موضوع مقاله: لوله پر از گاز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # لوله پر از گاز | مقدمه: لوله‌های پر از گاز از پدیده‌های مربوط به تخلیه الکتریکی در گازها استفاده می‌کنند و با یونیزه کردن گاز به وسیله ولتاژ اعمال شده برای ایجاد رسانایی الکتریکی توسط پدیده‌های زیربنایی تخلیه تاونزند کار می‌کنند. | ## بخش 1: لوله پر از گاز | اینها شامل لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های متال هالید، لامپ‌های بخار سدیم و لامپ‌های نئون است. لوله‌های پر از گاز مخصوص مانند کریترون‌ها، تایترون‌ها و ایگنیترون‌ها به عنوان افزاره‌های کلیدزنی در دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. ولتاژ مورد نیاز برای شروع و حفظ تخلیه، به فشار و ترکیب گاز پرکننده و هندسه لوله بستگی دارد. اگرچه که پوشش معمولاً شیشه‌ای است، لوله‌های قدرت اغلب از جنس سرامیک هستند و لوله‌های نظامی اغلب از فلز با روکش شیشه استفاده می‌کنند. گازهای مورد استفاده هیدروژن هیدروژن در لوله‌هایی استفاده می‌شود که برای سوئیچینگ بسیار سریع استفاده کاربرد دارند، به عنوان مثال، برخی از تیراترون‌ها، دکاترون‌ها، و کریترون‌ها، جایی که لبه‌هایی با شیب بسیار تند مورد نیاز است. هیدروژن (و دوتریوم) را می‌توان در لوله به شکل یک هیدرید فلزی که با یک رشته کمکی گرم می‌شود ذخیره کرد. با گرم کردن چنین عنصر ذخیره‌سازی می‌توان از آن برای دوباره پر کردن گاز استریل و حتی تنظیم فشار در صورت نیاز برای عملیات تیراترون در یک ولتاژ معین استفاده کرد.C. دوتریوم دوتریوم در لامپ‌های فرابنفش برای طیف‌سنجی فرابنفش، در لوله‌های مولد نوترون و در لوله‌های ویژه (مانند کراساترون) استفاده می‌شود. همچنین، در ولتاژ یکسان، فشار دوتریوم می‌تواند بیشتر از هیدروژن باشد، که امکان افزایش نرخ جریان بالاتر را قبل از اینکه اتلاف آند بیش از حد شود، را فراهم می‌کند. گازهای نجیب پیوند= نجیب تیوب‌های خالی شده؛ از چپ به راست: هلیم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون گازهای نجیب اغلب در لوله‌ها برای استفاده‌های بسیاری، از روشنایی گرفته تا سوئیچینگ، استفاده می‌شوند. تیراترون‌های پر از گاز نجیب، پارامترهای الکتریکی بهتری نسبت به تیراترون‌های مبتنی بر جیوه دارند. اتم‌های خنثی گاز در اثر برخورد، سرعت یون‌ها را کاهش می‌دهند و انرژی انتقال یافته به الکترودها در اثر برخورد یون را کاهش می‌دهند. هلیوم در لیزرهای هلیوم-نئون و در برخی از تیراترون‌ها که برای جریان‌ها و ولتاژهای بالا درجه‌بندی شده‌اند استفاده می‌شود. نئون دارای ولتاژ احتراق پایین است و اغلب در لوله‌های ولتاژ پایین استفاده می‌شود. ترشحات نئون، نور قرمز نسبتاً روشنی تابشمی‌کند؛ بنابراین، از لوله‌های سوئیچینگ پر از نئون به عنوان نشانگر استفاده می‌کنند و هنگام روشن شدن، به رنگ قرمز می‌درخشند. از این در لوله‌های دکاترون هم که به عنوان شمارنده و هم به عنوان نمایشگر عمل می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در لوله‌های فلورسنت با قدرت بالا و طول کوتاه استفاده می‌شود، به عنوان مثال لوله‌های روشنایی صنعتی. جرم اتمی کم آن تنها محافظت اندکی از الکترودها در برابر یون‌های شتاب گرفته ایجاد