ویژگی های کلیدی لامپ دوتریوم

لامپ دوتریوم (یا دوتریم) نوعی لامپ تخلیه گاز است که نور را در ناحیه فرابنفش (UV) طیف امواج الکترومغناطیسی تولید می کند.

این منبع نوری، حاوی مقدار کمی گاز دوتریوم است که یکی از ایزوتوپ های سنگین هیدروژن است و طیف گسیل گسترده ای را با شدت بالا در سراسر محدوده UV منتشر می کند.

لامپ دوتریوم معمولاً به عنوان منبع تابش فرابنفش برای ابزارهای تحلیلی مانند اسپکتروفتومتر و کروماتوگرافی استفاده می شود، زیرا می توان از آنها برای اندازه گیری میزان جذب یا عبور نور توسط یک نمونه در طول موج های خاص استفاده کرد.

لامپ دوتریوم همچنین در تحقیقات علمی، کاربردهای پزشکی و فرآیندهای صنعتی که نیاز به اشعه فرابنفش دارند، استفاده می شود. در این مقاله، به طور مفصل، ویژگی ها و ساختار کلی این لامپ ها را بررسی کرده و کاربردهای آنها را شرح می دهیم.

با ما همراه باشید.

دوتریوم چیست؟

برای درک عملکرد لامپ دوتریوم،بهتر است که ابتدا تعریف دقیقی از دوتریوم داشته باشیم و مشخصات کلی مولکولی آن را بشناسیم.

هیدروژن یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 1 است که اولین عنصر جدول تناوبی عناصر است. هیدروژن، از یک پروتون در هسته خود تشکیل شده است و جرم اتمی استاندارد آن u 1.00794  است که سبک ترین عنصر موجود روی زمین است.

دوتریوم ایزوتوپی از هیدروژن است که علاوه بر پروتون معمولی موجود، دارای یک نوترون نیز است. به دلیل جرم اتمی بالاتر در مقایسه با هیدروژن معمولی، گاهی اوقات به آن "هیدروژن سنگین" نیز می گویند.

در خارج از هسته، دوتریوم یک الکترون دارد و بنابراین، عدد اتمی آن 1 است. جرم اتمی دوتریوم، حدود 2.014 u است که تقریباً دو برابر هیدروژن معمولی است و بنابراین، طول پیوند و انرژی پیوند آن نیز با پروتیوم متفاوت است.

مولکول های دوتریوم می توانند زمانی تشکیل شوند که دو اتم دوتریوم از طریق یک پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل شوند. مولکول حاصل که D2 نام دارد، ساختاری خطی دارد که هر دو اتم دوتریوم توسط یک جفت الکترون مشترک در کنار هم قرار دارند و می تواند در فاز گاز یا فاز مایع باشد.

دوتریوم زمانی که تحت فرآیندهای خاصی مانند آزمایشات فیزیک پلاسما، اسپکتروفتومتری یا مطالعه پدیده های اخترفیزیکی قرار می گیرد، می تواند اشعه فرابنفش ساطع کند.

یک مثال، سری خطوط طیفی لیمان است که دنباله ای از انتشار در ناحیه فرابنفش است که زمانی رخ می دهد که یک الکترون در اتم دوتریوم، از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی n=1 (حالت پایه) حرکت کند. این انتشارات مربوط به گذارهایی به شکل های زیر است:

2p→1s، 3p→1s، 4p→1s

سری لیمان دوتریوم، مشابه خطوط طیفی هیدروژن است، زیرا هر دو دارای یک الکترون هستند و از نمودارهای سطح انرژی مشابهی پیروی می کنند. با این حال، از آنجایی که دوتریوم دارای هسته سنگین‌ تری نسبت به هیدروژن است، خطوط طیفی آن در مقایسه با هیدروژن، کمی به سمت طول موج‌ های کوتاه تر جابجا می شود.

دوتریوم دارای چندین خط طیفی است که در اسپکتروفتومتری برای شناسایی در مواد مختلف استفاده می شود. برجسته ترین خط طیفی دوتریوم، گذار بین خطوط لیمان-آلفا (Lyman-alpha) است که در طول موج nm 121.567 اتفاق می افتد که در ناحیه فرابنفش طیف قرار دارد.

سایر خطوط طیفی دوتریوم عبارتند از:

• خط دوتریوم Balmer-alpha در 656.279 نانومتر
• خط Balmer-beta در 486.133 نانومتر
• خط Paschen-alpha در 1875.10 نانومتر
• خط Brackett-alpha در 4.052 میکرومتر

دوتریوم، برخلاف هیدروژن معمولی، پایدار و غیر رادیواکتیو است و به مقدار کم در آب های طبیعی یافت می شود.

