מכשור אלקטרוני: פרק 6 – אלקטרוניקה של הפזה הגזית (פלזמה)

(c) שכנר מכשור 5 גז 1

–6פרק מכשור אלקטרוני: אלקטרוניקה של הפזה הגזית )פלזמה(

Avalancheתופעת ה- 6.6תגובות קתיונים6.5תהליכים בפזה גזית6.4מקורות למטענים בגזים6.3נושאי מטען בגזים6.2

מכשור הפועל על פי הולכה בגזים6.1

חוק הגז האידיאלי6.7גז מציאותי6.8

העבר תגובת העברת אנרגיה לפני לומינסנציה


- מכישורים הפועלים על פי 6.1עקרונות של הולכה בגזים

1מנרות התפרקות

2ספקטרומטר מסות

3משתילי יונים

4 צגי פלסמה

5מונה גייגר

6מנורה פלורסצנתית

Ozonizer ע"י Corona תופעת ה-

1

טעינת לוח בחשמל Xerographyסטטי

2

באווירבשפופרת גז


נושאי מטען - 6.2

יונים שלילייםאניונים

יונים חיובייםקתיונים

אלקטרוניםאלקטרונים

הולכה בפלסמהבוואקום הולכה


תיאור בסיסי של "שפופרת" גז

קתודה תרמיוניתרגילה

אנודהגז/אוויר

מעטפת(?)

לא קיימתבמערכות עם הולכה

באוויר

Ar

Ar+ e-

הזרם הוא סכום הזרמים

אם יש יינון, השדה מפריד בין המטענים


יונים בשדה חשמלי ומגנטי יונים מתנהגים בשדה חשמלי ומגנטי

דומה לאלקטרון עם ההבדלים הבאים:

מסה שונה - 1

n(Al+3 Cu+2 Ar+1( - מספר המטענים 3

-סימן של המטען יכול להיות שונה- 2 +

+

_

s1vz

vy


- מקור לאלקטרונים בהתקני6.3

אפקט תרמיוניאפקט פוטואלקטריפליטה משנית

וגז

6.3.1אפקט תרמיוני - 6.3.2אפקט פוטואלקטרי - 6.3.3פליטה משנית -

6.3.4יינון בשיווי משקל תרמי -

וואקום

6.3.5יינון ע"י קיטוב מושרה -

מקור זהה למכשור מבוסס

על הולכה בוואקום


-Photo אפקט פוטואלקטרי בגז 6.3.2Ionization

Gas + h Gas+ + e-

קרינה רדיו-אקטיבית קרינה קוסמית

hEI

hw

פגיעה פוטון במוצק

EI > w

h + Mphel e-* + Mphel+

לאשר את חוק שימוא המטעןההבדל הנוסף


Gas + e-* Gas+ + 2e-

התנגשות מייננת התנגשות מייננת

Ek ,before collision, Total = Ek,after ,Total + EI

Ek(e1*)+ Ek(Gas) = Ek(e1) + Ek(Gas+) + Ek(e2) +

EI

Ionization by energetic electrons

הגברה

- "פליטה משנית" בגזים 6.3.3


.שני מצבים בשיווי משקלהפרש האנרגיה בין המצבים היא אנרגית

היוניזציה

Kr0 Kr+ + e-

התפלגות לפי וולצמן

)kT/Eexp()kT/Eexp(]Kr[]Kr[

I0

עבור כל הגזים קיימת תגובה בשווי משקל דינמי

:"יינון עצמי"- 6.3.4

תלויה בטמפרטורה ובאנרגיית היוניזציה


NN0 N2

E[eV]

E2

E0

E1

N1

N1 = N0 e-E01/kT particlesN1 = N0 e-E01/kT particles

התפלגות פרודות בשווי משקל לפי וולצמן - 6.3.4

[N1] = [N0] e-E01/kT particles/cm3

[N1] = [N0] e-E01/kT particles/cm3

JRD = a AT2 e-w/kT [A/cm2]


דוגמה[Kr0] = 5x1019 [atoms/cm3]

T = 1500 0K[Kr+? = ]

Ei/kT= 14/(8.66x10-5 x 1500) = 108

e-108 = 1.25 x 10-47 [Kr+]/[Kr0] = e-Ei/kT = 1.25 x 10-47

[Kr+] = [Kr0] e-Ei/kT = (5x1019)(1.25x10-47) =

6.25 x 10-28 [ions/cm3] [charges/cm3] = ?

