أنبوب مملوء بالغاز

يُستخدم الهيدروجين في الأنابيب المستخدمة في التبديل فائق السرعة، مثل بعض الثايراترونات والديكاترونات والكريترونات ، حيث تكون الحواف شديدة الانحدار مطلوبة. أوقات تراكم الهيدروجين واستعادته أقصر بكثير من الغازات الأخرى. ^{[ 1 ]} عادةً ما تكون ثايراترونات الهيدروجين من نوع الكاثود الساخن. يمكن تخزين الهيدروجين (والديوتيريوم) في الأنبوب على شكل هيدريد معدني ، يُسخّن بواسطة سلك تسخين مساعد؛ ويمكن استخدام الهيدروجين الناتج عن تسخين عنصر التخزين هذا لتجديد الغاز المُنقّى، وحتى لضبط الضغط حسب الحاجة لتشغيل الثايراترون عند جهد كهربائي مُحدد. ^{[ 2 ]}

يُستخدم الديوتيريوم في مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة في مطيافية الأشعة فوق البنفسجية ، وفي أنابيب مولدات النيوترونات ، وفي أنابيب خاصة (مثل أنبوب كروساترون ). يتميز الديوتيريوم بجهد انهيار أعلى من الهيدروجين. في الأنابيب سريعة التبديل، يُستخدم الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين عند الحاجة إلى تشغيل بجهد عالٍ. ^{[ 3 ]} للمقارنة، يبلغ جهد الأنود في أنبوب ثيراترون CX1140 المملوء بالهيدروجين 25  كيلوفولت، بينما يبلغ جهد الأنود في أنبوب CX1159 المملوء بالديوتيريوم والمطابق له في باقي المواصفات 33  كيلوفولت. كذلك، عند نفس الجهد، يمكن أن يكون ضغط الديوتيريوم أعلى من ضغط الهيدروجين، مما يسمح بمعدلات ارتفاع أعلى للتيار قبل أن يتسبب في تبديد مفرط للطاقة عند الأنود. وبالتالي، يمكن تحقيق قدرات ذروة أعلى بكثير. مع ذلك، فإن زمن استعادة الديوتيريوم أبطأ بنحو 40% من زمن استعادة الهيدروجين. ^{[ 2 ]}

تُستخدم الغازات النبيلة بكثرة في الأنابيب لأغراض عديدة، من الإضاءة إلى التشغيل. وتُستخدم الغازات النبيلة النقية في أنابيب التشغيل. تتميز أنابيب الثايراترون المملوءة بالغازات النبيلة بخصائص كهربائية أفضل من تلك المملوءة بالزئبق. ^{[ 3 ]} تتعرض الأقطاب الكهربائية للتلف بفعل الأيونات عالية السرعة. تعمل الذرات المتعادلة للغاز على إبطاء الأيونات عن طريق التصادمات، مما يقلل الطاقة المنتقلة إلى الأقطاب الكهربائية نتيجة اصطدام الأيونات. توفر الغازات ذات الوزن الذري العالي، مثل الزينون، حماية أفضل للأقطاب الكهربائية من الغازات الأخف وزنًا، مثل النيون. ^{[ 4 ]}

