תיאוריה בסיסית של פריקת גז במנורת UV 222nm
1. תורת מפולת האלקטרון של Townsend
התופעה של כל זרם חשמלי העובר בגז נקראת הולכת גז או פריקת גז. תנאי הפעלה שונים ייצרו תופעות שונות של פריקת גז ובעלות תכונות פריקה שונות. כאשר חוקרים תופעות של פריקת גז, הפרשות מחולקות בדרך כלל לשתי קטגוריות: פריקה בלתי-עצמית-מתמשכת ופריקה עצמית-מתמשכת. תופעת המעבר של פריקה מבלתי-מתמשכת-לעצמית-נקראת התמוטטות גז. פריקה לא-עצמית-מתמשכת מתייחסת לתופעה שבה הפריקה יכולה להישמר רק בתנאי של מקור יינון חיצוני. פריקה עצמית-מתמשכת מתייחסת לתופעה שבה עדיין ניתן לשמור על פריקה כאשר מסירים את מקור היינון החיצוני. תחת פעולתו של מקור יינון חיצוני, כאשר המתח על פני צינור פריקת מנורה uv 222nm עולה לערך מסוים מספיק, הזרם בתוך הצינור גדל לפתע. בשלב זה, אם מסירים את מקור היינון, זרם הפריקה עדיין גדול מספיק, כלומר, להיווצרות הפריקה ברגע זה אין שום קשר לנוכחות או היעדרו של מקור היינון החיצוני, ומצב זה נקרא פריקה עצמית-מתמשכת. תהליך המעבר מפריקה בלתי-עצמית-מתמשכת לפריקה-עצמית נקרא תהליך פירוק הגז או תהליך ההצתה. תופעת הפריקה והתיאוריה הזו נחקרו והוקמו לראשונה על ידי המדען טאונסנד בתחילת המאה ה-20, ולכן היא נקראת פריקת טונסנד. לאחר שניתח מספר רב של מצבי ניסוי, טאונסנד האמין שאלקטרונים נעים בשדה חשמלי אחיד, צוברים ללא הרף אנרגיה מהשדה החשמלי, ואלקטרונים מתנגשים באטומי גז כדי לגרום ליינון ולאבד אנרגיה. במצב שיווי משקל, שני חלקי האנרגיה הללו צריכים להיות שווים. החלקיקים הטעונים שיוננו לאחרונה מואצים על ידי השדה החשמלי ויכולים גם לגרום ליינון. כאשר אלקטרון ראשוני עובר מהקתודה לאנודה וגורם ליינון התנגשות, יינון ההתנגשות הראשון, השני, השלישי, הרביעי, ... מתרחשות ברצף, והאלקטרונים החדשים שנוצרו גם הם עוברים לאנודה ומייצרים יינון התנגשות. מספר האלקטרונים הנעים לאנודה גדל ל-2, 4, 8, 16, ... מספר האלקטרונים גדל כמו מפולת שלגים, אז זה נקרא מפולת אלקטרונים. תיאוריית מפולת האלקטרונים חלה על אזור הפריקה שבו התנועה המכוונת של האלקטרונים שולטת תחת פעולת השדה החשמלי, והתנועה התרמית הבלתי סדירה של אלקטרונים נמצאת במיקום לא מועיל, מה שבא לידי ביטוי גם בתהליך העבודה של מנורת ה-uv 222nm. 2-1, שניתן לחלק לשלושה חלקים: T0, T1 ו-T2. באזור T0, המתח בין האלקטרודות נמוך מאוד, וגם הזרם הזורם דרך הגז קטן מאוד. כפי שמוצג באיור 2-1, הוא עולה מאפס ואז נוטה לרוויה. זוהי תוצאה של הגירה מכוונת של חלקיקים טעונים תחת פעולת השדה החשמלי תחת יינון שיורי. בשל קרינת הקרניים הקוסמיות והיסודות הרדיואקטיביים בקרום כדור הארץ, יש כמות מסוימת של אלקטרונים ויונים בכל גז בכל זמן ומקום. תופעה זו נקראת יינון שיורי. בהיעדר שדה חיצוני, החלקיקים הטעונים הללו נעים באקראי בחלל כמו מולקולות גז. כאשר מתח נמוך מופעל על פני צינור פריקת