می‌کند. آرگون اولین گازی بود که در لوله‌های فلورسنت مورد استفاده قرار گرفت و هنوز هم به دلیل هزینه کم، راندمان بالا و ولتاژ ضربه بسیار کم استفاده می‌شود. با این حال، افت ولتاژ در طول لامپ کمتر از آرگون است، که می‌تواند با قطر لوله کوچکتر آن را جبران کرد. زنون در حالت خالص دارای ولتاژ شکست بالایی است که آن را در لوله‌های سوئیچینگ ولتاژ بالاتر مفید می‌کند. زنون همچنین در مواقعی که تولید اشعه ماوراء بنفش مورد نیاز است، به عنوان جزئی از مخلوط‌های گازی استفاده می‌شود، مثلاً در نمایشگرهای پلاسما، معمولاً برای تحریک فسفر. طول موج تولید شده به وسیله آرگون و کریپتون بیشتر است و بهتر به فسفرها نفوذ می‌کند. در غلظت‌های ۱٪ و کمتر زنون، اثر پنینگ در چنین مخلوط‌هایی قابل توجه می‌شود، زیرا بیشتر یونیزاسیون زنون در اثر برخورد با اتم‌های برانگیخته گازهای نجیب دیگر رخ می‌دهد. مخلوط‌های پنینگ در جاهایی استفاده می‌شود که ولتاژ یونیزاسیون کمتری مورد نیاز است، به عنوان مثال در لامپ‌های نئون، لوله‌های گایگر-مولر و دیگر آشکارسازهای ذرات پر از گاز. یک ترکیب کلاسیک در حدود ۹۸ تا ۹۹٫۵ درصد نئون با ۰٫۵ تا ۲ درصد آرگون است که در لامپ‌های نئون نمایشگرهای پلاسمای تک رنگ استفاده می‌شود. بخارات عنصری (فلزات و نافلزات) بخارات جیوه برای کاربردهایی با جریان بالا استفاده می‌شود، به عنوان مثال چراغ‌ها، دریچه‌های قوس جیوه‌ای، جرقه‌زنی. جیوه مخلوط شده با گاز بی‌اثر در جایی استفاده می‌شود که تلفات انرژی در لوله باید کم باشد و طول عمر لوله باید طولانی باشد. سپس گرمای آزاد شده، میزان کافی جیوه را برای رسیدن به فشار بخار مورد نظر تبخیر می‌کند. یکسو کننده‌های ولتاژ پایین (صدها ولت)، از بخار جیوه اشباع شده در ترکیب با مقدار کمی گاز بی اثر استفاده می‌کنند که امکان شروع سرد لوله‌ها را فراهم می‌کند. یکسو کننده‌های ولتاژ بالا (کیلو ولت و بیشتر) از بخار جیوه خالص در فشار کم استفاده می‌کنند که نیاز به حفظ حداکثر دمای لوله دارد. | ## بخش 2: لوله پر از گاز | جیوه مایع به عنوان یک مخزن جیوه عمل می‌کند و بخارهایی را که در طول تخلیه مصرف می‌شود، دوباره پر می‌کند. می‌توان از بخار جیوه غیراشباع استفاده کرد، اما از آنجایی که نمی‌توان آن را دوباره پر کرد، طول عمر چنین لوله‌هایی کمتر است. وابستگی شدید فشار بخار به دمای جیوه، محیط‌هایی را که لوله‌های مبتنی بر جیوه می‌توانند در آن کار کنند، محدود می‌کند. در لامپ‌های جیوه ای کم فشار، یک فشار جیوه ای بهینه برای بالاترین بازده وجود دارد. فوتون‌های گسیل شده توسط اتم‌های جیوه یونیزه شده می‌توانند توسط اتم‌های غیریونیزه مجاور جذب شوند یا مجدداً تابش شوند یا اتم به‌طور غیر تابشی برانگیخته شود، بنابراین فشار زیاد جیوه باعث از دست دادن نور می‌شود. فشار بسیار کم جیوه منجر به وجود اتم‌های بسیار کمی برای یونیزه شدن و تابش فوتون‌ها می‌شود. دمای مطلوب برای لامپ‌های جیوه ای کم فشار حدود ۴۲ درجه سانتی گراد (سلسیوس)است، هنگامی که فشار بخار اشباع جیوه (به صورت افت حدود ۱ میلی‌گرم جیوه مایع در لوله، به عنوان یک مخزن جبران کننده تلفات با پاکسازی) به این حد مطلوب می‌رسد. در لامپ‌های در نظر گرفته شده برای کار در دمای محیط بالاتر و در