기체 내 전기 방전

Electric discharge in gases

기체 내 방전은 기체의 이온화로 인해 전류가 기체 매체를 통해 흐를 때 발생한다. 몇 가지 요인에 따라 방전이 가시광선을 방출할 수 있다. 가스의 전기 방전 특성은 광원 설계 및 고전압 전기 장비 설계와 관련하여 연구한다.

방전유형

두 전극 사이의 눈사태 효과. 원래의 이온화 사건은 하나의 전자를 해방시키고, 그 후의 충돌은 더 많은 전자를 해방시키므로, 각각의 충돌에서 두 개의 전자가 나온다: 이온화 전자와 해방 전자.
가스 압력을 증가시킴으로써 아르곤에서 광선 방출에서 아크 방전으로의 전환.
1 torr에서 네온 내 방전의 전압 전류 특성. 두 개의 평면 전극이 50 cm로 분리되어 있음.[dubious – discuss]
A: 우주 방사선에 의한 무작위 펄스
B: 포화 전류
C: 눈사태 타운젠드 방류
D: 자급자족 타운센드 방류
E: 불안정한 부위: 코로나 방전
F: 비정상적인 예열 방전
G: 정상 예열 방전
H: 비정상적인 예열 방전
I: 불안정 영역: 예열 아크 전환
J: 전호
K: 전호
A-D 부위는 어두운 방전이라고 불리는데, 어느 정도 이온화가 있지만, 전류가 10마이크로암페어 미만이고 상당한 양의 방사선이 생성되지 않는다.
F-H 부위는 광 방출 지역이다; 플라즈마는 거의 모든 관 부피를 차지하는 희미한 빛을 방출한다; 대부분의 빛은 흥분된 중성 원자에 의해 방출된다.
I-K 영역은 아크 방전 지역이다; 플라즈마는 튜브의 중심을 따라 좁은 채널에 집중된다; 많은 양의 방사선이 생성된다.

콜드 음극관에서는 가스 내 전기 방전 구역이 3개 있으며, 뚜렷한 전류 전압 특성이 있다.[1]

  • I: 타운젠드 방전, 고장 전압 이하. 저전압에서 유일한 전류는 우주선이나 다른 전리방사선 선원에 의한 기체 내 전하 운반체의 생성으로 인한 것이다. 인가 전압이 증가함에 따라 전류를 운반하는 자유 전자는 추가 이온화를 일으킬 수 있을 만큼 충분한 에너지를 얻으며 전자 눈사태를 일으킨다. 이 정권에서 전류는 펨토암페어에서 마이크로암페어로, 즉 전압의 추가 상승이 거의 없다. 전압-전류 특성은 고장 전압 근처에서 테이퍼링을 시작하고 광이 가시화된다.
  • II: 분해 전압에 도달한 후 발생하는 예열 방전 전극을 가로지르는 전압이 갑자기 떨어지고 전류는 밀리암페어 범위까지 증가한다. 낮은 전류에서 튜브의 전압은 거의 전류에 의존하지 않으며, 이는 예열 방전 전압 조절기 튜브에 사용된다. 낮은 전류에서 예열 방전으로 덮인 전극의 면적은 전류에 비례한다. 높은 전류에서 정상적인 광선이 비정상적인 광선으로 변하고, 튜브를 통과하는 전압이 점차 증가하며, 광 방출이 전극 표면의 더 많은 부분을 덮는다. 저전력 스위칭(저방전 시린트론), 전압 안정화 및 조명 애플리케이션(예: 닉시 튜브, 데카트론, 네온 램프)이 이 지역에서 작동한다.
  • III: 전류의 암페어 범위에서 발생하는 아크 방전; 전류가 증가함에 따라 튜브의 전압이 떨어진다. 고전류 개폐관(예: 트리거 스파크 갭, 점화원, 티라트론 및 크라이트론(및 그 진공관 유도체, 스프린트론, 진공 아크 사용), 고출력 수은아크 밸브 및 고출력 광원(예: 수은-증포등 및 금속 할라이드 램프)은 이 범위에서 작동한다.

