Základná teória výboja plynu v 222nm UV lampe
1. Townsendova elektrónová lavínová teória
Jav akéhokoľvek elektrického prúdu prechádzajúceho plynom sa nazýva vedenie plynu alebo výboj plynu. Rôzne prevádzkové podmienky spôsobia rôzne javy výboja plynu a budú mať rôzne výbojové vlastnosti. Pri skúmaní fenoménu výboja plynu sa výboje zvyčajne delia do dvoch kategórií: ne-samočinné{3}}udržiavacie vybíjanie a samočinne{4}}trvalé vybíjanie. Fenomén prechodu výboja z-samočinného{7}}neudržiavacieho na samočinný-priebeh sa nazýva plynový prieraz. Ne-samočinný{11}}výboj sa týka javu, pri ktorom sa výboj môže udržiavať iba za podmienok externého zdroja ionizácie. Samostatný{13}}udržiavací výboj sa týka javu, pri ktorom môže byť výboj stále udržiavaný aj po odstránení externého zdroja ionizácie. Pôsobením externého zdroja ionizácie, keď sa napätie na 222nm uv lampovej výbojke zvýši na určitú dostatočnú hodnotu, prúd vo vnútri trubice sa náhle zvýši. V tomto čase, ak je zdroj ionizácie odstránený, výbojový prúd je stále dostatočne veľký, to znamená, že tvorba výboja v tomto okamihu nemá nič spoločné s prítomnosťou alebo neprítomnosťou externého zdroja ionizácie a tento stav sa nazýva samotrvalý výboj. Proces prechodu z-neudržiavacieho{20}}vybíjania na{21}}samostatný{21}}výboj sa nazýva proces rozpadu plynu alebo proces vznietenia. Tento fenomén a teóriu výboja prvýkrát študoval a stanovil vedec Townsend na začiatku 20. storočia, preto sa nazýva Townsendov výboj. Po analýze veľkého počtu experimentálnych situácií Townsend veril, že elektróny sa pohybujú v rovnomernom elektrickom poli, pričom neustále získavajú energiu z elektrického poľa a elektróny sa zrážajú s atómami plynu, aby spôsobili ionizáciu a stratili energiu. V rovnovážnom stave by sa tieto dve časti energie mali rovnať. Novo ionizované nabité častice sú urýchľované elektrickým poľom a môžu tiež spôsobiť ionizáciu. Keď počiatočný elektrón prejde z katódy na anódu a spôsobí kolíziovú ionizáciu, 1., 2., 3., 4., ... kolízna ionizácia prebieha postupne a novovytvorené elektróny sa tiež presúvajú na anódu a vytvárajú kolíziovú ionizáciu. Počet elektrónov pohybujúcich sa k anóde sa zvyšuje na 2, 4, 8, 16, ... Počet elektrónov pribúda ako lavína, preto sa tomu hovorí elektrónová lavína. Teória elektrónovej lavíny je aplikovateľná na oblasť výboja, kde pod pôsobením elektrického poľa dominuje riadený pohyb elektrónov a nepravidelný tepelný pohyb elektrónov je v nevýhodnej polohe, čo sa odráža aj v pracovnom procese 222nm uv lampy. Volt-ampérová charakteristická krivka Townsendovej elektrónovej lavíny, ktorú možno rozdeliť na tri časti: T2-1, je znázornená na obrázku T2-1, obr. a T2. V oblasti T0 je napätie medzi elektródami veľmi nízke a prúd pretekajúci plynom je tiež veľmi malý. Ako je znázornené na obrázku 2-1, stúpa od nuly a potom má tendenciu k saturácii. Je to výsledok riadenej migrácie nabitých častíc pôsobením elektrického poľa pri zvyškovej ionizácii. Vplyvom žiarenia kozmického žiarenia a rádioaktívnych prvkov v zemskej kôre je v akomkoľvek plyne v akomkoľvek čase a mieste určité množstvo elektrónov a iónov. Tento jav sa nazýva zvyšková ionizácia. V neprítomnosti