تئوری اصلی تخلیه گاز در لامپ UV 222 نانومتری

تئوری اصلی تخلیه گاز در لامپ UV 222 نانومتری

1. نظریه بهمن الکترونی تاونسند

پدیده عبور جریان الکتریکی از گاز را هدایت گاز یا تخلیه گاز می نامند. شرایط عملیاتی مختلف، پدیده های تخلیه گاز متفاوتی را ایجاد می کند و خواص تخلیه متفاوتی دارد. هنگام مطالعه پدیده‌های تخلیه گاز، تخلیه‌ها معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: تخلیه غیر خود- و خود{4}}تخلیه پایدار. پدیده انتقال تخلیه از -خود پایدار-به خود پایدار-تجزیه گاز نامیده می‌شود. تخلیه غیرخود{11}}به پدیده‌ای اشاره دارد که در آن تخلیه تنها در شرایط منبع یونیزاسیون خارجی قابل حفظ است. خود{13}}تخلیه پایدار به پدیده‌ای اشاره دارد که در آن با حذف منبع یونیزاسیون خارجی، تخلیه همچنان حفظ می‌شود. تحت عمل یک منبع یونیزاسیون خارجی، هنگامی که ولتاژ در لوله تخلیه لامپ 222 نانومتری UV به مقدار کافی معین افزایش می یابد، جریان داخل لوله به طور ناگهانی افزایش می یابد. در این زمان، اگر منبع یونیزاسیون حذف شود، جریان تخلیه همچنان به اندازه کافی زیاد است، یعنی تشکیل دشارژ در این لحظه هیچ ربطی به وجود یا عدم وجود منبع یونیزاسیون خارجی ندارد و به این حالت خود{17}}تخلیه پایدار می گویند. فرآیند انتقال تخلیه از تخلیه غیر خود-به خود تخلیه پایدار- فرآیند شکست گاز یا فرآیند احتراق نامیده می شود. این پدیده و نظریه تخلیه اولین بار توسط دانشمند تاونسند در اوایل قرن بیستم مورد مطالعه و تثبیت قرار گرفت، بنابراین به آن تخلیه تاونسند می گویند. پس از تجزیه و تحلیل تعداد زیادی از موقعیت‌های تجربی، تاونسند معتقد بود که الکترون‌ها در یک میدان الکتریکی یکنواخت حرکت می‌کنند و پیوسته از میدان الکتریکی انرژی می‌گیرند و الکترون‌ها با اتم‌های گاز برخورد می‌کنند و باعث یونیزه شدن و از دست دادن انرژی می‌شوند. در حالت تعادل، این دو بخش انرژی باید برابر باشند. ذرات باردار تازه یونیزه شده توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند و همچنین می توانند باعث یونیزاسیون شوند. هنگامی که یک الکترون اولیه از کاتد به آند می‌رود و باعث یونیزاسیون برخورد می‌شود، یونیزاسیون‌های 1، 2، 3، 4، ... به ترتیب رخ می‌دهند و الکترون‌های تازه تولید شده نیز به سمت آند حرکت می‌کنند و یونیزاسیون برخورد ایجاد می‌کنند. تعداد الکترون هایی که به سمت آند حرکت می کنند به 2، 4، 8، 16، ... افزایش می یابد تعداد الکترون ها مانند بهمن افزایش می یابد، بنابراین به آن بهمن الکترونی می گویند. تئوری بهمن الکترونی در ناحیه تخلیه که در آن حرکت جهت‌دار الکترون‌ها تحت تأثیر میدان الکتریکی غالب است، کاربرد دارد و حرکت حرارتی نامنظم الکترون‌ها در موقعیت نامناسبی قرار دارد که در فرآیند کار لامپ UV 222 نانومتری نیز منعکس می‌شود. در شکل 2-1 که می توان آن را به سه قسمت T0، T1 و T2 تقسیم کرد. در ناحیه T0 ولتاژ بین الکترودها بسیار کم است و جریان عبوری از گاز نیز بسیار کم است. همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است، از صفر افزایش می یابد و سپس به سمت اشباع میل می کند. این نتیجه مهاجرت هدایت شده ذرات باردار تحت عمل میدان الکتریکی تحت یونیزاسیون باقیمانده است. به دلیل تابش پرتوهای کیهانی و عناصر رادیواکتیو در پوسته زمین، در هر گازی در هر زمان و مکانی مقدار مشخصی الکترون و یون وجود دارد. این پدیده یونیزاسیون باقیمانده نامیده می شود. در غیاب میدان خارجی، این ذرات باردار به طور تصادفی در فضا مانند مولکول های گاز حرکت می کنند. هنگامی که یک ولتاژ پایین در سراسر لوله تخلیه لامپ UV 222 نانومتری اعمال می شود، الکترون ها و یون ها به طور جهت تحت عمل میدان حرکت می کنند، بنابراین جریان به تدریج از صفر افزایش می یابد. وقتی ولتاژ بین الکترودها به اندازه کافی زیاد باشد، تمام ذرات باردار می توانند به الکترودها برسند و در این زمان، جریان به حداکثر مقدار معینی می رسد. چگالی ذرات باردار تولید شده توسط یونیزاسیون باقیمانده به طور کلی بسیار ضعیف است، بنابراین مقدار جریان اشباع در ناحیه T0 هنوز بسیار کوچک است (در حد 10^-12 A). لامپ ماوراء بنفش 222 نانومتری. اولین ضریب یونیزاسیون تاونسند: نشان‌دهنده تعداد الکترون‌های آزاد است که در اثر یونیزاسیون برخورد بین اتم‌های الکترون و گاز هنگامی که یک الکترون از کاتد به جهت آند در یک فاصله واحد حرکت می‌کند، تولید می‌شود. ضریب یونیزاسیون دوم تاونسند (ضریب یونیزاسیون حجمی یون‌های مثبت): تعداد برخوردهای بین اتم‌های یون مثبت و گاز را هنگامی که یک یون مثبت از آند به سمت کاتد در یک فاصله واحد حرکت می‌کند را نشان می‌دهد. به این فرآیند، فرآیند نیز می گویند. ضریب پیوست η: نشان دهنده احتمال اتصال یک الکترون در واحد طول در جهت میدان الکتریکی است. اتصال تعداد الکترون‌های آزاد را کاهش می‌دهد و به نوعی با یونیزاسیون رقابت می‌کند که بر پایداری تخلیه در محیط گاز لامپ UV 222 نانومتری تأثیر می‌گذارد.