예열 방전은 전자가 가스 원자를 부딪쳐 이온화함으로써 촉진된다. 광 방출 형성을 위해 전자의 평균 자유 경로는 합리적으로 길어야 하지만 전극 사이의 거리보다 짧아야 한다. 따라서 광 방출은 너무 낮거나 너무 높은 가스 압력 모두에서 쉽게 발생하지 않는다.

예열 방전을 위한 파괴 전압은 Paschen의 법칙에 따라 가스 압력과 전극 거리의 산물에 비선형적으로 의존한다. 특정 압력 × 거리 값의 경우, 가장 낮은 파괴 전압이 있다. 더 짧은 전극 거리에 대한 타격 전압의 증가는 전극 거리와 비교했을 때 전자의 평균 자유 경로가 너무 긴 것과 관련이 있다.

소량의 방사성 원소를 별도의 재료(예: 크라이트론의 니켈-63) 또는 전극의 합금(예: 토륨)에 추가하여 튜브에 첨가하여 가스를 전리화시키고 전기 분해 및 발광이나 아크 발화의 신뢰성을 높일 수 있다. 크립톤-85와 같은 기체 방사성 동위원소도 사용할 수 있다. 점화 전극과 유지방출 전극도 사용할 수 있다.[2]

전자장 E와 중성입자 N 농도 사이의 E/N 비율은 전자(따라서 방전되는 다른 많은 특성)의 평균 에너지가 E/N의 함수이기 때문에 자주 사용된다. 어떤 요인 q에 의해 전기 강도 E를 증가시키는 것은 q에 의해 가스 밀도 N을 낮추는 것과 같은 결과를 가져온다.

SI 단위는 V·cm이지만2 타운센드 단위(Td)가 자주 사용된다.

아날로그 계산에서의 응용

특정 지도 문제의 해결을 위한 광 방출의 사용은 2002년에 설명되었다. [3] 이 작품을 묘사한 네이처 뉴스에 따르면 임페리얼 칼리지 런던의 연구원들은 관광객들에게 야광 경로 지표를 제공하는 미니맵을 어떻게 만들었는지를 시연했다.[4] 1인치 런던 칩을 만들기 위해, 그 팀은 유리 미끄럼틀에 도시 센터의 계획을 새겼다. 꼭대기에 평평한 뚜껑을 설치함으로써 거리는 텅 빈 연결된 튜브로 변했다. 이들은 헬륨 가스를 채웠고, 주요 관광 중심지에 전극을 삽입했다. 두 지점 사이에 전압을 가하면, 전기는 자연스럽게 A에서 B까지 최단 경로를 따라 거리를 통과하며 가스는 아주 작은 빛나는 스트립 불빛처럼 빛난다. 이 접근 방식 자체는 마이크로 유체 칩에서 광 방출의 조명 특성을 바탕으로 광범위한 미로 탐색 문제를 해결하기 위한 새로운 시각적 아날로그 컴퓨팅 접근방식을 제공한다.

참조

  1. ^ 엔지니어를 위한 참조 데이터: Mac E, Wendy Middleton의 라디오, 전자, 컴퓨터 및 통신. 2002년 뉴네스 16-42페이지 반 발켄버그 ISBN0-7506-7291-9
  2. ^ 광전자 설명서, 제1권 John Dakin, Robert G. W. Brown, 페이지 52, CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7
  3. ^ Reyes, D. R.; Ghanem, M. M.; Whitesides, G. M.; Manz, A. (2002). "Glow discharge in microfluidic chips for visible analog computing". Lab on a Chip. 2 (2): 113–6. doi:10.1039/B200589A. PMID 15100843.
  4. ^ "Glow discharge in microfluidic chips for visible analog computing". Nature. 27 May 2002. doi:10.1038/news020520-12.