1.25 x 10-27 [charges /cm3]

גורם לרעש

Ei(Kr) = ? Ei(Kr) = 14 eV


Induced - יינון ע"י קיטוב מושרה 6.3.5Polarization

+Zא

+V -V+Z

קיטוב

ב

+V* -V*+Z+e-

יינון

ג


תהליכים בפזה גזית 6.4

- העברת אנרגיה 6.4.5עירור לרמת ההולכה Energy Transfer(דמיון חלקי)

אין בקרת עוצמת אלומה

- הטיה ע"י שדה מגנטי6.4.4הטיה ע"י שדה מגנטי

- הטיה ע"י שדה חשמלי6.4.3הטיה ע"י שדה חשמלי

– לומנסציה (של פלסמה)6.4.2לומינסנציה קתודית

- האצת אלקטרונים ויונים6.4.1האצת אלקטרונים

VacuumGas


האצת האלקטרון, קתיון, אניון - 6.4.1e- + V e-* Gas+ + V Gas+ *

v = 1/22eV

me

אנרגיה הקינטית

כתלות במרחק

מהקתודה

אנרגיה הקינטית

כתלות במרחק

מהקתודה

v = 1/2

2eVmGas

L

d

- +

Ek(d) =Ek(L) d

L אלקטרון עשוי

ל"העצר" ע"י התנגשות


מסה של אטומים ומסה של מולקולות

A = p + n amu מסה של איזוטופ

משקל אטומי

M.W. = a.wמשקל מולקולרי

molar = (a.w.)x1g(.a.w)משקל מולרי של יסוד

(M.W.)molar = M.W. x1g משקל מולרי

של חומר מולקולרי

a.w. =

AiNi

Ni

amu


Photon Emissionפליטת פוטונים

פליטה קתודו-לומינסנטית :במוצקChLcon ChLval + h

Gas*empty Gas + h

מקורות קרינה, מנורות התפרקות

– לומנסנציה – יצירת אור6.4.2

הבדל: פליטת הפוטונים היא מתוך הפלסמה עצמה. בוואקום, האלקטרון חייב לפגוע במוצק להפקת קרינה


Fm = evB

Fcp = mev2/R

R = mevBe

v

vv

Fm

Fm

FmFm

R

vv

v

Fm

Fm

FmFm

R

Fm = (ne)vB

אלקטרוןיון חיובי

gas

2gascp R/vmF

הטיית יון חיובי ע"י שדה מגנטי - 6.4.4

Bne

vmR gas

gas


Energy - העברת אנרגיה 6.4.5Transfer

עירור לרמת ההולכה : במוצקe-*

+ ChLval ChLcon + e-

e-* + Gas Gas* + e- התנגשותאלסטית

e-* + Gas Gas*empty + e- עירור

Excitation

...יכול להיות העברת אנרגיה קינטית , או

העברת אנרגיה לרמה אלקטרונית גבוהה

+Z


תגובות) 4 - תגובות קתיונים (6.5

שחבור3recombination

e- * + Gas+ Gas*empty

*+Gas+ + V Gasהאצה1

יוניזציה 2(הגבר)

Gas+* + Gas 2Gas+ + e-

העברת4אנרגיה

Gas+*+ Gas Gas+ + Gas*empty

התנגשותאי-אלסטית

חיוני לפליטת פוטונים


- תופעת המפולת, 6.6Avalache

קיימות שתי תגובות הגברה (יוניזציה)

e-* + Gas Gas+ + 2 e-

Gas+* + Gas 2Gas+ + e-

תתכן הגברה שתגרום להתכת האנודה

.נעריך את הסיכוי ל"מפולת" והדרך בעזרת מודל

המודל מחייב ידע המיון תהליכים


רישום תהליכים

Kr+ + e- Kr0

תגובה מסדר ראשון

תגובה מסדר שני

d[Kr+]ביטוי קינטיdt = k1 [Kr0]

Kr0 Kr+ + e-

d[Kr0] dt = k2[Kr+][e-] ביטוי קינטי


מודל להערכת הגידול במספר אלקטרוניםהנחות

נוצר אלקטרון אחד בכל התנגשות – 1:ניתן להזניח – 2

התרומה של הקטיונים לזרםתהליכים המעלימים אלקטרונים

תגובות באנודהשיחבור

– ריכוז הפרודות הנאוטרליות גדול מאוד ביחס 3לריכוז האלקטרונים. (מאפשר טיפול לתגובה

מסדר ראשון) – מספר האלקטרונים האנרגטיים יחסי למספר 4

האלקטרונים החופשיים[e-*] = k’[e-]


המודלתגובה מסדר

שני d[e-] dt = k2[Gas][e-*]

e-* + Gas Gas+ + 2 e-

[e-*] = k’[e-]

תגובה מסדר ראשון(פסוידו סדר-ראשון)

d[e-] dt

= k’2[Gas][e-] A[e-]

ריכוז הפרודותהנאוטרליות גדול מאוד

מספר האלקטרונים האנרגטיים יחסי למספר האלקטרונים החופשיים

מספר ההתנגשויות בין אלקטרונים

ואטומים ליחידת זמן


d[e-]המודלdt = A [e-]

= A dtd[e-] [e-]

[e-]t = [e-]0 exp(At)

