222nm UV Lambada Gaz Deşarjının Temel Teorisi
1. Townsend Elektron Çığ Teorisi
Herhangi bir elektrik akımının bir gazdan geçmesi olayına gaz iletimi veya gaz deşarjı denir. Farklı çalışma koşulları, farklı gaz deşarj olgularına neden olacak ve farklı deşarj özelliklerine sahip olacaktır. Gaz deşarj olayını incelerken, deşarjlar genellikle iki kategoriye ayrılır:-kendi kendine-sürekli olmayan deşarj ve kendi kendine-sürekli deşarj. Deşarjın-kendi kendine{-kendi kendine-devamlı duruma geçmesi olayına gaz bozulması denir.-Kendi-devamı olmayan deşarj, deşarjın yalnızca harici bir iyonizasyon kaynağı koşulu altında sürdürülebildiği bir olguyu ifade eder. Kendi kendine sürekli deşarj, harici iyonizasyon kaynağı kaldırıldığında deşarjın hala sürdürülebildiği bir durumu ifade eder. Harici bir iyonizasyon kaynağının etkisi altında, 222nm uv lambası deşarj tüpündeki voltaj belirli bir yeterli değere yükseldiğinde tüpün içindeki akım aniden artar. Bu sırada, iyonizasyon kaynağı kaldırılırsa deşarj akımı hala yeterince büyüktür, yani bu anda deşarjın oluşmasının harici iyonizasyon kaynağının varlığı veya yokluğu ile hiçbir ilgisi yoktur ve bu duruma kendi-sürekli deşarj denir. Boşalmanın-kendi kendine-devamlı olmayan boşalmadan kendi kendine-sürekli boşalmaya geçiş sürecine, gazın parçalanması süreci veya ateşleme süreci denir. Bu deşarj olgusu ve teorisi ilk olarak 20. yüzyılın başlarında bilim adamı Townsend tarafından incelendi ve ortaya konuldu, dolayısıyla buna Townsend deşarjı adı verildi. Çok sayıda deneysel durumu analiz ettikten sonra Townsend, elektronların düzgün bir elektrik alanında hareket ederek elektrik alanından sürekli olarak enerji kazandığına ve elektronların gaz atomlarıyla çarpışarak iyonlaşmaya neden olduğuna ve enerji kaybına uğradığına inanıyordu. Denge durumunda enerjinin bu iki kısmı eşit olmalıdır. Yeni iyonize olmuş yüklü parçacıklar elektrik alanı tarafından hızlandırılır ve iyonlaşmaya da neden olabilir. Bir başlangıç elektronu katottan anoda doğru koşup çarpışma iyonizasyonuna neden olduğunda, sırayla 1., 2., 3., 4., ... çarpışma iyonizasyonları meydana gelir ve yeni üretilen elektronlar da anoda hareket ederek çarpışma iyonizasyonunu üretir. Anoda doğru hareket eden elektronların sayısı 2, 4, 8, 16'ya çıkar. Elektron sayısı çığ gibi artar, bu nedenle buna elektron çığı denir. Elektron çığ teorisi, elektrik alanın etkisi altında elektronların yönlendirilmiş hareketinin hakim olduğu ve elektronların düzensiz termal hareketinin dezavantajlı bir konumda olduğu deşarj bölgesine uygulanabilir, bu da 222nm uv lambasının çalışma sürecine de yansır. Townsend'in elektron çığ teorisinin volt-amper karakteristik eğrisi, üç parçaya bölünebilen Şekil 2-1'de gösterilmektedir: T0, T1 ve T2. T0 bölgesinde elektrotlar arasındaki voltaj çok düşük olduğu gibi gazdan geçen akım da çok küçüktür. Şekil 2-1'de görüldüğü gibi sıfırdan yükselir ve daha sonra doyuma doğru yönelir. Bu, artık iyonizasyon altında elektrik alanının etkisi altında yüklü parçacıkların yönlendirilmiş göçünün sonucudur. Kozmik ışınların ve radyoaktif elementlerin yer kabuğundaki radyasyonu nedeniyle, herhangi bir zamanda ve yerde herhangi bir gazın içinde belirli miktarda elektron ve iyon bulunur. Bu olaya artık iyonlaşma denir. Harici bir alanın yokluğunda bu yüklü parçacıklar, gaz molekülleri gibi uzayda rastgele hareket ederler. 