ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA 2016 Dr. Donkó Zoltán / Dr. Derzsi Aranka MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet Komplex Folyadékok Osztály MTA Csillebérc / KFKI [email protected] [email protected] (5)

Tartalom

๏ Gázok átütése ๏ Önfenntartó gázkisülések ๏ Egyenfeszültségű gázkisülések önkonzisztens numerikus leírása ๏ Folyadékmodellek ๏ Hibrid modellek ๏ Nehéz részecskék szerepe alacsony nyomású gázkisülésekben

Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

2

2016

Plazmafizikai alapok Gázkisülések leírása (egyenáramú, tranziens, rádiófrekvenciás)

๏ Egyenfeszültségű gázkisülések ๏ A gáz átütése ๏ Működési üzemmódok, önfenntartási folyamatok ๏ Térrészek


3

2016

Townsend α ionizációs együttható Töltött részecskék keletkezése a gáztérben Townsend alapján:

= Ee

A λ szabad úthossz alatt felvett energia: Ionizáció feltétele:

Ee > eVi

Az ionizáció valószínűsége:

(Vi : ionizációs potenciál)

" ! " ! " ! λi Vi Vi = exp − = exp − P λ > λi = E λ λE ugyanis P0 (x) = exp( x/ )

(ütközés nélkül megtett út)

Az ionizációs együttható definíciója: az egységnyi hosszon keltett elektron-ion párok száma Az ionizációk száma hosszegység alatt = ütközések száma hosszegység alatt × ionizáció valószínűsége: ! "

α=

1/λ = Ap

B = Vi /p

(ahol A és B az adott gázra jellemző állandók) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

Vi 1 exp − λ λE

!

B α = A exp − p E/p 4

"

Ez egy egyszerű modell az ionizációs együtthatóra - pontosan pl. szimulációval számítható ki 2016

Townsend α ionizációs együttható

! " B α = A exp − p E/p

Az egyszerű meggondolások alapján származtatott formula jó közelítést biztosít számos gáz esetére

A. von Engel, “Ionized gases” (Oxford University Press, 1965)


5

2016

A gáz átütése A gáz átütésének feltétele a töltéshordozók reprodukciója a gázban és a felületeken Gázban jelenlévő homogén elektromos térben az elektronok számának növekedése: e (x)

=

L Elektronok

e (0) exp(↵x)

Az elektronok száma az anódnál: e (L)

=

e (0) exp(↵L)

A keltett ionok fluxusa a katódnál: i (0)

=

Ionok

e (0)[exp(↵L)

1]

Az átütés / önfenntartás feltétele:

!

1 αL = ln 1 + γ ugyanis Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

e (0)

=

"

Elektronkiváltási együttható i (0) 6

2016

A gáz átütése Paschen görbe VBR Kevés ütközés

Az ionizációs együttható függése a feszültségtől és a nyomástól:

! " B α = A exp − p E/p

Az elektronok energiája nagyrészt gerjesztésre fordítódik Townsend-féle átütési feltétel:

Leghatékonyabb ionizáció

γ[exp(αL) − 1] = 1

(pL)min

! αL = A(pL) exp −

"

#

1 B = ln 1 + V /(pL) γ

$

Feltételezések: - homogén elektromos tér - egyensúlyi transzport

PASCHEN törvény: V csak pL függvénye


pL

7

2016

Egy fontos hasonlósági tétel 1 Eq = ∆ε = λEq = nσ

Energianyereség két ütközés között: Hossz skálázás:

1 λ2 = n2 σ

1 λ1 = n1 σ

!

E n

"

1 q σ

ISMÉTLÉS

=⇒ nλ = const.

E2

E1

E2 E1 Ha , akkor = n1 n2 a mozgás HASONLÓ E/n egysége : 1 Td = 10-17 V cm2 1 Td : E/p = 0.32 V / (cm Torr) @ 300 K Ha n1 L1 = n2 L2 , akkor ugyanannyi ütközés játszódik le a két különböző méretű térrészben Megj. : gyakran p1 L1 = p2 L2 alakban adják meg, de ez csak ugyanakkora hőmérséklet mellett igaz. Paschen- görbe:

V 1 = V 2 ! E1 L 1 = E2 L 2

n1 L 1 = n2 L 2 !


8

p = nkB T (T = const.)