vonkajšieho poľa sa tieto nabité častice pohybujú náhodne v priestore ako molekuly plynu. Keď sa cez 222nm výbojku uv lampy aplikuje nízke napätie, elektróny a ióny sa pohybujú smerovo pod pôsobením poľa, takže prúd sa postupne zvyšuje od nuly. Keď je napätie medzi elektródami dostatočne veľké, všetky nabité častice sa môžu dostať k elektródam a v tomto čase prúd dosiahne určitú maximálnu hodnotu. Hustota nabitých častíc generovaných zvyškovou ionizáciou je vo všeobecnosti veľmi slabá, takže hodnota saturačného prúdu v oblasti T0 je stále veľmi malá (rádovo 10^-12 A). Na základe vyššie uvedeného základného procesu výboja uvádza Townsendova teória výboja koeficienty , , a η na popísanie mechanizmu ionizácie plynu, ktorý je rozhodujúci pre pochopenie mechanizmu výboja uv koniec ionizačného koeficientu prvej lampy:Tsm. voľných elektrónov generovaných zrážkovou ionizáciou medzi elektrónom a atómami plynu, keď sa elektrón pohybuje od katódy k anódovému smeru na jednotkovú vzdialenosť. Tento ionizačný proces sa tiež nazýva proces.Townsendov druhý ionizačný koeficient (objemový ionizačný koeficient kladných iónov): Predstavuje počet zrážok medzi kladným iónom a atómami plynu, keď sa kladný ión pohybuje od anódy ku katóde o jednotkovú vzdialenosť. Tento proces sa tiež nazýva proces. Koeficient pripojenia η: Predstavuje pravdepodobnosť pripojenia elektrónu na jednotku dĺžky v smere elektrického poľa. Attachment znižuje počet voľných elektrónov a v istom zmysle konkuruje ionizácii, ktorá ovplyvňuje udržateľnosť výboja v plynovom prostredí 222nm uv lampy.
2. Streamer Theory a Leader Theory
Townsendova teória odvodzuje{0}}kritérium samoudržateľného vypúšťania. Jeho základný model zosilnenia zrážkovej ionizácie a myšlienka premeny z primárnej elektrónovej lavíny na sekundárnu elektrónovú lavínu ako podmienku samostatne -trvalého výboja boli vždy základom teórie plynového výboja. Townsendova teória však neuvažuje so skreslením externe aplikovaného elektrického poľa vesmírnymi nábojmi, ani úplne nezohľadňuje zdroj počiatočných elektrónov v sekundárnych elektrónových lavínach. Nedokáže vysvetliť časové oneskorenie tvorby rozpadového procesu, rozvetvenie výbojových kanálov pri veľkých čiastočných výbojoch a jav, že výbojový proces nie je ovplyvnený katódovými materiálmi. V roku 1940 Week a Leob založili teóriu streamerov (známu aj ako teória streamerov), ktorá dopĺňa Townsendovu teóriu. Peterson v roku 1970 navrhol, že teória streamera je vhodnejšia na nehomogénne elektrické polia v skutočných podmienkach, čo má veľký význam pre optimalizáciu štruktúry elektród 222nm uv lampy. Podľa teórie streamerov, keď jedna elektrónová lavína dosiahne kritickú veľkosť, dôjde k veľmi rýchlemu procesu rozpadu. Vysokorýchlostné elektróny tvoria sférickú hlavu elektrónovej lavíny, ktorá sa pohybuje smerom k anóde. V porovnaní s elektrónmi sa kladné a záporné ióny pohybujú veľmi pomaly a možno ich považovať za nehybné, pričom zostávajú tam, kde sa vytvárajú, aby vytvorili dlhý kladne nabitý lavínový chvost. Pri atmosférickom tlaku je rýchlosť difúzie elektrónov malá a náboj elektrónovej lavíny je pomerne koncentrovaný, čo evidentne narúša