222nm uv lambası deşarj tüpüne düşük bir voltaj uygulandığında, elektronlar ve iyonlar alanın etkisi altında yönsel olarak hareket eder, böylece akım kademeli olarak sıfırdan artar. Elektrotlar arasındaki voltaj yeterince büyük olduğunda yüklü tüm parçacıklar elektrotlara ulaşabilir ve bu sırada akım belirli bir maksimum değere ulaşır. Artık iyonizasyon tarafından üretilen yüklü parçacıkların yoğunluğu genellikle çok zayıftır, bu nedenle T0 bölgesindeki doyma akımı değeri hala çok küçüktür (10^-12 A düzeyinde). Yukarıdaki temel deşarj işlemine dayanarak Townsend'in deşarj teorisi, 222 nm uv lambasının deşarj mekanizmasını anlamak için çok önemli olan gaz iyonizasyon mekanizmasını tanımlamak için , , ve η katsayılarını sunar. Townsend'in ilk iyonizasyon katsayısı: Bir elektron birim mesafe boyunca katottan anot yönüne doğru hareket ettiğinde, bir elektron ve gaz atomları arasındaki iyonlaşma çarpışmasıyla üretilen serbest elektronların sayısı. Bu iyonizasyon işlemi aynı zamanda işlem olarak da adlandırılır. Townsend'in ikinci iyonlaşma katsayısı (pozitif iyonların hacimsel iyonizasyon katsayısı): Pozitif bir iyonun anottan katot yönüne birim mesafe boyunca hareket etmesi durumunda pozitif iyon ile gaz atomları arasındaki çarpışma sayısını temsil eder. Bu işleme aynı zamanda süreç de denir. Bağlanma katsayısı η: Elektrik alan yönü boyunca birim uzunluk başına bir elektronun bağlanma olasılığını temsil eder. Bağlanma, serbest elektron sayısını azaltır ve bir anlamda iyonizasyonla rekabet eder, bu da 222nm uv lambasının gaz ortamındaki deşarjın sürdürülebilirliğini etkiler.
2. Yayıncı Teorisi ve Lider Teorisi
Townsend'in teorisi, kendi kendine-sürekli deşarj kriterini türetmektedir. Çarpışma iyonizasyon kazancının temel modeli ve kendi kendini sürdüren bir deşarj koşulu olarak birincil elektron çığından ikincil elektron çığına dönüşme fikri her zaman gaz deşarj teorisinin temeli olmuştur. Ancak Townsend'in teorisi, dışarıdan uygulanan elektrik alanının uzay yükleri tarafından bozulmasını dikkate almaz ve ikincil elektron çığlarındaki başlangıç elektronlarının kaynağını tam olarak dikkate almaz. Arıza sürecinin oluşum süresinin gecikmesini, büyük kısmi deşarjlar sırasında deşarj kanallarının dallanmasını ve deşarj sürecinin katot malzemelerinden etkilenmemesini açıklayamaz. 1940 yılında Week ve Leob, Townsend'in teorisini tamamlayan flama teorisini (flama teorisi olarak da bilinir) kurdular. Peterson, 1970 yılında, şerit teorisinin, gerçek koşullar altında homojen olmayan elektrik alanlarına daha uygulanabilir olduğunu ve bunun, 222nm uv lambasının elektrot yapısını optimize etmek için büyük önem taşıdığını öne sürdü. Streamer teorisine göre tek bir elektron çığı kritik boyuta ulaştığında çok hızlı bir parçalanma süreci yaşanacaktır. Yüksek-hızlı elektronlar, elektron çığının küresel bir başını oluşturarak anoda doğru hareket ederler. Elektronlarla karşılaştırıldığında, pozitif ve negatif iyonlar çok yavaş hareket eder ve hareketsiz olarak kabul edilebilir; pozitif yüklü uzun bir çığ kuyruğu oluşturacak şekilde üretildikleri yerde kalırlar. Atmosfer basıncında, elektron difüzyon hızı küçüktür ve elektron çığının yükü nispeten yoğunlaşmıştır; bu da açıkça orijinal elektrik alanını bozar ve elektron çığının