محدوده دمایی وسیع تر، جیوه به شکل آمالگام با بیسموت و ایندیم وجود دارد. 52, CRC Press, 2006 جیوه در لوله‌های فلورسنت به عنوان منبع نور مرئی و فرابنفش برای تحریک فسفر استفاده می‌شود. در این کاربرد معمولاً همراه با آرگون یا در برخی موارد با کریپتون یا نئون استفاده می‌شود. یون‌های جیوه به آرامی دییونیزه می‌شوند و سرعت سوئیچینگ تیراترون‌های پر از جیوه را محدود می‌کنند. بمباران یونی با یون‌های جیوه حتی با انرژی نسبتاً کم نیز به تدریج کاتدهای پوشش داده شده با اکسید را از بین می‌برد. بخار بسیاری از فلزات، به تنهایی یا همراه با یک گاز نجیب، در بسیاری از لیزرها استفاده می‌شود. نیتروژن معمولاً در فشار نسبتاً بالا در خروش بازدارنده استفاده می‌شود، با توجه به زمان کوتاه آماده‌سازی آن، به لوله‌ها امکان واکنش سریع تری نسبت به ولتاژ موج‌ها می‌دهد. هنگامی که به گازهای بی اثر اضافه می‌شوند، تخلیه را فرو می‌نشانند؛ برای مثال در لوله‌های گایگر-ام ال شلر مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. گازهای عایق در موارد خاص (مثلاً کلیدهای فشار قوی)، گازهایی با خواص دی الکتریک خوب و ولتاژهای شکست بسیار بالا مورد نیاز است. عناصر بسیار الکترونگاتیو، به عنوان مثال، هالوژن‌ها، مورد نیاز هستند زیرا آنها به سرعت با یون‌های موجود در کانال تخلیه، دوباره ترکیب می‌شوند. یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها هگزا فلوراید گوگرد است که در کاربردهای خاص ولتاژ بالا استفاده می‌شود. مقداری یونیزاسیون وجود دارد، اما جریان زیر ۱۰ میکرو آمپر است و مقدار قابل توجهی تابش تولید نمی‌شود.منطقه DG مقاومت دیفرانسیل منفی را نشان می‌دهدناحیه FH ناحیه ای از تخلیه درخشان است. بیشتر نور توسط اتم‌های خنثی برانگیخته گسیل می‌شود.منطقه IK ناحیه تخلیه قوسی است. مکانیسم اساسی، تخلیه تاونسند است، که ضرب پایدار جریان الکترون با ضربه یونی است، زمانی که یک مقدار بحرانی قدرت میدان الکتریکی برای چگالی گاز به دست می‌آید. همان‌طور که در نمودار نشان داده شده‌است، با افزایش میدان الکتریکی، فازهای مختلفی از تخلیه به وجود می‌آید. فشار گاز فشار گاز ممکن است بین ؛ معمولاً از فشارهای بین 1-10 torr استفاده می‌شود. فشار گاز بر عوامل زیر تأثیر می‌گذارد: ولتاژ شکست (که ولتاژ احتراق نیز نامیده می‌شود) چگالی جریان ولتاژ بهره‌برداری ولتاژ معکوس طول عمر لوله (لوله‌های با فشار پایین‌تر به دلیل مصرف گاز طول عمر کمتری دارند) کندوپاش کاتد، در فشارهای بالاتر کاهش می‌یابد بالاتر از یک مقدار معین، هر چه فشار گاز بیشتر باشد، ولتاژ احتراق بالاتر می‌رود. لوله‌های روشنایی فشار بالا می‌توانند در زمان سرد شدن، زمانی که فشار گاز کم است، به ضربه‌های چند کیلوولتی برای احتراق نیاز دارند. پس از گرم شدن، هنگامی که ترکیب فرٍار (بخار شدنی) مورد استفاده برای انتشار نور تبخیر می‌شود و فشار افزایش می‌یابد، تخلیه مجدد به ولتاژ قابل بسیار بالاتری یا کاهش فشار داخلی به وسیله خنک کردن لامپ نیاز دارد. به عنوان مثال، بسیاری از لامپ‌های بخار سدیم را نمی‌توان بلافاصله پس از خاموش شدن دوباره روشن کرد. گاز تمایل دارد در طول عملیات لوله، توسط چندین پدیده که مجموعاً پاکسازی نامیده می‌شود، مصرف