• يُستخدم الهيليوم في ليزرات الهيليوم-نيون وفي بعض الثايراترونات المصممة للعمل بتيارات وفولتيات عالية. يوفر الهيليوم وقت إزالة تأين قصيرًا تقريبًا مثل الهيدروجين، ولكنه يتحمل فولتية أقل، لذا يُستخدم بشكل أقل بكثير. ^{[ 5 ]}
• يتميز النيون بجهد اشتعال منخفض، ولذا يُستخدم بكثرة في أنابيب الجهد المنخفض. يُصدر تفريغ النيون ضوءًا أحمر ساطعًا نسبيًا؛ ولذلك تعمل أنابيب التبديل المملوءة بالنيون كمؤشرات أيضًا، إذ تُضيء باللون الأحمر عند تشغيلها. يُستغل هذا في أنابيب الديكاترون ، التي تعمل كعدادات وشاشات عرض. كما يُستغل ضوءه الأحمر في لافتات النيون . يُستخدم النيون في أنابيب الفلورسنت عالية الطاقة وقصيرة الطول، مثل أنابيب الإضاءة الصناعية. يتميز بانخفاض جهد أعلى مقارنةً بالأرجون والكريبتون. لا توفر كتلته الذرية المنخفضة سوى حماية ضئيلة للأقطاب الكهربائية ضد الأيونات المتسارعة؛ ويمكن استخدام أسلاك أو صفائح حماية إضافية لإطالة عمر المصعد. يُستخدم النيون في أنابيب الفلورسنت مع الزئبق. ^{[ 4 ]}
• كان الأرجون أول غاز يُستخدم في أنابيب الفلورسنت، ولا يزال يُستخدم بكثرة نظرًا لانخفاض تكلفته وكفاءته العالية وانخفاض جهد تشغيله. يُستخدم الأرجون في أنابيب الفلورسنت مع الزئبق. ^{[ 4 ]} كما استُخدم في أنابيب التقويم المبكرة ؛ وقد صُممت أولى الثايراترونات من أنابيب مملوءة بالأرجون.
• يمكن استخدام الكريبتون في المصابيح الفلورية بدلاً من الأرجون؛ حيث يقلل في هذا التطبيق من إجمالي فقد الطاقة على الأقطاب الكهربائية من حوالي 15% إلى 7%. ومع ذلك، فإن انخفاض الجهد لكل وحدة طول من المصباح يكون أقل منه مع الأرجون، وهو ما يمكن تعويضه باستخدام قطر أنبوب أصغر. كما تتطلب المصابيح المملوءة بالكريبتون جهد بدء تشغيل أعلى؛ ويمكن التخفيف من ذلك باستخدام خليط من الأرجون والكريبتون بنسبة 25-75% على سبيل المثال. في الأنابيب الفلورية، يُستخدم الكريبتون مع الزئبق. ^{[ 4 ]}
• يتميز الزينون في حالته النقية بجهد انهيار عالٍ، مما يجعله مفيدًا في أنابيب التبديل ذات الجهد العالي. كما يُستخدم الزينون كمكون في مخاليط الغازات عند الحاجة إلى إنتاج الأشعة فوق البنفسجية، كما هو الحال في شاشات البلازما ، وعادةً لإثارة مادة الفوسفور . يكون الطول الموجي الناتج أطول من الطول الموجي الناتج عن الأرجون والكريبتون، ويخترق الفوسفور بشكل أفضل. ولخفض جهد التأين، تُستخدم مخاليط النيون-زينون أو الهيليوم-زينون؛ فعند ضغط يزيد عن 350 تور (47 كيلو باسكال ) ، يكون جهد انهيار الهيليوم أقل من جهد انهيار النيون، والعكس صحيح. عند تركيزات 1% أو أقل من الزينون، يصبح تأثير بنينغ ملحوظًا في هذه المخاليط، حيث يحدث معظم تأين الزينون عن طريق التصادم مع ذرات الغاز النبيل الآخر المثارة؛ أما عند تركيزات تزيد عن بضعة بالمئة من الزينون، فيؤين التفريغ الزينون مباشرةً نظرًا لأن معظم طاقة الإلكترونات تُستهلك في التأين المباشر للزينون. ^{[ 6 ]}  
• تُستخدم مخاليط بنينغ حيثما يلزم جهد تأين منخفض، كما هو الحال في مصابيح النيون وأنابيب جايجر-مولر وغيرها من كواشف الجسيمات المملوءة بالغاز . يتكون المزيج الكلاسيكي من حوالي 98-99.5% من النيون مع 0.5-2% من الأرجون، ويُستخدم في مصابيح النيون وشاشات البلازما أحادية اللون .