2. نظریه جریان ساز و نظریه رهبر

نظریه تاونسند معیار تخلیه پایدار خود-را استخراج می‌کند. مدل اولیه بهره یونیزاسیون برخورد و ایده تبدیل از یک بهمن الکترونی اولیه به یک بهمن الکترون ثانویه به عنوان یک وضعیت تخلیه پایدار خود{2}} همیشه مبنای تئوری تخلیه گاز بوده است. با این حال، نظریه تاونسند اعوجاج میدان الکتریکی اعمال شده خارجی توسط بارهای فضایی را در نظر نمی گیرد، و همچنین منبع الکترون های اولیه در بهمن های الکترونی ثانویه را به طور کامل در نظر نمی گیرد. نمی تواند تاخیر زمانی تشکیل فرآیند شکست، انشعاب کانال های تخلیه در طول تخلیه جزئی بزرگ و پدیده ای که فرآیند تخلیه توسط مواد کاتدی تحت تاثیر قرار نمی گیرد را توضیح دهد. در سال 1940، ویک و لئوب نظریه استریمر (همچنین به عنوان نظریه استریمر شناخته می شود) را پایه گذاری کردند که مکمل نظریه تاونسند است. پترسون در سال 1970 پیشنهاد کرد که تئوری استریمر برای میدان های الکتریکی ناهمگن در شرایط واقعی کاربرد بیشتری دارد، که برای بهینه سازی ساختار الکترود لامپ UV 222 نانومتری اهمیت زیادی دارد. بر اساس تئوری استریمر، زمانی که یک بهمن تک الکترونی به اندازه بحرانی می رسد، فرآیند شکست بسیار سریع رخ می دهد. الکترون‌های سریع{12}}سر کروی بهمن الکترون را تشکیل می‌دهند و به سمت آند حرکت می‌کنند. در مقایسه با الکترون‌ها، یون‌های مثبت و منفی بسیار آهسته حرکت می‌کنند و می‌توان آن‌ها را بی‌حرکت در نظر گرفت و در جایی که تولید می‌شوند باقی می‌مانند تا یک دم بهمن با بار مثبت بلند را تشکیل دهند. در فشار اتمسفر، سرعت انتشار الکترون کم است و بار بهمن الکترون نسبتاً متمرکز است، که آشکارا میدان الکتریکی اصلی را مختل می کند و میدان الکتریکی را در سر بهمن الکترونی تغییر می دهد. با توجه به تقویت میدان الکتریکی در مقابل بهمن الکترونی، حرکت شتاب‌دار الکترون‌ها منجر به یونیزاسیون بیشتر می‌شود و بسیاری از برخورد الکترون‌ها ذرات برانگیخته‌ای را تشکیل می‌دهند که در هنگام بازگشت فوتون‌ها را در همه جهات آزاد می‌کنند که به راحتی توسط گاز جذب می‌شوند تا فوتیونیزاسیون ایجاد کنند و الکترون‌های ثانویه تولید می‌کنند. بنابراین، بهمن های الکترونی ثانویه با یونیزاسیون برخورد در میدان الکتریکی که توسط بارهای فضایی تقویت شده است، ایجاد می شوند و با سر بهمن اولیه همگرا می شوند تا یک کانال جریان ساز را تشکیل دهند که بیشتر به سمت شکست شکاف توسعه می یابد. تئوری استریمر معتقد است که تخلیه از شروع تا شکست یک فرآیند تغییر کمی یونیزاسیون