التفريغ الكهربائي في الغازات
يحدث التفريغ الكهربائي في الغازات عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر وسط غازي بسبب تأين الغاز. اعتمادًا على عدة عوامل، قد يشع التفريغ ضوءًا مرئيًا. تتم دراسة خصائص التفريغ الكهربائي في الغازات فيما يتعلق بتصميم مصادر الإضاءة وتصميم المعدات الكهربائية ذات الجهد العالي.
أنواع التفريغ
أ: نبضات عشوائية من الإشعاع الكوني
ب: تيار التشبع ج: تفريغ تاونسند
الانهياري د: تفريغ تاونسند المستدام ذاتيًا هـ: منطقة غير مستقرة: تفريغ الهالة و: تفريغ توهج دون الطبيعي ز: تفريغ توهج طبيعي ح: تفريغ توهج غير طبيعي ط: منطقة غير مستقرة: انتقال القوس المتوهج ي : قوس كهربائي ك: قوس كهربائي تسمى منطقة AD بالتفريغ المظلم؛ يوجد بعض التأين، لكن التيار أقل من 10 ميكرو أمبير ولا يتم إنتاج كمية كبيرة من الإشعاع. منطقة FH هي منطقة تفريغ توهج؛ يصدر البلازما توهجًا خافتًا يشغل كل حجم الأنبوب تقريبًا؛ ينبعث معظم الضوء من ذرات محايدة مثارة. منطقة IK هي منطقة تفريغ قوس؛ تتركز البلازما في قناة ضيقة على طول مركز الأنبوب؛ يتم إنتاج كمية كبيرة من الإشعاع.
في أنابيب الكاثود الباردة ، يحتوي التفريغ الكهربائي في الغاز على ثلاث مناطق، مع خصائص تيار وجهد مميزة : [1]
- I : تفريغ تاونسند ، أقل من جهد الانهيار . عند الفولتية المنخفضة، يكون التيار الوحيد هو الناتج عن توليد حاملات الشحنة في الغاز بواسطة الأشعة الكونية أو مصادر أخرى للإشعاع المؤين. مع زيادة الجهد المطبق، تكتسب الإلكترونات الحرة التي تحمل التيار طاقة كافية للتسبب في المزيد من التأين، مما يتسبب في انهيار إلكتروني . في هذا النظام، يزداد التيار من فيمتو أمبير إلى ميكرو أمبير، أي بمقدار تسعة أوامر من حيث الحجم، مقابل زيادة طفيفة جدًا في الجهد. تبدأ خصائص الجهد والتيار في التناقص بالقرب من جهد الانهيار ويصبح التوهج مرئيًا.
- II : التفريغ المتوهج ، والذي يحدث بمجرد الوصول إلى جهد الانهيار. ينخفض الجهد عبر الأقطاب الكهربائية فجأة ويزداد التيار إلى نطاق مللي أمبير. عند التيارات المنخفضة، يكون الجهد عبر الأنبوب مستقلاً عن التيار تقريبًا؛ ويستخدم هذا في أنابيب منظم الجهد ذات التفريغ المتوهج. عند التيارات المنخفضة، تكون مساحة الأقطاب الكهربائية التي يغطيها التفريغ المتوهج متناسبة مع التيار. عند التيارات الأعلى، يتحول التوهج الطبيعي إلى توهج غير طبيعي، ويزداد الجهد عبر الأنبوب تدريجيًا، ويغطي التفريغ المتوهج مساحة أكبر فأكبر من سطح الأقطاب الكهربائية. تعمل التبديلات منخفضة الطاقة (ثيراترونات التفريغ المتوهج)، وتثبيت الجهد، وتطبيقات الإضاءة (مثل أنابيب نيكسي ، والديكاترونات ، ومصابيح النيون ) في هذه المنطقة.
- III : تفريغ القوس ، والذي يحدث في نطاق الأمبير للتيار؛ حيث ينخفض الجهد عبر الأنبوب بزيادة التيار. تعمل أنابيب التبديل ذات التيار العالي، مثل فجوة الشرارة المحفزة ، وإجنيترون ، وثيراترون ، وكريترون (ومشتقها من الأنبوب المفرغ ، سبرايترون ، باستخدام قوس الفراغ )، وصمامات قوس الزئبق عالية الطاقة ومصادر الضوء عالية الطاقة، مثل مصابيح بخار الزئبق ومصابيح هاليد المعدن ، في هذا النطاق.