شود. در لوله‌های ولتاژ بالا، یون‌های شتاب گرفته می‌توانند به داخل مواد الکترود نفوذ کنند. سطوح جدید، که با کندوپاش الکترودها تشکیل شده و روی سطوح داخلی لوله قرار می‌گیرند، به راحتی گازها را جذب می‌کنند. یک رشته ساخته شده از یک فلز جاذب هیدروژن (مثلاً زیرکونیوم یا تیتانیوم) در لوله وجود دارد و با کنترل دمای آن نسبت هیدروژن جذب شده و دفع شده تنظیم می‌شود و در نتیجه فشار هیدروژن در لوله کنترل می‌شود. | ## بخش 3: لوله پر از گاز | از این رویکرد به عنوان مثال در تیراترون‌های هیدروژن یا لوله‌های نوترونی استفاده می‌شود. استفاده از بخار جیوه اشباع شده امکان استفاده از یک منبع جیوه مایع را به عنوان مخزن بزری از مواد فراهم می‌کند. اتم‌های از دست رفته توسط پاکسازی، به‌طور خودکار با تبخیر جیوه بیشتر دوباره پر می‌شوند. یکسو کننده‌های بزرگ از بخار جیوه اشباع شده با مقدار کمی گاز بی اثر استفاده می‌کنند. افت ولتاژ در بایاس رو به جلو از حدود ۶۰ ولت در ۰ درجه سانتیگراد تا حدودی بالاتر از ۱۰ ولت در ۵۰ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد و سپس ثابت می‌ماند. 16-42, Newnes, 2002 خلوص گاز گاز داخل لوله باید خالص نگه داشته شود تا خواص مورد نظر حفظ شود. نشت هوا به داخل لوله باعث وارد شدن اکسیژن می‌شود که بسیار الکترونگاتیو بوده و از تولید بهمن‌های الکترونی جلوگیری می‌کند. برای جلوگیری از خروج گاز از اجزای لوله در حین کار، قبل از پر کردن با گاز و آب‌بندی نیاز به حرارت دهی است. حتی به اندازه torr (≈۱ μPa)10−8 اکسیژن برای پوشاندن الکترودها با لایه اکسید تک مولکولی در چند ساعت کافی است. برای لوله‌های حاوی جیوه، باید از گیرنده‌هایی استفاده شود که با جیوه، آمالگام تشکیل نمی‌دهند (مثلاً زیرکونیوم، اما نه باریم). گازهای خنثی خالص در جایی استفاده می‌شوند که اختلاف بین ولتاژ جرقه و ولتاژ احتراق باید زیاد باشد، به عنوان مثال در لوله‌های سوئیچینگ. لوله‌ها برای بروز و تثبیت، در جایی که اختلاف باید کمتر باشد، باید با مخلوط پنینگ پر شوند. تفاوت کمتر بین ولتاژ جرقه و احتراق اجازه می‌دهد تا از ولتاژهای منبع تغذیه کمتر و مقاومت‌های سری کوچکتر استفاده کنید. نورپردازی و نمایش لوله‌های پر از گاز چراغ‌های فلورسنت، لامپ‌های CFL ، لامپ‌های تخلیه جیوه و سدیم و لامپ‌های HID همگی لوله‌های پر از گاز هستند که برای روشنایی استفاده می‌شوند. لامپ‌های نئونی و تابلوهای نئونی (که این روزها اکثر آنها دیگر مبتنی بر نئون نیستند) نیز لوله‌های پر از گاز کم فشار هستند. دستگاه‌های تخصصی قدیمی پر از گاز کم فشار، شامل لوله Nixie (که برای نمایش اعداد استفاده می‌شود) و دکاترون (برای شمارش یا تقسیم پالس‌ها با نمایش به عنوان یک تابع ثانویه استفاده می‌شود) هستند. لامپ‌های فلاش زنون لوله‌های پر از گازی هستند که در دوربین‌ها و چراغ‌های بارق برای تولید فلاش‌های روشن استفاده می‌شوند. لامپ‌های گوگردی که اخیراً ساخته شده‌اند نیز در صورت داغ بودن، لوله‌های پر از گاز هستند. لوله‌های پر از گاز در الکترونیک از آنجایی که ولتاژ احتراق به غلظت یون بستگی دارد که ممکن است پس از یک دوره طولانی از عدم فعالیت به صفر برسد، بسیاری از لوله‌ها برای در دسترس بودن یون آماده