başındaki elektrik alanını değiştirir. Elektron çığının önündeki güçlendirilmiş elektrik alanı nedeniyle, elektronların hızlandırılmış hareketi daha fazla iyonlaşmaya yol açar ve birçok elektron çarpışması, geri dönerken her yöne fotonları serbest bırakan, fotoiyonizasyon üretmek için gaz tarafından kolayca emilen ve ikincil elektronlar üreten uyarılmış parçacıklar oluşturur. Böylece, ikincil elektron çığları, uzay yükleri tarafından güçlendirilen elektrik alanındaki çarpışma iyonizasyonuyla üretilir ve bir şerit kanalı oluşturmak üzere ilk çığın başı ile birleşerek boşluk bozulmasına doğru gelişir. Streamer teorisi, başlangıçtan bozulmaya kadar olan boşalmanın, çarpışma iyonizasyonunun niceliksel bir değişim süreci olmadığına, ancak başlangıçtaki elektron çığının belirli bir dereceye kadar gelişmesi ve alt{18}}elektron çığının ürettiği yüklerin sayısının belirli bir kritik değeri aşması ve uzay yükünün dış elektrik alanını önemli ölçüde bozması durumunda uzay fotoiyonizasyonunun niteliksel bir değişim sonucu olduğuna inanır. Fotoiyonlaşmanın neden olduğu ikincil elektron çığı, bir şerit oluşturmak üzere ana elektron çığıyla birleşir, boşalım kendi kendini sürdüren boşalıma dönüşür ve boşalımın gelişimi uzay fotoiyonizasyonuyla korunur. Streamer teorisinin uzay fotoiyonizasyon süreci, deşarj süresi gecikmesini, deşarj morfolojisini ve Townsend teorisi tarafından açıklanamayan motor malzemelerinin ve diğer fiziksel süreçlerin etkisini iyi bir şekilde açıklayabilir; 222nm uv lambasının deşarj stabilitesi incelenirken bunun özellikle dikkate alınması gerekir. Uzun aralıklı deşarjlara sahip yıldırım gibi süreçlerin lider teorisinin termal iyonizasyonuyla açıklanması gerekir. Hem flama teorisi hem de lider teorisi yalnızca niteliksel fiziksel modeller sağlar ve nispeten eksiksiz bir niceliksel matematiksel model yoktur. Daha sonraki araştırma çalışmaları esas olarak deneysel yöntemlerle yürütülmektedir. Korona katmanındaki deşarj sürecinin özelliklerine göre korona iki forma ayrılabilir: elektron çığ formu ve şerit formu. Korona elektrotunun eğriliği büyük olduğunda, korona tabakası çok ince ve nispeten tekdüzedir ve deşarj akımı nispeten stabildir. Kendi kendini sürdüren deşarj, Townsend deşarj formunu, yani bir elektron çığının ortaya çıktığı koronayı benimser. Gerilim arttıkça, korona tabakası genişlemeye devam eder ve bireysel elektron çığları şeritler oluşturur, bu da darbeli bir deşarj biçimine neden olur ve ardından korona deşarjı formundaki şerite geçiş olur. Elektrotun eğrilik yarıçapı arttırılırsa korona başlangıçta çok yoğundur ve ortaya çıktığı anda şerit şeklinde bir form oluşturur. Voltaj daha da artırıldığında, bireysel şeritler güçlü bir şekilde gelişerek fırça deşarjına neden olur ve deşarjın darbe fenomeni daha yoğun hale gelir, sonunda boşluğa nüfuz eder ve aralığın tamamen bozulmasına neden olur, bu da 222nm uv lambasının hizmet ömrü ve performansı ile ilgilidir. Genellikle elektron çığ formunun düzgün elektrik alanları için uygun olduğuna ve şerit teorisinin homojen olmayan elektrik alanları için daha uygun olduğuna inanılır. Streamer teorisi ile birleştirilmiş Townsend deşarjına dayanarak, homojen olmayan elektrik alanları için arıza kriteri türetilebilir; bu, 222nm uv lambasının tasarımı ve optimizasyonu için yol gösterici öneme sahiptir.
