Post on 01-Jan-2016
description
Az elektron szabad úthossza
Vákuumban elektromos erővonalak mentén gázban ütközések (zigzag)
aeae vvmm ~ atomok nyugalomban
lrVcső 2
lrnN l 2
nArnlrn
le
11
22
Átlagos szabad úthossz:
e
e
v
Csőben lévő atomok száma = ütközések száma
Atomok rugalmas golyók A = ¼π d2
λ nem sebességfüggő valóságban igen (Ramsauer effect)
Pl: A ~ 10-19 m2 (±1 nagyságrend) ; T ~ 0 °C ; Ee ~ 1 eV
p ~ 1 torr (760 torr = 1 atm = 1 bar = 105 Pa = 14,504 Psi)
λe ~ 0,3 mm ; 1 / Շ ~ 2*109 s-1
1 ütközés során átadott energia:
a
e
m
m4
ütközések során átlagosan: argonra) %0027,0(2
a
e
m
m
Hőmérséklet növekedés egyensúly (környezetnek leadott – rugalmas ütközésből)
Kisülés gázvesztesége, ~ térfogati vesztesége(gas loss or volume loss of the discharge)
Gerjesztési- és ionizációs folyamatok kisülésekben
e- energiája kisebb, mint az alapállapot és a legalacsonyabb gerjesztett állapot közti energiakülönbség
e- energiája elég nagy, hogy a legalacsonyabb gerjesztett állapotot gerjessze
Rugalmas ütközés
Rugalmatlan ütközés
Az e- energiájának növelésével hogyan változik az adott energiaállapot gerjesztése?
Adott szint optikai gerjesztési függvénye: felsőbb szint gerjesztési függvénye annak a valószínűségével, hogy a gerjesztett szintről az adott E-jú foton emittálásával relaxálódik
iee eVvm 2
2
1ionizáció
Szabad elektront létrehozó és eltüntető folyamatok
Egy atom és egy megfelelően nagy kinetikai energiájú elektron ütközése
Katód elektron emissziója
Atomok ütközése
Fotoeffektus (gáz atomjai, fal / elektródák)
„A” atom és metastabil állapotban lévő „B” atom ütközése (a metastabil állapot energiája kicsit nagyobb, mint az „A” atom ionizációs energiája)
Penning-effektus (pl.: higany – argon, argon – neon)
Rekombináció pozitív ionnal ( atom)
Rekombináció atommal ( negatív ion)
Anódba csapódás
Gerjesztett állapotot létrehozó és eltüntető folyamatok
Atom ütközése megfelelően gyors elektronnal
Atomok ütközése
Foton abszorpció (alapállapotú vagy alacsony energiájú gerjesztett állapotú atom)
Foton emisszió (magasabb E gerjesztett állapotból alacsonyabba)
Rekombináció (elektron – pozitív ion)
„A” típusú atom ütközése metastabil állapotú „B” („A” gerjeszthető szintje kicsit kisebb energiájú a metastabil állapot energiájánál)
Foton emisszió (akár alapállapotba)
Foton abszorpció
Gerjesztett atom és elektron rugalmas ütközése
alacsonyabb E állapot + gyorsabb e-; magasabb E állapot + lassabb e-
Gerjesztett atom és egy másik atom rugalmas ütközése
Townsend-féle ionizációs koefficiens
d
VE d
Townsend-féle ionizációs koeffciens: 1 e- x irányban 1 cm megtett úton okozott ionizációk átlagos száma
:
xeeee eNNdxxNdN 0,
)(
)(0
0 p
Efp (ütközések számával; e--ok sebesség szerinti eloszlása /Eλ/ )
1 e- által 1 V potenciál hatására okozott ionizációk számaE
)()(00
0
p
EF
p
Ef
E
p
E/p0 kicsi ve kicsi
ionizációs vszg kicsi
E/p0 nagy ve nagyionizációs vszg csökken (lásd ionizációs hatáskm)
Gyújtás