מנורה uv 222nm, אלקטרונים ויונים נעים בכיוון תחת פעולת השדה, כך שהזרם גדל בהדרגה מאפס. כאשר המתח בין האלקטרודות גדול מספיק, כל החלקיקים הטעונים יכולים להגיע לאלקטרודות, ובזמן זה, הזרם מגיע לערך מרבי מסוים. צפיפות החלקיקים הטעונים הנוצרים על ידי יינון שיורי היא בדרך כלל חלשה מאוד, כך שערך זרם הרוויה באזור T0 עדיין קטן מאוד (בסדר גודל של 10^-12 A). בהתבסס על תהליך הפריקה הבסיסי לעיל, תיאוריית הפריקה של Townsend מציגה מקדמים , , ו- η כדי לתאר את המנגנון של פריקת גז 2m להבנת המנגנון של פריקה 2m uv lamp.מקדם היינון הראשון של Townsend : הוא מייצג את מספר האלקטרונים החופשיים שנוצרים על ידי יינון התנגשות בין אלקטרון ואטומי גז כאשר אלקטרון נע מהקתודה לכיוון האנודה על פני מרחק יחידה. תהליך יינון זה נקרא גם התהליך.מקדם היינון השני של טונסנד (מקדם יינון נפח של יונים חיוביים): הוא מייצג את מספר ההתנגשויות בין יון חיובי ואטומי גז כאשר יון חיובי נע מהאנודה לכיוון הקתודה על פני מרחק יחידה. תהליך זה נקרא גם התהליך.מקדם התקשרות η: הוא מייצג את הסתברות ההתקשרות של אלקטרון ליחידת אורך לאורך כיוון השדה החשמלי. החיבור מפחית את מספר האלקטרונים החופשיים ובמובן מסוים מתחרה ביינון, המשפיע על קיימות הפריקה בסביבת הגז של מנורת uv 222nm.
2. תורת הסטרימר ותורת המנהיגים
התיאוריה של Townsend שואבת את קריטריון הפריקה העצמית-. המודל הבסיסי שלו של רווח יינון התנגשות והרעיון של המרה ממפולת אלקטרונים ראשונית למפולת אלקטרונים משנית כמצב פריקה עצמית-היו תמיד הבסיס לתיאוריית פריקת הגז. עם זאת, התיאוריה של טאונסנד אינה מחשיבה את העיוות של השדה החשמלי המופעל מבחוץ על ידי מטענים בחלל, ואינה מתייחסת במלואה למקור האלקטרונים הראשוניים במפולות אלקטרונים משניות. זה לא יכול להסביר את עיכוב זמן ההיווצרות של תהליך ההתמוטטות, הסתעפות של תעלות פריקה במהלך פריקות חלקיות גדולות, ואת התופעה שתהליך הפריקה אינו מושפע מחומרי קתודה. בשנת 1940 הקימו וויק ולייב את תורת הסטרימר (הידועה גם בתור תורת הסטרימר), המשלימה את התיאוריה של טאונסנד. פיטרסון הציע ב-1970 שתיאוריית הסטרימר ישימה יותר לשדות חשמליים לא-הומוגניים בתנאים בפועל, דבר שיש לו משמעות רבה לאופטימיזציה של מבנה האלקטרודה של מנורת uv 222nm. לפי תורת הסטרימר, כאשר מפולת אלקטרונים בודדת מגיעה לגודל קריטי, יתרחש תהליך פירוק מהיר מאוד. אלקטרונים במהירות גבוהה- יוצרים ראש כדורי של מפולת האלקטרונים, הנעים לכיוון האנודה. בהשוואה לאלקטרונים, יונים חיוביים ושליליים נעים באיטיות רבה וניתן להתייחס אליהם כחסרי תנועה, ונשארים במקום שבו הם נוצרים ויוצרים זנב מפולת מטען חיובי ארוך. בלחץ אטמוספרי, מהירות דיפוזיית האלקטרונים קטנה, והמטען של מפולת האלקטרונים מרוכז יחסית, מה שכמובן משבש את השדה החשמלי המקורי ומשנה את השדה החשמלי בראש מפולת האלקטרונים. בשל