(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
(c) שכנר מכשור 5 גז 2
- 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
(c) שכנר מכשור 5 גז 3
נושאי מטען - 6.2
יונים שלילייםאניונים
יונים חיובייםקתיונים
אלקטרוניםאלקטרונים
הולכה בפלסמהבוואקום הולכה
(c) שכנר מכשור 5 גז 4
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 5
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 6
- 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
(c) שכנר מכשור 5 גז 7
-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
(c) שכנר מכשור 5 גז 8
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 9
.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
(c) שכנר מכשור 5 גז 10
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]
(c) שכנר מכשור 5 גז 11
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 12
Induced - יינון ע"י קיטוב מושרה 6.3.5Polarization
+Zא
+V -V+Z
קיטוב
ב
+V* -V*+Z+e-
יינון
ג
(c) שכנר מכשור 5 גז 13
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 14
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 15
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 16
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 17
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 18
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 19
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 20
- 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
(c) שכנר מכשור 5 גז 21
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 22
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-]
(c) שכנר מכשור 5 גז 23
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 24
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-
(c) שכנר מכשור 5 גז 25
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 26
RIנגד הנטלהנטל
Vin = Vlamp + VR = Vlamp + IR
Vlamp = Vin - IR
מנורת התפרקות
Vlamp
Vin
(c) שכנר מכשור 5 גז 27
-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)
(c) שכנר מכשור 5 גז 28
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.
(c) שכנר מכשור 5 גז 29
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-
(c) שכנר מכשור 5 גז 30
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 31
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 32
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 33
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
(c) שכנר מכשור 5 גז 34
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-