يتم تسهيل التفريغ المتوهج عن طريق اصطدام الإلكترونات بذرات الغاز وتأينها. لتكوين التفريغ المتوهج، يجب أن يكون المسار الحر المتوسط للإلكترونات طويلًا بشكل معقول ولكن أقصر من المسافة بين الأقطاب الكهربائية؛ وبالتالي فإن التفريغ المتوهج لا يحدث بسهولة عند ضغوط غاز منخفضة للغاية ومرتفعة للغاية.
يعتمد جهد الانهيار لتفريغ التوهج بشكل غير خطي على حاصل ضرب ضغط الغاز في مسافة القطب وفقًا لقانون باشن . بالنسبة لقيمة ضغط × مسافة معينة، يوجد أدنى جهد انهيار. ترتبط زيادة جهد الضربة لمسافات القطب الأقصر بمسار حر متوسط طويل جدًا للإلكترونات مقارنة بمسافة القطب.
يمكن إضافة كمية صغيرة من عنصر مشع إلى الأنبوب، إما كقطعة منفصلة من المادة (مثل النيكل-63 في الكريترونات ) أو كإضافة إلى سبيكة الأقطاب الكهربائية (مثل الثوريوم )، لتأين الغاز مسبقًا وزيادة موثوقية الانهيار الكهربائي والتوهج أو اشتعال التفريغ القوسي. يمكن أيضًا استخدام نظير مشع غازي، مثل الكريبتون-85 . يمكن أيضًا استخدام أقطاب الاشتعال وأقطاب التفريغ المحافظة على الحياة. [2]
غالبًا ما يتم استخدام نسبة E/N بين المجال الكهربائي E وتركيز الجسيمات المحايدة N، لأن متوسط طاقة الإلكترونات (وبالتالي العديد من خصائص التفريغ الأخرى) هي دالة لـ E/N. إن زيادة الكثافة الكهربائية E بعامل q له نفس العواقب مثل خفض كثافة الغاز N بعامل q.
وحدة النظام الدولي للوحدات هي V·cm 2 ، ولكن وحدة تاونسند (Td) تُستخدم بشكل متكرر.
التطبيق في الحوسبة التناظرية
تم وصف استخدام التفريغ المتوهج لحل مشاكل رسم الخرائط في عام 2002. [3] وفقًا لمقال إخباري في مجلة Nature يصف العمل، [4] أظهر الباحثون في إمبريال كوليدج لندن كيف قاموا ببناء خريطة صغيرة توفر للسائحين مؤشرات طريق مضيئة. لصنع شريحة لندن التي يبلغ قطرها بوصة واحدة، قام الفريق بنقش مخطط لمركز المدينة على شريحة زجاجية. أدى تركيب غطاء مسطح في الأعلى إلى تحويل الشوارع إلى أنابيب مجوفة متصلة. لقد ملأوا هذه الأنابيب بغاز الهيليوم، وأدخلوا أقطابًا كهربائية في مراكز سياحية رئيسية. عندما يتم تطبيق جهد بين نقطتين، تمر الكهرباء بشكل طبيعي عبر الشوارع على طول أقصر طريق من أ إلى ب - ويتوهج الغاز مثل شريط ضوء متوهج صغير. يوفر النهج نفسه نهجًا جديدًا للحوسبة التناظرية المرئية لحل فئة واسعة من مشاكل البحث عن المتاهة بناءً على خصائص إضاءة التفريغ المتوهج في شريحة ميكروفلويدية.
مراجع
- ^ بيانات مرجعية للمهندسين: الراديو والإلكترونيات والكمبيوتر والاتصالات بقلم ويندي ميدلتون وماك إي فان فالكينبورج، ص 16-42، نيونس، 2002 ISBN 0-7506-7291-9
- ^ Handbook of optoelectronics, Volume 1 by John Dakin, Robert GW Brown, p. 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
- ^ Reyes, DR; Ghanem, MM; Whitesides, GM; Manz, A. (2002). "التفريغ المتوهج في الرقائق الدقيقة للحوسبة التناظرية المرئية". Lab on a Chip . 2 (2): 113–116. doi :10.1039/B200589A. PMID 15100843.
- ^ "التفريغ المتوهج في الرقائق الدقيقة للحوسبة التناظرية المرئية". مجلة نيتشر . 27 مايو 2002. doi :10.1038/news020520-12.
