Huumlahendus

Huumlahendus on kvaasistatsionaarse sõltumatu gaaslahenduse tüüpiline vorm, mis tekib pinge rakendamisel gaasile. Huumlahenduse mõnes piirkonnas on aine plasmaolekus. Ioonide tekkimisel suureneb lahendusvahemiku elektrijuhtivus ja gaasi läbib elektrivool. 
Ergastamise ja relakseerumise ning ioniseerimise ja rekombineerumise protsesside käigus muudetakse elektrivälja energia valguseks ja soojuskiirguseks. 
Huumlahenduse olulised rakenduseks on gaaslaserid, erinevad valgusallikad ja ainete tuvastamine analüütilises keemias.

Omadused

Huumlahendus võib tekkida väga erinevate tingimuste juures: muutuda võivad gaasi rõhk ja koostis, anuma kuju ja mõõtmed, gaasile rakendatud pinge. Huumlahendus võib olla ajas muutumatu (statsionaarne) või kesta vaid piiratud ajavahemiku jooksul. Huumlahenduse tüüpilisi omadusi on lihtsaim vaadelda statsionaarsel juhul suhteliselt väikese rõhu juures, näiteks p = 1 torr = 133 Pa, mis on 760 korda väiksem atmosfäärirõhust. Huumlahenduse vaatlemiseks sobib joonisel 1 kujutatud katseskeem, kus uuritav gaas asub ~0,5 m pikkuses ja mõne sentimeetri jämeduses klaastorus. Viimase otstes paiknevad plaatelektroodid on ühendatud jadamisi muudetava ballasttakisti ja alalispingeallikaga. Sobiva ballasttakistuse valimisega saab reguleerida gaasi läbivat voolu, kuna kehtib Ohmi seadus. Negatiivse potentsiaaliga elektroodi nimetatakse katoodiks ning positiivsega anoodiks. Ampermeetriga mõõdetakse gaasi läbiva elektrivoolu tugevust ja voltmeetriga pinget elektroodidel.
Ülaltoodud tingimustel toimuva gaaslahenduse voltamperkarakteristikut on kujutatud joonisel 2.
Huumlahendus jääb piirkonda BE. Väiksema voolutugevusega Townsendi lahenduselt (piirkond AB) huumlahendusele üleminekuks peab pinge elektroodidel saama suuremaks läbilöögipingest UB. Üleminek on hüppeline ja sellega kaasneb elektroodide vahelise pingelangu järsk vähenemine. Huumlahendusele üleminekul kahaneb plasmas eralduv võimsus, mis viitab protsessi efektiivsuse kasvule.
Huumlahenduse normaalses piirkonnas CD jääb voolutihedus elektroodidel praktiliselt muutumatuks kuna voolu kasvades suureneb voolu juhtiva katoodiosa pindala. Pingetel UC kuni UD läbib vool vaid katoodi keskmist piirkonda ja servades vool puudub. Seetõttu püsib ka pinge piirkonnas CD peaaegu konstantsena. Punktis D katab plasma kogu elektroodi ja voolutugevuse suurenemisel peab kasvama ka voolutihedus, mille saavutamiseks tuleb tõsta pinget elektroodidel (piirkond DE). Suure voolutiheduse korral hakkab katood kuumenema ning termoemissiooni toimel elektrone välja paiskama. Punktis E omandab termoelektronide tekkimise kiirus kriitilise väärtuse ja toimub üleminek huumlahenduselt kaarlahendusele.

Toimemehhanism

Katoodilähedases piirkonnas on positiivsete ioonide ruumlaengu elektriväli tugev ja seetõttu hakkavad katoodist emiteerunud elektronid kiirenevalt anoodi poole liikuma. Astoni pimeruumis on elektronide kiirus liiga väike, et gaasi molekule ergastada või ioniseerida ja seetõttu seal kiirgust ei teki. Katoodlaigu piirkonda jõudes on elektronid omandanud piisavalt suure energia, et molekule ergastada. Põhiseisundisse tagasipöördumisel hakkavad molekulid valgust kiirgama ja tekib katoodilähedane helendus. Osa elektrone läbib katoodlaigu ilma põrgeteta ja nende edasisel kiirenemisel suureneb tõenäosus, et põrkel molekuliga toimub ergastamise asemel ionisatsioon. Seetõttu on Crookesi pimeruumis kiirgus nõrk, kuid tekib rohkesti juurde positiivseid ioone ja elektrone. Ioonide liikuvus on väike ja elektronid lahkuvad piirkonnast kiiremini kui ioonid. Seetõttu omandab Crookesi pimeruum positiivne ruumlaengu, mis ongi katoodilähedase pingelangu põhjustajaks.
Osa elektrone jõuab negatiivse helenduse piirkonda, omades molekulide ergastamiseks piisavat kineetilist energiat. Samuti tekib selles piirkonnas rekombinatsioonikiirgus.
Faraday pimeruumi liiguvad laengukandjad difusiooni teel. Laengukandjate kontsentratsioon on siin oluliselt väiksem kui negatiivse helenduse piirkonnas ja rekombinatsiooni tõenäosus väheneb. Faraday pimeruumis tekib nullist erinev elektriväli, mis elektrone anoodi poole kiirendab. Positiivse samba alguses saavutavad elektronid molekulide ergastamiseks vajaliku energia ja põhiseisundisse naasevad molekulid kiirgavad valgust. Mõned elektronid omavad gaasi ioniseerimiseks piisavat energiat ja toru telje lähedal on elektronide ja positiivsete ioonide kontsentratsioon suurem kui välimistes piirkondades. Laengukandjad liiguvad difusiooni toimel seinte poole, kus tekib rekombinatsioonikiirgus.
Nii positiivses sambas kui ka negatiivse helenduse piirkonnas on täidetud kvaasineutraalsuse tingimus: elektronide ja positiivsete ioonide kontsentratsioonid on ligikaudu võrdsed ja aine on plasmaolekus.

Rakendused

Gaaslaserites rakendatakse positiivses sambas tekkivat pöördhõivet valguse võimendamisel. Suure võimsusega CO₂ lasereid kasutatakse näiteks metalli lõikamisel ja keevitamisel.
Huumlahenduse kiirgust kasutatakse erinevat tüüpi valgustites. Huumlahenduse enda kiirgust on näha näiteks neooniga täidetud signaallampides ja samuti reklaamlampides. Erinevat värvi kiirguse saamiseks varieeritakse gaasi koostist. Luminofoorlampides jääb huumlahenduse kiirgus põhiliselt ultravioletsesse piirkonda ja see muudetakse nähtavaks valguseks lambi sisepinnale kantud luminofoori abil.
Huumlahendust kasutatakse analüütilises keemias materjali koostise määramiseks. Katood valmistatakse uuritavast materjalist ja sellest eraldunud ioone tuvastatakse massispektromeetria abil.