در تمام واکنش های شیمیایی مشخصه هیدروژن معمولی، دوتریوم نیز فعال است و ترکیبات معادلی را تشکیل می دهد، اما با این وجود، سرعت واکنش دوتریوم کندتر از هیدروژن معمولی است.

چرا در لامپ ها از دوتریوم استفاده می شود؟

دوتریوم معمولاً در لامپ ها استفاده می شود زیرا نور را در طول موج هایی که برای کاربردهای خاصی مانند طیف سنجی و میکروسکوپ فلورسانسی مفید است، ساطع می کند.

لامپ دوتریوم از این نظر برای این تکنیک ها مفید هستند که طیف پیوسته ای از نور فرابنفش و مرئی را ساطع می کنند که می تواند برای تحریک و تشخیص مولکول های مورد بررسی استفاده شود.

لامپ‌ دوتریوم علاوه بر خروجی طیف گسترده‌ ای که دارد، عمر عملیاتی طولانی‌ تری داشته و در طول زمان نسبتاً پایدار هستند و برای استفاده در ابزارهای علمی مناسب هستند.

آنها همچنین در تبدیل انرژی الکتریکی به نور نسبتاً کارآمد هستند، به این معنی که می توانند نور با شدت بالایی تولید کنند و در عین حال حداقل گرما حاصل شود.

به طور کلی، خواص منحصر به فرد دوتریوم، آن را به یک جزء ارزشمند در بسیاری از انواع لامپ ها، به ویژه لامپ هایی که در تحقیقات و تجزیه و تحلیل علمی استفاده می شود، تبدیل می کند.

ساختمان کلی لامپ دوترویوم

لامپ دوتریوم، از نوع لامپ های تخلیه گازی است که نور را در ناحیه فرابنفش طیف الکترومغناطیسی تولید می کند. این لامپ حاوی مقدار کمی گاز دوتریوم است که با عبور جریان الکتریکی از آن تحریک می شود.

این تحریک باعث می شود که گاز در ناحیه فرابنفش امواج الکترمغناطیسی (معمولاً بین 185 تا 400 نانومتر)، نور پیوسته ای را ساطع کند.

ساختار یک لامپ دوتریوم معمولاً شامل موارد زیر است:

• پوشش کوارتز
• الکترودها
• گاز دوتریوم
• بازتابنده
• اتصالات الکتریکی

پوشش شیشه ای کوارتز

پوشش شیشه ای کوارتز یک لامپ دوتریوم یک لوله ساخته شده از شیشه کوارتز با خلوص بالا است که گاز دوتریوم درون لامپ را احاطه کرده است.

این پوشش به گونه ای طراحی شده است که در برابر اشعه فرابنفش بسیار شفاف باشد (نور فرابنفش را جذب نکند) که با عبور جریان الکتریکی از گاز توسط اتم های دوتریوم برانگیخته ساطع می شود.

شیشه کوارتز چندین ویژگی مهم دارد:

1- نقطه ذوب بالا

شیشه کوارتز می تواند دمای بسیار بالا را بدون ذوب یا تخریب تحمل کند و برای استفاده در لامپ های پرقدرت اسپکتروفتومتری بسیار مناسب است.

2- ضریب انتقال بالا

ضریب انتقال بالای یک لامپ دوتریوم، به توانایی آن در عبور درصد بالایی از نور در طول موج های خاص در محدوده UV اشاره دارد.

شیشه کوارتز در برابر اشعه ماوراء بنفش بسیار شفاف است و حداکثر مقدار نور را از درون شیشه و به محیط اطراف عبور می دهد.

از آنجا که لامپ های دوتریوم معمولاً در کاربردهای طیف سنجی استفاده می شوند، ضریب عبور بالای آنها تضمین می کند که حداکثر مقدار نور ممکن به نمونه برسد و امکان اندازه گیری دقیق را فراهم می کند.

میزان عبور لامپ دوتریوم به عوامل زیادی بستگی دارد، از جمله کیفیت خود لامپ، وضعیت اجزای نوری آن و وجود هر گونه آلاینده یا ناخالصی در پر شدن گاز لامپ.

برای حفظ ضریب انتقال بالا، تمیز کردن و تراز کردن اجزای نوری لامپ به صورت دوره‌ ای و تراز کردن لامپ و همچنین تعویض لامپ در انتهای بازه زمان مصرفی آنها، مهم است.