E2 E1 = n2 n1

a mozgás HASONLÓ 2016

A gáz átütése

ÁTÜTÉS Hogy kezdődik? A feszültség magában nem elég Kell egy “trigger” (UV foton, radioaktív bomlásból, vagy kozmikus sugárzásból származó részecske) Hogyan észleljük? Áram exponenciális növekedése Fénykibocsátás Hogyan mérjük? A. von Engel, Ionized gases (Oxford Univ. Press) minimum átütési feszültség: néhány 100 V pd , ahol a minimum van ≈ Torr cm


9

Feszültség / nyomás lassú növelése Állandósult állapotú kisülés feszültsége nulla áram limitben (Phelps & Petrovic)

2016

A gáz átütése: a Paschen törvény korlátai

Paschen görbék: Ar, Ne, ....

P. Hartmann, et al Plasma Sources Sci. Technol. 9, 183 (2000).

500 Td 1 Torr

A Paschen görbe bal oldalán a transzport erősen nemegyensúlyi → kinetikus leírás Relaxációs hossz ! → kinetikus leírás L

exp( L) = exp 0


10

(x)dx

“S” alakú Paschen görbe bizonyos gázokban → “egzotikusabb” folyamatok Mikrokisülések esetén a katódnál téremisszió Elektronok reabszorpciója a katódon 2016

A katódi elektronkiváltási együttható Mikroszkópikusan

Makroszkópikusan (modellekben): Ionáram

Elektron

Mechanizmusok gázkisülésekben: • • • •

Potenciális Kinetikus Fotoemisszió Téremisszió

Elektronáram Katód

Katód

Ionok Metastabil atomok Gyors atomok Fotonok

= ( )

I − = γ∗I +

Hatásfokot befolyásolják: • Szennyeződések • Gáz, ill. oxidréteg a felületen • A katód “története”

“Effektív” elektronkiváltási együttható

Melyik mechanizmus domináns? Vannak γ(ε) adatok ?

A. V. Phelps & Z. Lj. Petrovic, Plasma Sources Sci. Technol. 8, R1-R24 (1999)

Argon

Springer Tracts in Modern Physics Vol. 123 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

11

2016

A katódi elektronkiváltási együttható Katódi elektronemisszió homogén elektromos tér mellett

Cold-cathode and felület breakdown in argon “Tiszta” / discharges “piszkos” 10

10

Electron yield per ion or atom


dirty metals 1

Ar+

Terminológia: 10-1

“Tiszta” felület: nagyvákuum, felületfizika 10-2

10-3 10

Ar

“Laboratóriumi” / “Piszkos” felület: gázkisülésfizikai kísérletek mellett tipikus 2 10 103 104 állapot

10-1

clean metals

10-2

10-3

10-4 10

102

103

104

Ion or atom energy (eV)

Figure 1. Electron yields for Ar+ and Ar beams incident on

various clean metal surfaces versus particle energy. The solid symbols are for Ar and the open symbols are for Ar. The

Ar+

Ar


Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika +

1

12

Figure 2. Electron yields for Ar+ and Ar beams incident on

various dirty metal surfaces versus particle energy. The open 2016

Effectiv

10-2

A katódi elektronkiváltási együttható

γph 10-3 10

γi

102

103

Katódi elektronemisszió homogén elektromos tér mellett

E/n (Td)

Figure 11. Calculated effective electron yields versus E/n for dirty surfaces. T

the electron yields at the cathode and by heavy- particle ionization and excitatio

hozzájárulása Effektív elektronkiváltási figure 1Az andegyes the modelrészecskék of section 5. The labelling of the curves is the same as in calculated on two different approximations to the da i and ph values based az elektronok együttható E/n függvényében Cold-cathode discharges andfor breakdown in argon kibocsátásához

vuv continuum resonance photons

1

heavy particle ionization only

all processes exp’t. γph

all processes adj. γph

10-1

γa

10-2

γph 10-3 10

Fractional electron emission

Effective electron yield per ion

10

102

ions

atoms

1

metastables

10-1

γi 103

104

105

E/n (Td)

10-2 10

102

103

104

105

E/N (Td)

Figure limiting 12. Calculated fractional fective electron versus for dirty surfaces. curves(1999) are calculated for various assumptions forcontributions of various A. V.yields Phelps & Z.E/n Lj. Petrovic, PSST 8,The R1-R24 to electron at the cathode for Ar at cathode and by heavy- particle ionization and excitation using our best estimates of processes these electron yieldsproduction from breakdown for dirty surfaces. The section 5. The labelling of the curves is the same as in figure 9 except that the two curves labelled all processes are model is that of section 5 using values based on two different approximations to the data of figures 5 and 6. See textthe forparameters details. discussed in appendix B. The labels attached to the Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

13

curves indicate the electron production process.

