Az elektron szabad úthossza

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

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

3. 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 koeffciens: 1 e- x irányban 1 cm megtett úton okozott ionizációk átlagos száma Townsend-féle ionizációs koefficiens (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. Katód emittál 1 e--t  anódhoz eαd e- érkezik meg  (eαd- 1) e- és (+) ion  katódba csapódva e--t hoz létre Gyújtás 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 normálisglimm (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 (108-109 V/m nagyságrendű) nagy E-ű réteg kicsi Melegkatódos termikus emisszió játszik szerepet katódesés ~10 V mindkét esetben

16. 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

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. 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 ~ 10000 K