• تُستخدم أبخرة الزئبق في التطبيقات التي تتطلب تيارًا عاليًا، مثل المصابيح وصمامات قوس الزئبق وأجهزة الإشعال . يُستخدم الزئبق نظرًا لضغط بخاره العالي وجهد تأينه المنخفض. يُستخدم الزئبق الممزوج بغاز خامل عندما يكون من الضروري تقليل فقد الطاقة في الأنبوب وإطالة عمره. في مخاليط الزئبق والغاز الخامل، يكون الغاز الخامل هو المسؤول عن التفريغ الكهربائي في البداية؛ ثم تعمل الحرارة المنبعثة على تبخير كمية كافية من الزئبق للوصول إلى ضغط البخار المطلوب. تستخدم مقومات الجهد المنخفض (مئات الفولتات) بخار الزئبق المشبع مع كمية صغيرة من الغاز الخامل، مما يسمح ببدء تشغيل الأنابيب على البارد. أما مقومات الجهد العالي (كيلوفولتات فأكثر) فتستخدم بخار الزئبق النقي عند ضغط منخفض، مما يتطلب الحفاظ على أعلى درجة حرارة ممكنة للأنبوب. يعمل الزئبق السائل كمخزن للزئبق، حيث يعوض الأبخرة المستهلكة أثناء التفريغ. يمكن استخدام بخار الزئبق غير المشبع، ولكن نظرًا لعدم إمكانية تعويضه، فإن عمر هذه الأنابيب أقصر. ^{[ 1 ]} يُحدّ اعتماد ضغط البخار بشكل كبير على درجة حرارة الزئبق من البيئات التي يمكن أن تعمل فيها الأنابيب الزئبقية. في مصابيح الزئبق منخفضة الضغط، يوجد ضغط زئبقي أمثل لتحقيق أعلى كفاءة. يمكن امتصاص الفوتونات المنبعثة من ذرات الزئبق المتأينة بواسطة ذرات غير متأينة مجاورة، إما لإعادة إشعاعها أو لفقدانها طاقةً بطريقة غير إشعاعية. لذلك، يؤدي ارتفاع ضغط الزئبق إلى فقدان الضوء. أما انخفاض ضغط الزئبق فيؤدي إلى قلة عدد الذرات الموجودة بحيث لا تتأين ولا تشع فوتونات. تُعدّ درجة الحرارة المثلى لمصابيح الزئبق منخفضة الضغط حوالي 42 درجة مئوية (108 درجة فهرنهايت) ، حيث يصل ضغط بخار الزئبق المشبع (الموجود على شكل قطرة من الزئبق السائل بوزن 1 ملغ تقريبًا في الأنبوب، كمخزون يعوض الفاقد الناتج عن عملية التنظيف) إلى هذه الدرجة المثلى. في المصابيح المُصممة للعمل في درجات حرارة محيطة أعلى، وضمن نطاق حراري أوسع، يوجد الزئبق على شكل ملغم مع عناصر أخرى مثل البزموت والإنديوم ؛ ويكون ضغط البخار فوق الملغم أقل منه فوق الزئبق السائل. ^{[ 7 ]} يُستخدم الزئبق في أنابيب الفلورسنت كمصدر للضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية لإثارة الفوسفور ؛ وفي هذا التطبيق ، يُستخدم عادةً مع الأرجون، أو في بعض الحالات مع الكريبتون أو النيون. تتأين أيونات الزئبق ببطء، مما يحد من سرعة تشغيل الثايراترونات المملوءة بالزئبق. يؤدي قصف الأيونات بأيونات الزئبق حتى ذات الطاقات المنخفضة نسبيًا إلى تدمير الكاثودات المطلية بالأكسيد تدريجيًا. ^{[ 2 ]}   
• تُستخدم أبخرة الصوديوم في مصابيح بخار الصوديوم .
• تُستخدم أبخرة الكبريت في مصابيح الكبريت .
• تُستخدم أبخرة العديد من المعادن، منفردة أو مع غاز نبيل، في العديد من أجهزة الليزر .