This u report eff v The lo of our set is f A equati of Go metas contin the ex quant experi well a Using fractio 0.006 smalle the eff the vu more is unk steady 2016 condi

Elektronok reabszorpciója a katódon

A katódról kilépő elektronok rugalmas ütközések után visszaszóródhatnak a katódra. Ott visszaverődhetnek, vagy elnyelődhetnek. Az elnyelt elektronok csökkentik az effektív elektronkiváltási együtthatót. Rugalmatlan ütközés után az elektronok már nem juthatnak vissza a katódra. A folyamat kis E/n mellett jelentős.

A. V. Phelps & Z. Lj. Petrovic, PSST 8, R1-R24 (1999)


14

2016

Átütés után: egyenfeszültségű gázkisülések

V0

Munkaegyenesek

Feszültség [V]

Nagy R

R

Kis R

Townsend kisülés Abnormális ködfény Szubnormális ködfény Normális ködfény

Az önfenntartás feltétele a töltéshordozók reprodukciója a gázban és a felületeken

Ívkisülés

Áram [A] Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

15

2016

Townsend kisülések Feszültség-áram karakterisztika: (pl. Hélium)

Kis áramok mellett a tértöltések elhanyagolhatóak Az elektromos teret a töltött részecskék nem befolyásolják “Lapos” karakterisztika

Korolov & Donkó (2012)


16

2016

Townsend kisülések

Fénykibocsátás:

Elektonütközéses gerjesztés: - exponenciálisan növekszik az anód irányába

e (x)

=

ANÓD

KATÓD

e (0) exp(↵x)

Nehéz részecskék keltette gerjesztés: - a katód környékén megfigyehető - nagy E/n szükséges

Ar+ + Ar

Ar+ + Ar

Ar+ + Ar

Ar+ + Arf

Arf + Ar

Ar + Ar

Gyors atomok keletkezése: ion-atom ütközésekben G Malović, A Strinić, S Živanov, D Marić and Z Lj Petrović, Plasma Sources Sci. Technol. 12, S1 (2003). Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

17

2016

Egyenfeszültségű gázkisülések

Negatív fény

Pozitív oszlop

Katód

Katód sötéttér

Elektromos tér

Anód

Negatív fény: az elektronok leadják az energiájukat, intenzív ionizáció és gerjesztés

Faraday sötéttér

Katódi térrész elméletileg: érdekes gyakorlatilag: fontos

Faraday sötéttér: kis elektronenergia, nincs ionizáció és gerjesztés Pozitív oszlop: kvázisemleges plazma, kis elektromos tér, az ionizáció és a falon történő veszteség egyensúlyban vannak

Fényintenzitás


Katód sötéttér: erős elektromos tér, a katódból kilépő elektronok gyorsulnak és sokszorozódnak

18

2016

Egyenfeszültségű gázkisülések Negatív fény

Pozitív oszlop

Katód

Katód sötéttér

Anód

Faraday sötéttér A katód-anód távolság változtatásakor a katód környéki térrész változatlan marad : az önfenntartási folyamatok a katód környékén játszódnak le A kisülés pozitív olszlop nélkül is fennmarad Ha az anód már “belóg” a negatív fénybe, befolyásolni kezdi az ionizációs folyamatokat Amikor az elektródatávolság kisebb, mint a katód sötéttér hossza, a kisülés gátolttá válik és végül kialszik


19

2016

A pozitív oszlop lehetséges hosszának kérdése


20

2016

Folyadékegyenletek Kiindulás: Részecskeszám:

Impulzus:

n + t mn



·

=S

L

@u + (u · r)u = nqE @t

rp

mu(S

L) + mn

✓

@u @t

◆

c

Folytonossági egyenlet

n + t

Elektronok és ionok, 1 dimenzióban:


·

=S

@ne @ e + = Se @t @x

21

L

S: forrás (pl. ionizáció) L: veszteség (pl. rekombináció)

@ni @ i + = Si @t @x

2016

Folyadékegyenletek 

@u mn + (u · r)u = nqE @t

rp

mu(S

✓

@u L) + mn @t

◆

ISMÉTLÉS c

impulzusmérleg-egyenlet

stacionárius rendszer, elhanyagoljuk a források és veszteségek hatását

nqE

rp

mn⌫m u = 0 izotermikus rendszer

kB T rn m⌫m n

q u= E m⌫m

mozgékonyság

diffúziós együttható

= ±µnE Elektronok és ionok, 1 dimenzióban:


Einstein-összefüggés:

D kB T = µ |q|

Drn

e

= ne v e =

Részecskefluxus drift-diffúziós alakja

@(ne De ) @x

ne µ e E

22

i

= ni v i = n i µ i E

@(ni Di ) @x 2016

Egyenfeszültségű gázkisülések

Munkaegyenesek

Feszültség [V]

Nagy R

Kis R


Ívkisülés

Áram [A]


23

2016

Egy egyszerű folyadékmodell L Folytonossági egyenletek

@ne @ e + = Se @t @x @ni @ i + = Si @t @x Impulzusmérleg ๏ ๏ ๏ ๏

Abnormális ködfény 1 dimenzió, D >> L, nincsenek radiális veszteségek “rövid” rendszer: csak a katód körüli térrész (katód: x = 0) Folyamatok: ๏ Drift ๏ Diffúzió ๏ Ionizáció


e

= i

ne µ e E

= ni µ i E

@(ne De ) @x

@(ni Di ) @x

Poisson-egyenlet

e (ni ✏0

4 =

24

ne )

Forrásfüggvények

Si (x) = Se (x) =

e

⇥

↵ E(x)/n

α/n = f (E/n)

⇤

“lokális tér közelítés” Határfeltételek

V (0) = 0, V (L) = V0

∂ni !! ! =0 ∂x 0

ni (L) = 0

ne (L) = 0 e (0)

=

i (0)

2016

Egy egyszerű folyadékmodell

i

@(ni Di ) @x

= ni µ i E

e

=

ne µ e E

@(ne De ) @x

Transzport paraméterek megadása szükséges

µi = µi (E/n)

Irodalomból / kísérletileg jól ismert ☺

Di /µi = kB Ti /e = kB Tg /e ๏ ๏ ๏ ๏

Abnormális ködfény 1 dimenzió, D >> L, nincsenek radiális veszteségek “rövid” rendszer: csak a katód körüli térrész Folyamatok: ๏ Drift ๏ Diffúzió ๏ Ionizáció


Ionok gyakran ütköznek a háttérgáz atomjaival ☺

Ismert lenne E/n függvényében, de ez numerikus instabilitást okoz az egyenletek megoldásánál ☹

µe = const.

De /µe = kB Te /e

Bemenő paraméter. u.i. nincs rá egyenletünk az egyszerű folyadékmodellben ☹

“Minősége”: 2 × ☺ + 2 × ☹ = ???

25

2016

Az egyszerű folyadékmodell eredményei p = 40 Pa (Ar), V = 441 V, Tg = 300 K, L = 3 cm, γ = 0.033 -3

16

ne [ cm ]

E [ V/cm ]

S i [ 10

8

-3

-1

cm s ]

10 0

-2

10

7

-100

10

-200 6

10

-3

10

-300 kTe = 0.1 eV

-400

5

10

kTe = 1 eV

-4

10

-500 4

10

(a)

-600

(b)

(c)

-5

10

3

-700 0

1

2

3

10

0

1

2

x [ cm ]

x [ cm ]

3

0

1

2

3

x [ cm ]

A katód sötéttér + negatív fény struktúra előáll - erre nem tettünk semmilyen előzetes feltételezést!! ☺ Elektronsűrűség jóval kisebb a tipikus mért értékeknél ☹ Negatív fény emissziója? ☹

Si (x) = Se (x) = Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

e

⇥

↵ E(x)/n

⇤

26

“lokális tér közelítés” problémás ??? 2016

Hibrid modellek Az ötlet:

Folyadék modul

Számítsuk az ionizációs forrásfüggvényt a gyors elektronok kinetikus (MC) szimulációjából !!

D, μ

A Monte Carlo szimuláció nem hatékony a lassú elektronokra, ezeket hagyjuk meg “folyadék szinten”

Elektromos térerősség eloszlása

Gyors elektronok MC szimulációja

M. Surendra, D. B. Graves, and G. M. Jellum, Phys. Rev. A 41, 1112 (1990).

σ(ε)

J. P. Boeuf and L. C. Pitchford, IEEE Trans. Plasma Sci. 19, 286 (1991). A. Fiala, L. C. Pitchford, and J. P. Boeuf, Phys. Rev. E 49, 5607 (1994). A. Bogaerts, R. Gijbels, and W. J. Goedheer, J. Appl. Phys. 78, 2233 (1995).

