Světlé a tmavé části ve výboji

Pouhým okem světlé a tmavé části výboje nepozorujeme, protože nevidíme zářit výboj, ale světlo z luminoforu. Většina částí výboje je navíc velmi krátká a téměř celou trubici vyplňuje svítící tzv. kladný sloupec. První částí výboje je tzv. Astonův temný prostor, který je těsně u katody. Směrem k anodě následuje svítící katodová vrstva. Potom je opět tmavá část výboje tzv. Crookesův temný prostor a za ním následuje doutnavé katodové světlo a Faradayův temný prostor. Ten odděluje katodové světlo od další svítící části, a to od kladného světelného sloupce (někdy je též nazýván kladný anodový sloupec). Následuje temný anodový prostor a anodové doutnavé světlo (viz obr. 1)

Obr. 1 Nahoře - Schéma částí v trubici s doutnavým výbojem, dole - průběh napětí v této trubici. Tento obrázek je jen schematický, ve skutečnosti jsou části kolem elektrod velmi úzké a většinu trubice vyplňuje kladný sloupec. [6]
1 ........ Astonův temný prostor
2 ........ katodová vrstva
3 ........ Crookesův temný prostor
4 ........ doutnavé katodové světlo
5 ........ Faradayův temný prostor
6 ........ kladný světelný sloupec
7 ........ temný anodový prostor
8 ........ anodové doutnavé světlo.

Graf 1 Rozložení prostorového náboje v trubici s doutnavým výbojem:
1- Astonův temný prostor
2 ........ katodová vrstva
3 ........ Crookesův temný prostor
4 ........ doutnavé katodové světlo
5 ........ Faradayův temný prostor
6 ........ kladný světelný sloupec
7 ........ temný anodový prostor
8 ........ anodové doutnavé světlo.

Při vysvětlení vzniku těchto částí výboje, se musíme podívat podrobněji na děje uvnitř trubice. Při výboji jsou v trubici přítomny jak elektrony a ionty tak neutrální atomy. Napětí mezi elektrodami nabité částice urychluje a kladné ionty se tak pohybují směrem ke katodě a záporné elektrony směrem k anodě. Elektrony nemají takovou hmotnost jako ionty, a tak jsou elektrickým polem urychleny více. Ionty tedy zůstávají v prostoru mezi elektrodami déle a potenciál v trubici neklesá rovnoměrně (viz obr. 1 a graf 1). Kladné ionty jsou urychlovány především v Crooksově tmavém prostoru. Při dopadu na katodu z ní vyrazí elektrony. Ty zpočátku nemají dostatek energie na excitaci atomů, a tak katodový temný prostor nezáří. V této oblasti jsou ale velmi rychle urychleny tak, že jejich energie je dostatečná, aby při jejich srážkách s atomy mohlo dojít k jejich excitaci, a tak vzniká svítící katodová vrstva. Elektrony jsou i v této oblasti urychlovány, až na jejím konci mají takovou energii, že dokáží ionizovat atomy. Excitaci nedochází, a tak vznikne Crooksův tmavý prostor. V této oblasti ztratí elektrony část energie, takže v další oblasti již k excitaci částic dochází, což se projeví jako doutnavé katodové světlo. Srážkami se však elektrony přibrzdí, nemají dostatek energie na další excitaci, a tak zaniknou i světelné jevy. Tato oblast odpovídá Faradayově temnému prostoru. Díky nárůstu potenciálu v této oblasti se opět zvyšuje rychlost elektronů a tedy i jejich energie tak, že jsou schopny zase excitovat atomy a některé dokonce i ionizovat a vyvolat silné záření v kladném sloupci.

Kladný sloupec je nejdůležitější částí výboje a jak již bylo řečeno, zaujímá největší část trubice. Všechny ostatní části výboje jsou velmi krátké, ale jsou důležité pro vytvoření dostatečného množství volných nabitých částic. V kladném sloupci plyn tvoří plazmu. Nachází se tu elektrony, ionty a neutrální částice, přičemž elektrony a ionty jsou zde v přibližně stejném počtu. V této části se pohybují částice nejen k elektrodám ale i ke stěnám trubice, kde rekombinují (slučují se) na neutrální atomy. Tento pohyb je způsoben elektrickým polem a difúzí. Lehké elektrony dosahují mnohem větší rychlosti při tepelném pohybu než ionty, proto se dostanou snadněji ke stěně trubice a vytvoří tam záporný náboj, který potom přitahuje kladné ionty. Ty potom s elektrony rekombinují, což ovšem způsobí, že je u stěny méně nabitých částic, a tak se tam přesouvají nabité částice ze středu, aby se koncentrace vyrovnaly. Tomuto přesouvání částic se říká ambipolární difúze. Aby se udržel výboj stabilní, musí být úbytek nabitých částic ve středu trubice kompenzován vznikem nových částic v důsledku ionizace. Takto vzniká rovnovážný stav se stále stejným zastoupením nabitých částic. Při rekombinaci nabitých částic na stěnách se uvolňuje energie, která však není většinou využita na excitaci luminoforu, ale způsobuje zahřátí stěn, což vede k energetickém ztrátám.

Po kladném sloupci následuje ještě jedna tmavá oblast, kde nedochází k ionizaci a záření a kolem anody je další zářivá oblast. Obě tyto oblasti jsou jen velmi úzké.