השדה החשמלי המחזק מול מפולת האלקטרונים, התנועה המואצת של האלקטרונים מובילה ליינון נוסף, והתנגשויות אלקטרונים רבות יוצרות חלקיקים נרגשים המשחררים פוטונים לכל הכיוונים בעת החזרה, הנספגים בקלות בגז כדי לייצר פוטו-יוניזציה, ויוצרים אלקטרונים משניים. לפיכך, מפולת אלקטרונים משנית נוצרת על ידי יינון התנגשות בשדה החשמלי המחוזקת במטענים בחלל ומתכנסות עם ראש המפולת הראשונית ליצירת תעלת סטרימר, ומתפתחת בהמשך להתמוטטות פערים. תיאוריית הסטרימר מאמינה שהפריקה מהתחלה להתמוטטות אינה תהליך שינוי כמותי של יינון התנגשות, אלא תוצאת שינוי איכותית של פוטוניזציה בחלל כאשר מפולת האלקטרונים הראשונית מתפתחת במידה מסוימת ומספר המטענים שנוצרו על ידי מפולת תת האלקטרונים חורג משדה מטען קריטי משמעותי מהמרחב החיצוני. מפולת האלקטרונים המשנית הנגרמת על ידי פוטויוניזציה מתכנסת עם מפולת האלקטרונים הראשית ליצירת סטרימר, הפריקה הופכת לפריקה עצמית- והתפתחות הפריקה נשמרת על ידי פוטויוניזציה בחלל. תהליך הפוטוניזציה בחלל של תורת הסטרימרים יכול להסביר היטב את עיכוב זמן הפריקה, מורפולוגיית הפריקה וההשפעה של חומרים מוטוריים ותהליכים פיזיקליים אחרים שאינם ניתנים להסבר על ידי התיאוריה של Townsend, אשר יש להתייחס אליה באופן נחרץ כאשר חוקרים את יציבות הפריקה של מנורת uv 222nm. תהליכים כמו ברק עם פריקות מרווחים ארוכים צריכים להיות מוסברים על ידי יינון תרמי של תורת המנהיג. גם תורת הסטרימר וגם תורת המנהיג מספקות רק מודלים פיסיקליים איכותיים, ואין מודל מתמטי כמותי שלם יחסית. עבודת המחקר שלאחר מכן מתבצעת בעיקר בשיטות ניסוי. על פי מאפייני תהליך הפריקה בשכבת הקורונה, ניתן לחלק את הקורונה לשתי צורות: צורת מפולת אלקטרונים וצורת סטרימר. כאשר העקמומיות של אלקטרודת העטרה גדולה, שכבת הקורונה דקה מאוד ואחידה יחסית, וזרם הפריקה יציב יחסית. הפריקה-העצמית מאמצת צורת פריקה של Townsend, כלומר, הקורונה כאשר מופיעה מפולת אלקטרונים. ככל שהמתח עולה, שכבת הקורונה ממשיכה להתרחב, ומפולות שלגים אלקטרוניים בודדים יוצרות סטרימרים, וכתוצאה מכך נוצרת צורת פריקה דופקת, ולאחר מכן עוברת לפריקת קורונה בצורת סטרימר. אם רדיוס העקמומיות של האלקטרודה גדל, הקורונה חזקה מאוד בהתחלה ויוצרת צורת סטרימר ברגע שהיא מופיעה. כאשר המתח גדל עוד יותר, זרמים בודדים מתפתחים בצורה חזקה, וכתוצאה מכך פריקת מברשת, ותופעת הפולסים של פריקה הופכת אינטנסיבית יותר, בסופו של דבר חודרת למרווח וגורמת להתמוטטות מוחלטת של הפער, הקשור לחיי השירות והביצועים של מנורת uv 222nm. בדרך כלל מאמינים כי השדה האלקטרוני מתאים יותר לשדה חשמלי ולזרם חשמלי אחיד. שדות חשמליים לא הומוגניים. בהתבסס על פריקת Townsend בשילוב עם תורת הסטרימרים, ניתן לגזור את קריטריון הפירוק לשדות חשמליים לא הומוגניים, שיש לו משמעות מנחה לתכנון ואופטימיזציה של מנורת uv 222nm.