[e-]t = [e-]0 exp(At) = [e-]0 exp(t/)

A = 1/ זמן ממוצע ביןהתנגשויות

הוא מספר התנגשויות בין אלקטרונים ואטומים ליחידת זמן, נגדיר Aמכיוון ו-


דוגמה = 10-4 st = 10-3 s

נקבל כעבור מילישניה, אם יש רק אלקטרון אחד בתחילת התהליך

[e-]t = 1 ms = 22,026 electrons

[e-]t = [e-]0 exp(t/)

t/ = 10

et/22,026


RIנגד הנטלהנטל

Vin = Vlamp + VR = Vlamp + IR

Vlamp = Vin - IR

מנורת התפרקות

Vlamp

Vin


-חוק6.7 הגזים

-חוק6.7 הגזים

PV = nRT = n(NAvok)TPV = nRT = n(NAvok)T

RPSTP = 1 atmיחידות וחישוב Rיחידות וחישוב

VSTP = 22.41 liter

TSTP = 273.15 0K

n = 1

R = 0.08205 liter atm mole-1 0K-1

STPעבור גז אידיאלי

11ת.

R =PVnT =

(1 atm)(22.41 liter)(1 mole)(273.15 0K)


דוגמה: חישוב כמות החומרדוגמה: חישוב כמות החומר

Vi = 500 ml

P = 0.23 atmt = 20 0C

T = t +273 = 293.15 0K

ni = (0.23)(0.5)/(0.08205)(293.15) =

4.8 x 10-3 mole

Vi = 500 ml

P = 0.23 atmt = 20 0C

T = t +273 = 293.15 0K

ni = (0.23)(0.5)/(0.08205)(293.15) =

4.8 x 10-3 mole

PV

RTn=

10ת.


PV אנרגיה= PV אנרגיה =

Pressure x Volume =

ForceArea

Area x Length

Pressure x Volume =

Force x Length

Pressure x Volume = Force x Length = Energy

13ת.

: נתון ש-:תרגיל R = (N0(k

jouleחשב את הקבוע של וולצמן ב-

: נתון ש-:תרגיל R = (N0k)

jouleחשב את הקבוע של וולצמן ב-


Van der Waals(גז מציאותי (גז

PV = nRTהמודל של גז אידיאלי n, ו-V, Tמנבא טוב את הקשר בין

בלחצים נמוכים וטמפרטורות גבוהותאבל, המודל :

נמוכה ו-Tגבוה ו-P -לא עוקב במדוייק ב- 1 - לא מסביר את ההפיכה לנוזל ולמוצק2 - לא מסביר את ההפיכה לנוזל ולמוצק2

Van der Waalsהסביר שזה נובע מכך שבמודל של הגז האידיאלי לא לוקחים בחשבון:

- את הנפח של מולקולות הגז ו- 1 - בין המולקולות יש כוחות משיכה: 2

van der Waalsכוחות - בין המולקולות יש כוחות משיכה: 2

van der Waalsכוחות


PV = nRT

[P + a(n/V)2] (V - nb) = nRT

גז אידיאלי

גז וואן-דר-וואלס

http://neon.chem.uidaho.edu/~honors/real.html

n/Vהיא הצפיפות בריבוע

bהוא מקדם תיקון הנפח

aהוא מקדם תיקון הלחץ כאשר


van der Waals constants

Compounda

)L2-atm/mol2(b )L/mol(

He0.03410.02370

Ne0.2110.0171

Ar1.340.0322

Kr2.320.0398

Xe4.190.0510

H20.2440.0266

N21.390.0391

O21.360.0318

Cl26.490.0562

H2O5.460.0305

CH42.250.0428

CO23.590.0427

CCl420.40.1383

aהוא מדיד לכוחות משיכה

בין המולקולות

b מטפל בנפח הסופי של הפרודות


aגורם תיקום הלחץ ,[P + a(n/V)2]הלחץ המתוקן גדול יותר

גורם התיקון מוכפל בצפיפות בריבוע

?מדוע בצפיפות"לחץ" זאת מדידה של הכוח ליחידת שטח

המופעל על ידי המולקולות בהנגשות בקיר של המיכל

מולקולה העומדת להתנגש בדופן "סובלת" מהמשיכה של כוחות וון-דר-וואלס של המולקולות השכינות

כל מולקולה מרגישה את המשיכה של

nNAvo – 1 ≈ nNAvo


bגורם תיקום הנפח ,(V - nb)

הנפח האמיתי, העומד לרשות ,האנרגיה הקינטית קטן יותר מהנכתב

,ע"י מימדי הכלי המכיל את הגז כי חלק ממנו תפוס ע"י המולקולות של הגז

התיקון הוא עבור כל מולקולה,n לכן מוכפל ב-

Documents

מכשור אלקטרוני: פרק 6 – אלקטרוניקה של הפזה הגזית (פלזמה)