شده‌اند: به صورت نوری، با نور محیط یا توسط یک لامپ رشته‌ای ۲ واتی، یا با تخلیه درخشان در همان پوشش، به صورت رادیواکتیو، با افزودن تریتیوم به گاز، یا با پوشاندن پوشش داخل، به صورت الکتریکی، با الکترود نگهدارنده یا آغازگر دستگاه‌های قدرت برخی از نمونه‌های مهم عبارتند از لوله‌های تیراترون، کریترون و ایگنیترون که برای سوئیچ کردن جریان‌های ولتاژ بالا استفاده می‌شوند. یک نوع تخصصی از لوله پر از گاز به نام لوله تخلیه گاز (GDT) برای استفاده به عنوان محافظ ولتاژ، برای محدود کردن نوسانات ولتاژ در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی ساخته شده‌است. لوله‌های محاسباتی از اثر ماشه اشمیت در ناحیه مقاومت دیفرانسیل منفی می‌توان برای تحقق تایمرها، نوسانگرهای استراحت و مدارهای دیجیتال با لامپ‌های نئونی، لوله‌های ماشه، لوله‌های رله، دکاترون‌ها و لوله‌های nixie استفاده کرد. تیراترون‌ها همچنین می‌توانند به‌عنوان تریودها با بهره‌برداری از آنها آن‌ها در زیر ولتاژ احتراق‌شان مورد استفاده قرار گیرند و به آن‌ها اجازه می‌دهد سیگنال‌های آنالوگ را به‌عنوان یک آشکارساز ابربازسازنده خود خاموش شونده در گیرنده‌های کنترل رادیویی تقویت کنند. شاخص‌ها لامپ‌های نئونی مخصوصی در کنار لوله‌های nixie وجود داشت: نشانگر تنظیم کننده اولیه Tuneon، یک لوله شیشه ای با یک آند سیم کوتاه و یک کاتد سیم بلند که تا حدی می‌درخشد. طول درخشش متناسب با جریان لوله است لامپ نئون فسفری لوله ماشه ای درخشنده، که به عنوان نشانگر قفل کردن یا پیکسل نمایشگرهای ماتریس نقطه ای استفاده می‌شود لوله ماشه ای با درخشش مستقیم لوله ماشه ای فسفری دیودهای نویز دیودهای نویز کاتد داغ و تخلیه گاز در پاکت‌های شیشه‌ای لوله رادیویی معمولی برای فرکانس‌هایی تا UHF و لوله‌های شیشه‌ای بلند و نازک با پایه لامپ معمولی سرنیزه ای برای رشته و درپوش بالایی آند، برای فرکانس‌های SHF و درج مورب در یک موج بر. این دیودها با یک گاز خنثی خالص مانند نئون پر شده بودند زیرا مخلوط‌ها خروجی را وابسته به دما می‌کردند. ولتاژ سوزاندن آنها زیر ۲۰۰ ولت بود، اما برای احتراق نیاز به آغازگر نوری توسط یک لامپ رشته‌ای ۲ واتی و افزایش ولتاژ در محدوده ۵ کیلو ولت داشتند. یک تیراترون مینیاتوری زمانی که به عنوان دیود در میدان مغناطیسی عرضی عمل می‌کند، به عنوان منبع نویز کاربرد بیشتری دارد. لوله‌های تنظیم کننده ولتاژ در اواسط قرن بیستم معمولا از لوله‌های تنظیم کننده ولتاژ استفاده می‌شد. اندازه‌گیری زمان سپری شده از کندوپاش کاتدی در Time Totalizer استفاده می‌شود، یک زمان‌سنج فلز-بخار مبتنی بر کولومتر که در آن فلز پراکنده شده بر روی یک عنصر کلکتور رسوب می‌کند که مقاومت آن به آرامی کاهش می‌یابد. | ## جمع‌بندی | Crossatron، یک لوله تعدیل کننده Kathetron یا cathetron، یک لامپ سه قطبی کاتد گرم پر از گاز با دریچه ای خارج از لوله نئوترون، یک مولد پالس پرماترون، یک یکسو کننده کاتد داغ با جریان آند که توسط میدان مغناطیسی کنترل می‌شود فانوترون، یکسو کننده پلوماترون، یکسو کننده قوس جیوه ای با کنترل شبکه استروبوترون، یک لوله کاتدی سرد طراحی شده برای پالس هایجریان بالای باریک، که در عکاسی با سرعت بالا استفاده می‌شود.