برخورد نیست، بلکه نتیجه تغییر کیفی فوتیونیزاسیون فضا است، زمانی که بهمن الکترونی اولیه تا حد معینی توسعه می‌یابد و تعداد بارهای تولید شده توسط زیر{18}الکترون بهمن از مقدار میدان الکتریکی فضایی قابل توجهی فراتر می‌رود. بهمن الکترونی ثانویه ناشی از فوتیونیزاسیون با بهمن الکترونی اصلی همگرا می شود و جریانی را تشکیل می دهد، تخلیه به تخلیه پایدار خود{20} تبدیل می شود و توسعه تخلیه توسط فوتیونیزاسیون فضایی حفظ می شود. فرآیند فوتیونیزاسیون فضا در تئوری استریمر به خوبی می‌تواند تاخیر زمانی تخلیه، مورفولوژی تخلیه، و تاثیر مواد موتور و سایر فرآیندهای فیزیکی را توضیح دهد که با نظریه تاونسند قابل توضیح نیست، که باید در هنگام مطالعه پایداری تخلیه لامپ UV 222 نانومتری مورد توجه قرار گیرد. فرآیندهایی مانند رعد و برق با تخلیه شکاف طولانی باید با یونیزاسیون حرارتی تئوری رهبر توضیح داده شوند. هم نظریه استریمر و هم نظریه رهبر فقط مدل های فیزیکی کیفی را ارائه می دهند و هیچ مدل ریاضی کمی نسبتاً کاملی وجود ندارد. کارهای تحقیقاتی بعدی عمدتاً با روش‌های تجربی انجام می‌شود. با توجه به ویژگی‌های فرآیند تخلیه در لایه تاج، تاج را می‌توان به دو شکل تقسیم کرد: شکل بهمن الکترونی و شکل جریان. هنگامی که انحنای الکترود تاج زیاد باشد، لایه تاج بسیار نازک و نسبتاً یکنواخت است و جریان تخلیه نسبتاً پایدار است. خود{29}}تخلیه پایدار شکل تخلیه تاونسند را می پذیرد، یعنی تاج زمانی که بهمن الکترونی ظاهر می شود. با افزایش ولتاژ، لایه تاج به گسترش خود ادامه می‌دهد و بهمن‌های تکی الکترونی جریان‌هایی را تشکیل می‌دهند که منجر به تخلیه پالسی می‌شود و سپس به تخلیه تاج شکل جریان‌دهنده تبدیل می‌شود. اگر شعاع انحنای الکترود افزایش یابد، تاج در ابتدا بسیار شدید است و به محض ظاهر شدن، شکل جریانی را تشکیل می‌دهد. هنگامی که ولتاژ بیشتر می شود، جریان های جداگانه به شدت توسعه می یابند، که منجر به تخلیه برس می شود، و پدیده پالس تخلیه شدیدتر می شود، در نهایت به شکاف نفوذ می کند و باعث شکست کامل شکاف می شود، که مربوط به طول عمر و عملکرد لامپ UV 222 نانومتری است. به طور کلی برای جریان الکتریکی یکنواخت و یکنواخت از میدان الکتریکی مناسب است که از میدان الکتریکی بهمنی مناسب است. برای میدان های الکتریکی ناهمگن مناسب تر است. بر اساس تخلیه تاونسند همراه با تئوری استریمر، می توان معیار شکست میدان های الکتریکی ناهمگن را استخراج کرد که برای طراحی و بهینه سازی لامپ UV 222 نانومتری اهمیت راهبری دارد.