Katód emittál 1 e--t anódhoz eαd e- érkezik meg
(eαd - 1) e- és (+) ion katódba csapódva e--t hoz létreqe d )1(
q<1 elektronáram csökken és megszűnik
q>1 elektronáram nő, minden határon túl (külső korlátozó, pl. soros ellenállás)
Gyújtás feltétele: )( ; 1)1( Eeq d
ignVdE
1)1( ignVe )1
1ln(
ignV
min max )1
1ln( ignign VV
γ: függ a katód anyagától, az ionok fajtájától és azok sebességeloszlásától, ami E/p0
függvénye; adott gázra és katódra: ; mivel )(0p
Ef )(
0p
Eg
)()()(0
20
20
2 dp
Vf
dp
dEf
p
EfV ign
ign
PASCHEN törvény
dpVign 0~
Kisülések fajtái • I. külső hatás szükséges (fotoeffektus)
• A önfenntartó kisülés
kis tértöltés V lineáris ; (VA=Vign)
Townsend-kisülés /stabilizálás/
• II. áramot növelve (Rsoros) ionizáció nő
ve>>vion (E miatt) katód közelében pozitív tértöltés E nő; katódesés
III. E/p0 nő (E nő) η nő ionizáció könnyebb kisülés feszültsége csökken
kisülés a katód egy részére koncentrálódik
áramsűrűség és tértöltés nő E/p0 ; η nő
•C η eléri a maximumot
•IV. áram tovább nő kisülés kiterjednormális glimm (ködfény/parázsfény) kisülés
•D katód teljes felülete világít
•V. áram nő áramsűrűség is nő (E nő) V nő
anomális glimm kisülés
•E megkezdődik a termikus emisszó (nagy áram és térerősség)
•VI. katódesés csökkenéséhez vezet
•VII. katód termikus emissziója; katódesés ~ 10V
A normális glimm kisülés
•Aston sötét tér ve kicsi
•Első katódréteg ve elég nagy; rezonanciavonalak gerjesztődnek
•Crooks or Hittorf sötét tér ve>gerjesztési függvény maximuma
•Negatív glimm ve nagy; ionizáció; több e-; több gerjesztés
•Faraday sötét tér ionizáció; sok ion; csökken E; csökken ve
•Pozitív oszlop egészen az anódig E független a katódtávolságtól
Az ívkisülés
katódesés ~10 V mindkét esetben
Hidegkatódoskatód közelében nagyon nagy E téremisszió(108-109 V/m nagyságrendű) nagy E-ű réteg kicsi
Melegkatódostermikus emisszió játszik szerepet
Pozitív oszlop•anód–katód között (glimm- és ívkisülés)
•Gyújtáskor áramsűrűség és ionizációs ráta független r-től (e- keletkezése a teljes keresztmetszetben ua) részecskék a semleges fal felé diffundálnak belül (+) tértöltés, falnál negatív potenciál egyensúlyi állapot e- -ok taszítása; ionok vonzása uo drift sebesség
ambipoláris diffúzió
Elektron koncentráció
•e--ok és ionok fali rekombinációja felszabaduló energia hővé alakul (wall losses)
•Rekombináció figyelmen kívül hagyásával e--konc. (ne) r függvényében számolható
Az eredmény egy 0-adrendű Bessel-függvény
Elektron hőmérséklet
•Az e--okat az ütközések között az elektromos tér gyorsítja ütközéskor E vesztés
egyensúly (tér általi E = ütközés során leadott E) sebesség folyamatosan vált.
minden pillanatban ua. e--onnak van v és (v+dv) között a sebessége
Maxwell sebesség eloszlás
•Elektron hőmérséklet: ee kTvm
2
3
2
1 2
Az e--ok az energiájuk egy részét ütközéssel leadják, de átlagos energiájuk jóval magasabb, mint az atomoké, ionoké többféle különböző hőmérséklet jellemző
Tgáz ~ falhőmérséklet (~ 550 K); Telektron ~ 10000 K