan diffusie naar de wand. Doorslag betekent in dergelijk hoogfrequent wisselveld dat door ionisatie evenveel ionenparen geproduceerd worden als er door diffusie verloren gaan; secundaire processen aan de kathode zijn hierbij van geen betekenis meer. De ontlading kan daardoor opgewekt worden bijv. in een glazen vat, gevuld met gas, met uitwendig aangebrachte elektroden. In afb. 2a zijn schematisch de verschillende gebieden opgetekend die men in een glimontlading kan waarnemen; hierbij dient opgemerkt te worden dat de afstand tussen de elektroden veel groter is dan hun afmetingen.
Afb. 2b toont het verloop van de spanning over de buis. Het steile spanningsverloop tussen kathode en het negatieve glimlicht wordt veroorzaakt door de ruimtelading van de positieve ionen en staat bekend als de kathodeval. Hierdoor neemt in deze zone de veldsterkte toe en in de rest van de buis af. Het effect hiervan is tweevoudig: enerzijds vermeerdert de totale ionisatie in de buis doordat de verhoging van ionisatie in het gebied van hoge veldsterkte niet volledig te niet gedaan wordt door de verlaging over de rest van de buis; anderzijds betekent de concentratie van de ionisatie en de excitatie in de omgeving van de kathode een meer optimale secundaire emissie aan de kathode door de gunstiger geometrie. Dit verklaart waardoor, wanneer de ruimtelading zich heeft ingesteld, de onderhoudspanning lager is dan de doorslagspanning. Wanneer de kathodeval is doorlopen, daalt de gemiddelde energie van de elektronen door ionisatie en excitatie (negatief glimlicht) van het gas. In de donkere zone van Faraday is de energie van de elektronen zo laag dat bijna uitsluitend elastische botsingen plaatsvinden.
Hier herstelt het veld zich enigszins en neemt de elektronenenergie weer toe, waardoor opnieuw ionisatie en excitatie plaatshebben in de positieve zuil. Afhankelijk van de druk en de aard van het gas kan de zuil homogeen zijn of een regelmatig laagjespatroon vertonen (gestrieerde zuil).
De positieve zuil is een voorbeeld van een plasma, dat bestaat uit een statistisch stabiele verzameling van elektronen, ionen en neutrale gasmoleculen. Globaal is het plasma neutraal, het bevat dus evenveel ionen als elektronen (concentratie van de elektronen: 1010...1013 ionen per kubieke centimeter). Het daar heersende veld is juist groot genoeg om de verliezen door diffusie naar de wand en de recombinatie van ionen en elektronen te compenseren door nieuwe ionisatieprocessen. Het licht van de positieve zuil is minder helder dan het negatieve glimlicht en vertoont een kleur die kenmerkend is voor het gas.
Tot nu toe werd uitsluitend de ontlading met koude kathode besproken. Men kan door een gloeikathode te gebruiken de doorslagspanning drastisch verlagen; de ontlading zelf moet dan niet meer instaan voor de secundaire emissie van elektronen aan de kathode; rondom de gloeikathode stelt zich een elektronenwolk in die als reservoir van elektronen fungeert. Hierdoor vervalt de noodzaak van secundaire emissie aan de kathode door fotonen en ionen uit de ontlading.
Een grootheid die van belang is in bepaalde toepassingen (bijv. in detectieapparatuur voor straling) is de opbouwtijd van de ontlading. Wanneer op een bepaald ogenblik de spanning aangelegd wordt, verloopt een zekere tijd voordat de ontlading tot stand komt. Neemt men aan dat op elk ogenblik elektronen in het gas aanwezig zijn, dan zullen deze naar de anode driften en het gas ioniseren resp. aanslaan. Secundaire elektronen worden dan aan de kathode vrijgemaakt door fotonen en ionen met een zekere vertraging; deze ioniseren op hun beurt. Zo moet een aantal cycli doorlopen worden tot er voldoende ionisatie is en doorslag optreedt. Deze opbouwtijd is afhankelijk van de aard van het gas en de gasdruk. Zo is het bekend dat waterstof een korte opbouwtijd heeft (grootteorde: μs), terwijl zuivere edelgassen een veel langere opbouwtijd vergen (grootteorde: ms). In alle gevallen wordt de doorslagtijd belangrijk korter naarmate de aangelegde spanning de doorslagspanning meer overschrijdt.
Er dient te worden opgemerkt dat in bepaalde omstandigheden (hoge druk en zeer hoge overspanning) een ander mechanisme van doorslag optreedt: de kanaaldoorslag. In dit proces ontstaat doorslag rechtstreeks in het gas, zonder secundaire effecten aan de kathode. Vertrekkend uit de eerste lawine bouwt zich een grote concentratie van elektronen en ionen op; doordat beide ruimteladingen enigszins uiteendriften ontstaat een sterke veldvervorming: tussen beide ruimteladingen is het veld verzwakt, er buiten versterkt (afb. 3). Door foto-ionisatie in de onmiddellijke omgeving van de lawine ontstaan nieuwe elektronen die op hun beurt leiden tot een versterkte ionisatie. Op deze wijze breidt de ionisatie zich met toenemende snelheid uit, zowel in de richting van de anode als in die van de kathode. Uiteindelijk is tussen beide elektroden een plasmakanaal met hoge geleidbaarheid gevormd en doorslag treedt op als een in de ruimte eng begrensde heldere vonk. De opbouwtijden voor een dergelijke doorslag zijn veel kleiner dan volgens het townsendmechanisme en kunnen zelfs kleiner worden dan de drifttijd van de elektronen van kathode tot anode. Experimenteel werd als criterium voor kanaaldoorslag vastgesteld, nl. ⍺d ≧ 20. Naast het belang van de vele technische toepassingen, heeft het onderzoek van de gasontladingen in belangrijke mate bijgedragen tot het fundamenteel inzicht in de atoomstructuur en de ontwikkeling van de quantumfysica in de eerste decennia van deze eeuw gestimuleerd. Een meer recente ontwikkeling van de gasontlading heeft geleid tot de plasmafysica waar men vooral oog heeft voor een hoge ionisatiegraad van het gas en hoge temperaturen.
Toepassingen.
De belangrijkste toepassingen van de gasontlading zijn: verlichting (gasontladings- en fluorescentielampen), spectraallampen voor wetenschappelijke doeleinden, detectoren voor de kernfysica (ionisatiekamer, proportionele teller, Geiger-Müllerteller, vonkenkamer), vacuümmeetapparatuur (ionisatie-, penning- en Bayard-Alpertmanometers), lichtbooglamp, elektrische-booglasapparatuur, plasma-oven voor chemische reacties, elektronische flitsapparatuur, lasers. Vroeger veel gebruikte toepassingen als thyratron- en stabilisatiebuizen werden grotendeels verdrongen door halfgeleidertechnieken. Uiteindelijk dient ook vermeld te worden het gebruik van elektronegatieve gassen onder hoge druk voor de isolatie van ondergrondse hoogspanningsgeleiders.