3- مقاومت شیمیایی

شیشه کوارتز در برابر حملات شیمیایی بسیار مقاوم است، که در کاربردهایی که ممکن است لامپ در معرض گازها یا مایعات خورنده قرار گیرد، بسیار مهم است.

4- مقاومت در برابر شوک حرارتی

شیشه کوارتز می تواند تغییرات سریع دما را بدون ترک خوردگی و آسیبی تحمل کند و برای استفاده در لامپ هایی که اغلب روشن و خاموش می شوند، گزینه بسیار مناسبی است.

به طور کلی، پوشش شیشه ای کوارتز نقش مهمی در عملکرد لامپ دوتریوم ایفا می کند، زیرا به لامپ اجازه می دهد تا نور UV با شدت بالا ساطع کند و در عین حال از اجزای داخلی لامپ در برابر آسیب محافظت کند.

الکترودها

الکترودهای یک لامپ دوتریوم معمولاً از جنس تنگستن یا تنگستن توریوم دار (thoriated) ساخته شده اند که هر دو موادی هستند که می توانند در برابر دماهای بالا و در برابر خوردگی مقاوم باشند.

یکی از الکترودها در نقش آند و دیگری کاتد است. الکترودها به منبع تغذیه متصل می شوند که ولتاژ بالایی را برای یونیزه کردن گاز و تحریک انتشار نور فرابنفش فراهم می کند.

در حین کار، الکترودهای تنگستن داخل لامپ گرم شده و الکترون‌هایی ساطع می‌ کنند که با مولکول‌ های گاز دوتریوم در لوله برخورد می‌ کنند. این برخورد پلاسمایی ایجاد می کند (یک قوس الکتریکی) که تابشی فرابنفش در محدوده 160-400 نانومتر ساطع می کند.

نور فرابنفش ساطع شده را می توان برای کاربردهای مختلفی مانند طیف سنجی، فوتولیتوگرافی و استریل کردن استفاده کرد.

گاز دوتریوم

لامپ با گاز دوتریوم، با فشاری در حدود 10-30 Torr پر می شود. دوتریوم ایزوتوپی از هیدروژن است که هنگام برانگیختگی نور ساطع می کند و به طور مفصل در بخش قبل به آن پرداختیم.

بازتابنده

از آنجایی که لامپ‌ دوتریوم معمولاً بعنوان منبع نور برای ابزارهای علمی مانند اسپکتروفتومترها و کروماتوگراف‌ها استفاده می‌شوند، جایی که خروجی UV شدید آنها برای اندازه‌گیری‌ های دقیق مورد نیاز است، در ساختمان آنها معمولاً از بازتابنده استفاده می شود.

بخش بازتابنده یک لامپ دوتریوم، پوششی است که نور را در جهت خاصی منعکس می کند (معمولاً برای افزایش روشنایی منبع نور یا هدایت نور به یک منطقه خاص).

در واقع سطح داخلی محفظه لامپ، معمولاً با یک ماده بازتابنده (مانند اکسید منیزیم) پوشانده می شود که نور UV را به داخل لامپ منعکس می کند که باعث افزایش کارایی کلی لامپ می شود.

بازتابنده تضمین می کند که تمام نور ساطع شده توسط لامپ دوتریوم در یک جهت متمرکز شده و در نتیجه یک پرتو نور شدیدتر و متمرکزتری ایجاد می شود.

اتصالات الکتریکی

الکترودها از طریق سیم هایی که از درون محفظه عبور می کنند، به منبع برق متصل می شوند. هنگامی که ولتاژی بر روی الکترودها اعمال می شود، جریانی از گاز دوتریوم می گذرد و اتم ها را تحریک کرده و باعث می شود آنها تابش UV داشته باشند.

پیکربندی دقیق اتصالات الکتریکی ممکن است بسته به طراحی خاص لامپ دوتریوم متفاوت باشد، اما اصل اساسی یکسان است.

کلام پایانی

منبع نور لامپ دوتریوم (هالوژن) (با نام تجاری BA-DH-LS) تولید شرکت بلورآزما، یک منبع نور ترکیبی یکپارچه است که نور را در یک طیف خروجی پیوسته در محدوده طیفی UV-Vis-NIR ارائه می‌کند.

پوشش طیفی گسترده لامپ دوتریوم شرکت بلورآزما (از طول موج nm 190 تا nm 2500)، این لامپ ها را برای اندازه گیری های جذب با دقت بالا ایده آل می کند و به شما این امکان را می دهد تا قابلیت های آنالیز خود را گسترش دهید.

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع

Wikipedia