Az elektron szabad úthossza

Az előadások a következő témára: "Az elektron szabad úthossza"— Előadás másolata:

1 Az elektron szabad úthossza
Vákuumban elektromos erővonalak mentén  gázban ütközések (zigzag) ~ atomok nyugalomban Csőben lévő atomok száma = ütközések száma Átlagos szabad úthossz:

2 Atomok rugalmas golyók  A = ¼π d2
Pl: A ~ 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 Atomok rugalmas golyók  A = ¼π d2  λ nem sebességfüggő  valóságban igen (Ramsauer effect)

3 Kisülés gázvesztesége, ~ térfogati vesztesége
1 ütközés során átadott energia: ütközések során átlagosan: Hőmérséklet növekedés  egyensúly (környezetnek leadott – rugalmas ütközésből) Kisülés gázvesztesége, ~ térfogati vesztesége (gas loss or volume loss of the discharge)

4 Gerjesztési- és ionizációs folyamatok kisülésekben
e- energiája kisebb, mint az alapállapot és a legalacsonyabb gerjesztett állapot közti energiakülönbség Rugalmas ütközés e- energiája elég nagy, hogy a legalacsonyabb gerjesztett állapotot gerjessze Rugalmatlan ütközés

5 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

6 ionizáció

7 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

8 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

9 Townsend-féle ionizációs koefficiens
Townsend-féle ionizációs koeffciens: 1 e- x irányban 1 cm megtett úton okozott ionizációk átlagos száma (ütközések számával; e--ok sebesség szerinti eloszlása /Eλ/ )

10 1 e- által 1 V potenciál hatására okozott ionizációk száma
E/p0 kicsi  ve kicsi ionizációs vszg kicsi E/p0 nagy  ve nagy ionizációs vszg csökken (lásd ionizációs hatáskm)

11 Gyújtás Katód emittál 1 e--t  anódhoz eαd e- érkezik meg
 (eαd - 1) e- és (+) ion  katódba csapódva e--t hoz létre q<1  elektronáram csökken és megszűnik q>1  elektronáram nő, minden határon túl (külső korlátozó, pl. soros ellenállás) Gyújtás feltétele:

12 γ: függ a katód anyagától, az ionok fajtájától és azok sebességeloszlásától, ami E/p0
függvénye; adott gázra és katódra: ; mivel PASCHEN törvény

13 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 kiterjed normális 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

14 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

15 Az ívkisülés Hidegkatódos katód közelében nagyon nagy E  téremisszió
( V/m nagyságrendű) nagy E-ű réteg kicsi Melegkatódos termikus emisszió játszik szerepet katódesés ~10 V mindkét esetben

16 Pozitív oszlop ambipoláris diffúzió
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

17 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

18 Tgáz ~ falhőmérséklet (~ 550 K); Telektron ~ 10000 K
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: 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 ~ K