• يمكن استخدام الهواء في بعض التطبيقات ذات المتطلبات المنخفضة.
• يُستخدم النيتروجين تحت ضغط عالٍ نسبيًا في مانعات الصواعق ، نظرًا لوقت تراكمه القصير، مما يمنح الأنابيب استجابة سريعة لارتفاعات الجهد. ^{[ 1 ]}
• تمتص الهالوجينات وأبخرة الكحول الأشعة فوق البنفسجية ولها ألفة إلكترونية عالية. وعند إضافتها إلى الغازات الخاملة، فإنها تُخمد التفريغ؛ ويتم استغلال هذه الخاصية في أنابيب جايجر-مولر على سبيل المثال . ^{[ 1 ]}

في حالات خاصة (مثل مفاتيح الجهد العالي)، يلزم استخدام غازات ذات خصائص عازلة جيدة وفولتية انهيار عالية جدًا. وتُفضّل العناصر ذات السالبية الكهربية العالية ، مثل الهالوجينات ، لقدرتها على إعادة الاتحاد بسرعة مع الأيونات الموجودة في قناة التفريغ. ومن أكثر الخيارات شيوعًا سداسي فلوريد الكبريت ، المستخدم في تطبيقات الجهد العالي الخاصة. ومن الخيارات الشائعة الأخرى النيتروجين الجاف المضغوط والهالوكربونات .

قد يتراوح ضغط الغاز بين 0.001 و1000 تور (0.13-130000 باسكال) ؛ وفي أغلب الأحيان، تُستخدم ضغوط تتراوح بين 1 و10 تور. ^{[ 1 ]} يؤثر ضغط الغاز على العوامل التالية: ^{[ 1 ]}  

• جهد الانهيار (يسمى أيضًا جهد الإشعال)
• كثافة التيار
• جهد التشغيل
• جهد الارتداد العكسي ^{[ 8 ]}
• عمر الأنبوب (تميل الأنابيب ذات الضغط المنخفض إلى أن يكون لها عمر أقصر بسبب استهلاك الغاز)
• يقلّ تناثر الكاثود عند الضغوط العالية

عند تجاوز قيمة معينة، كلما زاد ضغط الغاز، زاد جهد الإشعال. قد تتطلب أنابيب الإضاءة عالية الضغط نبضة كهربائية بقوة بضعة كيلوفولتات للإشعال وهي باردة، عندما يكون ضغط الغاز منخفضًا. بعد التسخين، عندما يتبخر المركب المتطاير المستخدم في انبعاث الضوء ويزداد الضغط، يتطلب إعادة إشعال التفريغ إما جهدًا أعلى بكثير أو خفض الضغط الداخلي عن طريق تبريد المصباح. ^{[ 7 ]} على سبيل المثال، لا يمكن إعادة إشعال العديد من مصابيح بخار الصوديوم مباشرة بعد إطفائها؛ بل يجب أن تبرد قبل إعادة إشعالها.

يميل الغاز إلى النفاد أثناء تشغيل الأنبوب، نتيجةً لعدة ظواهر تُعرف مجتمعةً باسم التنظيف . تُمتص ذرات أو جزيئات الغاز على أسطح الأقطاب الكهربائية. في أنابيب الجهد العالي، يمكن للأيونات المُسرّعة أن تخترق مواد الأقطاب الكهربائية. كما تمتص الأسطح الجديدة، المتكونة بفعل قذف الأقطاب الكهربائية والمترسبة على الأسطح الداخلية للأنبوب، الغازات بسهولة. ويمكن للغازات غير الخاملة أن تتفاعل كيميائيًا مع مكونات الأنبوب. وقد ينتشر الهيدروجين عبر بعض المعادن. ^{[ 1 ]}