pôvodné elektrické pole a mení elektrické pole na čele elektrónovej lavíny. V dôsledku zosilneného elektrického poľa pred elektrónovou lavínou vedie zrýchlený pohyb elektrónov k ďalšej ionizácii a mnohé zrážky elektrónov vytvárajú excitované častice, ktoré pri návrate uvoľňujú fotóny vo všetkých smeroch, ktoré sú ľahko absorbované plynom za vzniku fotoionizácie, čím vznikajú sekundárne elektróny. Sekundárne elektrónové lavíny sú teda generované kolíziou ionizáciou v elektrickom poli posilnenom vesmírnymi nábojmi a zbiehajú sa s hlavou počiatočnej lavíny, aby vytvorili streamerový kanál, ktorý sa ďalej rozvíja až k rozpadu medzery. Teória streamerov verí, že výboj od iniciácie po rozpad nie je proces kvantitatívnej zmeny kolíziovej ionizácie, ale kvalitatívna zmena výsledkom priestorovej fotoionizácie, keď sa počiatočná elektrónová lavína rozvinie do určitej miery a počet nábojov generovaných sub-elektrónovou lavínou prekročí určitú kritickú hodnotu a vonkajšie elektrické pole výrazne skreslí vonkajšie elektrické pole. Sekundárna elektrónová lavína spôsobená fotoionizáciou sa zbližuje s hlavnou elektrónovou lavínou a vytvára streamer, výboj sa zmení na samočinný{20}}výboj a vývoj výboja je udržiavaný priestorovou fotoionizáciou. Priestorový fotoionizačný proces teórie streamerov môže dobre vysvetliť oneskorenie výboja, morfológiu výboja a vplyv materiálov motora a iných fyzikálnych procesov, ktoré nemožno vysvetliť Townsendovou teóriou, ktorú je potrebné dôsledne zvážiť pri štúdiu stability výboja 222nm uv lampy. Procesy, ako sú blesky s dlhými medzerovými výbojmi, musia byť vysvetlené tepelnou ionizáciou vedúcej teórie. Teória streamera aj teória vodcu poskytujú iba kvalitatívne fyzikálne modely a neexistuje relatívne úplný kvantitatívny matematický model. Následné výskumné práce sa vykonávajú najmä experimentálnymi metódami. Podľa charakteristík výbojového procesu v korónovej vrstve možno korónu rozdeliť na dve formy: elektrónovú lavínovú formu a streamerovú formu. Keď je zakrivenie korónovej elektródy veľké, korónová vrstva je veľmi tenká a relatívne rovnomerná a výbojový prúd je relatívne stabilný. Samostatný{29}}výboj má podobu Townsendovho výboja, teda koróny, keď sa objaví elektrónová lavína. Ako sa napätie zvyšuje, korónová vrstva pokračuje v expanzii a jednotlivé elektrónové lavíny vytvárajú streamery, čo vedie k pulznej forme výboja a potom k prechodu do streamerovej formy korónového výboja. Ak sa polomer zakrivenia elektródy zväčší, koróna je na začiatku veľmi intenzívna a hneď ako sa objaví, vytvorí formu streamera. Pri ďalšom zvyšovaní napätia sa jednotlivé streamery silno vyvíjajú, čo vedie ku kefovému výboju a pulzný jav výboja sa stáva intenzívnejším, prípadne preniká medzerou a spôsobuje úplné rozbitie medzery, čo súvisí so životnosťou a výkonom 222nm uv lampy. Všeobecne sa verí, že forma elektrónovej lavíny je vhodná pre rovnomerné elektrické polia a teória streamerov je vhodnejšia pre nehomogénne polia. Na základe Townsendovho výboja v kombinácii s teóriou streamerov možno odvodiť kritérium rozpadu pre nehomogénne elektrické polia, čo má hlavný význam pre návrh a optimalizáciu 222nm uv lampy.