لإزالة الغاز من الأنابيب المفرغة ، تُستخدم مواد ماصة . ولإعادة تزويد الأنابيب المملوءة بالغاز، تُستخدم أجهزة إعادة التعبئة . في أغلب الأحيان، تُستخدم أجهزة إعادة التعبئة مع الهيدروجين؛ حيث يوجد في الأنبوب خيط مصنوع من معدن ماص للهيدروجين (مثل الزركونيوم أو التيتانيوم)، ومن خلال التحكم في درجة حرارته، يتم ضبط نسبة الهيدروجين الممتص إلى الهيدروجين المنطلق، مما يؤدي إلى التحكم في ضغط الهيدروجين داخل الأنبوب. يعمل الخيط المعدني كمخزن للهيدروجين. يُستخدم هذا الأسلوب، على سبيل المثال، في ثيراترونات الهيدروجين أو أنابيب النيوترونات. يسمح استخدام بخار الزئبق المشبع باستخدام حوض من الزئبق السائل كمخزن كبير للمادة؛ حيث يتم تعويض الذرات المفقودة أثناء التنظيف تلقائيًا عن طريق تبخر المزيد من الزئبق. ومع ذلك، يعتمد الضغط داخل الأنبوب بشكل كبير على درجة حرارة الزئبق، والتي يجب التحكم بها بعناية. ^{[ 1 ]}

تستخدم المقومات الكبيرة بخار الزئبق المشبع مع كمية صغيرة من غاز خامل. يدعم الغاز الخامل عملية التفريغ عندما يكون الأنبوب باردًا.

تعتمد خصائص التيار-الجهد لصمام قوس الزئبق بشكل كبير على درجة حرارة الزئبق السائل. ينخفض ​​انخفاض الجهد في الانحياز الأمامي من حوالي 60 فولت عند 0  درجة مئوية إلى ما يزيد قليلاً عن 10 فولت عند 50  درجة مئوية، ثم يثبت عند هذه القيمة. أما جهد انهيار الانحياز العكسي ("القوس العكسي") فينخفض ​​بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة، من 36  كيلو فولت عند 60  درجة مئوية إلى 12  كيلو فولت عند 80  درجة مئوية، ثم إلى أقل من ذلك عند درجات حرارة أعلى. ولذلك، يتراوح نطاق التشغيل عادةً بين 18 و65  درجة مئوية. ^{[ 9 ]}

يجب الحفاظ على نقاء الغاز داخل الأنبوب لضمان الخصائص المطلوبة؛ إذ يمكن حتى لكميات ضئيلة من الشوائب أن تُغير خصائص الأنبوب بشكل كبير. يؤدي وجود الغازات غير الخاملة عمومًا إلى زيادة جهد الانهيار وجهد الاحتراق. ويمكن ملاحظة وجود الشوائب من خلال تغير لون توهج الغاز. يُدخل الهواء المتسرب إلى الأنبوب الأكسجين، وهو عنصر ذو كهرسلبية عالية، مما يُعيق إنتاج انهيارات الإلكترونات. وهذا يجعل التفريغ يبدو باهتًا أو حليبيًا أو مائلًا للحمرة. تتوهج آثار أبخرة الزئبق باللون الأزرق، مما يحجب لون الغاز الأصلي. يُلوّن بخار المغنيسيوم التفريغ باللون الأخضر. ولمنع انبعاث الغازات من مكونات الأنبوب أثناء التشغيل، يلزم إجراء عملية تجفيف حراري قبل ملئه بالغاز وإحكام إغلاقه. يتطلب تصنيع الأنابيب عالية الجودة إزالة كاملة للغازات؛ إذ يكفي ضغط منخفض يصل إلى 10⁻⁸ ^تور  (  ≈1  ميكروباسكال) من الأكسجين لتغطية الأقطاب الكهربائية بطبقة أكسيد أحادية الجزيء في غضون ساعات قليلة. يمكن إزالة الغازات غير الخاملة باستخدام مواد امتصاص مناسبة. بالنسبة للأنابيب المحتوية على الزئبق، يجب استخدام مواد امتصاص لا تُكوّن ملغمات مع الزئبق (مثل الزركونيوم ، وليس الباريوم ). قد يُستخدم الترسيب بالرش الكاثودي عمدًا لامتصاص الغازات غير الخاملة؛ وتستخدم بعض الأنابيب المرجعية كاثودات من الموليبدينوم لهذا الغرض. ^{[ 1 ]}

تُستخدم الغازات الخاملة النقية عندما يكون الفرق بين جهد الإشعال وجهد الاحتراق كبيرًا، كما هو الحال في أنابيب التبديل. أما أنابيب العرض والتثبيت، حيث يكون الفرق أقل، فتُملأ عادةً بمخاليط بينينغ ؛ إذ يسمح انخفاض الفرق بين جهد الإشعال وجهد الاحتراق باستخدام جهود تغذية أقل ومقاومات توالي أصغر. ^{[ 1 ]}

من الأمثلة المهمة على ذلك أنابيب الثايراترون والكريترون والإغنيترون ، والتي تُستخدم للتحكم في التيارات عالية الجهد. كما يُصنع نوع متخصص من الأنابيب المملوءة بالغاز، يُسمى أنبوب التفريغ الغازي (GDT)، لاستخدامه كحماية من ارتفاعات الجهد المفاجئة ، للحد من ارتفاعات الجهد في الدوائر الكهربائية والإلكترونية.

يمكن استغلال تأثير زناد شميت لمنطقة المقاومة التفاضلية السالبة لتحقيق المؤقتات ومذبذبات الاسترخاء والدوائر الرقمية باستخدام مصابيح النيون وأنابيب الزناد وأنابيب الترحيل وأنابيب الديكاترون وأنابيب النيكسي .

يمكن أيضًا استخدام الثايراترونات كصمامات ثلاثية عن طريق تشغيلها تحت جهد الإشعال الخاص بها، مما يسمح لها بتضخيم الإشارات التناظرية ككاشف فائق التجديد ذاتي الإخماد في أجهزة استقبال التحكم اللاسلكي . ^{[ 10 ]}

كانت هناك مصابيح نيون خاصة بالإضافة إلى أنابيب النيكسي:

• مؤشر الضبط المبكر Tuneon ، وهو عبارة عن أنبوب زجاجي ذو أنود سلكي قصير وكاثود سلكي طويل يتوهج جزئيًا؛ يتناسب طول التوهج مع تيار الأنبوب
• مصباح نيون فوسفوري
• أنبوب تشغيل مضيء، يستخدم كمؤشرات تثبيت، أو وحدات بكسل لشاشات المصفوفة النقطية
  • أنبوب زناد التوهج المباشر
  • أنبوب الزناد الفوسفوري

كانت ثنائيات الضوضاء ذات الكاثود الساخن وتفريغ الغاز متوفرة في أغلفة زجاجية عادية لأنابيب الراديو للترددات حتى UHF ، وكأنابيب زجاجية طويلة ورفيعة مع حامل مصباح عادي ذي حربة للفتيل وغطاء علوي للأنود ، لترددات SHF والإدخال القطري في دليل الموجة .

كانت تُملأ بغاز خامل نقي مثل النيون، لأن الخلائط تجعل الخرج يعتمد على درجة الحرارة. كان جهد احتراقها أقل من 200  فولت، لكنها كانت تحتاج إلى تحضير ضوئي بواسطة مصباح متوهج بقوة 2 واط، وارتفاع مفاجئ في الجهد في حدود 5 كيلو فولت للاشتعال.

One miniature thyratron found an additional use as a noise source, when operated as a diode in a transverse magnetic field.^[11]

In the mid-20th century, voltage-regulator tubes were commonly used.

Cathode sputtering is taken advantage of in the Time Totalizer, a metal-vapor coulometer-based elapsed time meter where the sputtered metal is deposited on a collector element whose resistance therefore decreases slowly.^[12]