Ionizációs forrásfüggvény Lassú elektronok forrásfüggvénye

@ne @ e + = Se @t @x

j Ni,e (x) Si,e (x) = e(1 + 1/γ)∆x N0MC


@ni @ i + = Si @t @x 27

Se 6= Si

2016

A hibrid modell eredményei p = 40 Pa (Ar), V = 441 V, Tg = 300 K, L = 3 cm, γ = 0.033 -3

E [V/cm]

16

ne [ cm ]

S i [ 10

12

10 0

-1

-1

10

11

10 -200

-3

cm s ]

10

10

-400

Folyadék: kTe = 0.1 eV

-2

10 9

10

8

-600

kTe = 1 eV

10

-800

Hybrid: kTe = 0.1 eV

10

7

kTe = 1 eV

-1000

6

10

kTe = 0.28 eV

-1200

-3

10

-4

10

5

10

(a)

(b)

4

10

(c)

-5

10

-1400 0

1

2

x [ cm ]

3

0

1

2

x [ cm ]

3

0

1

2

3

x [ cm ]

Jelentős különbségek a különböző modellek eredményei között, pl. több nagyságrend az elektronsűrűségben.... “On the accuracy and limitations of fluid models of the cathode region of dc glow discharges” A. Derzsi, P. Hartmann, I. Korolov, J. Karácsony, G. Bánó, and Z Donkó, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 225204 (2009) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

28

2016

Hibrid modell : konzisztencia (1) -3

E [V/cm]

16

ne [ cm ]

S i [ 10

12

10 0

-1

-1

10

11

10 -200

-3

cm s ]

10

10

-400

Folyadék: kTe = 0.1 eV

-600

9

10 10

kT = 1 eV

-3

10

7

10

6

10

kTe = 0.28 eV

-1200

Mérés

8

e Csak a hibrid modell ad a Hybrid: -800 kísérletben kapottal kTe =közel 0.1 eV egyenlő elektronsűrűséget kTe = 1 eV

-1000

-2

10

-4

10

5

10

(a)

(b)

4

10

(c)

-5

10

-1400 0

1

2

3

x [ cm ]

p = 40 Pa (Ar), V = 441 V, Tg = 300 K, L = 3 cm, γ = 0.033

0

1

2

x [ cm ]

3

0

1

2

3

x [ cm ]

Langmuir-szonda

A. Derzsi, P. Hartmann, I. Korolov, J. Karácsony, G. Bánó, and Z Donkó, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 225204 (2009) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

29

2016

Hibrid modell : konzisztencia (2) D. Mari´ c etModell al.: Axial emission profiles and apparent secondary electron yield Kísérlet & Kísérlet (a) I= 1430 µA 14001280 µA 1160 µA 1200855 µA

2000 1500 1000

1000

500

2500

Electric field -1

[ V cm ]

Intensity [ a. u. ]

2500

0.2

2000

1500

Intensity [ a.u. ]

1000

0.6

800

0.8

I= 1430 µA 684 µA 395 µA

Ionization source [ 10

-3

-1

cm s ]

-1

11

101000 -2

10

500

1.0

I= 400 1560 µA 1240 µA 919 µA 200 585 µA

16

10

9

600 (b)

1500

0.4

-3

[ cm ]

2000

10 0 0.0

Electron density

Modell

79

0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

-3

1.0 10

x [ cm ] 7

10 Fig. 9. Experimental (- - - -) and calculated (——)-4 axial profiles of emission for three diﬀerent currents at pd 10 = 150 Pa cm. One higher and two lower currents are shown here to illustrate the discrepancy5 occurring in the constricted regime. -5 10 10

Simple fluid: kTe = 0.1 eV kTe = 1 eV Extended fluid: S = !e " ( # ) S = ki N ne Hybrid: kTe = 0.1 eV

the calculations as such processes are not included in the kTe = 1 eV 3 -6 present model. 500 10 10 The 3only set when the 3agreement be- 1 0 1 2 0 of conditions 1 2 0 2 3 distributions is less x [ cm ] [ cm ] x [ cm ] tween the measured and xcalculated 0 perfect at pd = and 150Z.Pa cm (i.e. at the highest presK. Rózsa, A. is Gallagher Donkó:  0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 sure) and at lines the lower "Excitation of Ar in thecurrents cathode covered here, where we have disagreement region of aa DC discharge", in magnitudes of emission peaks up 1500 Csak a hibrid modell ad a katód to a Review factor ofEtwo. This is shown (c) I = Physical 52, 913-918 (1995)in Figure 9, for two val1720 µA ues of current together with one higher valuesötéttér of current - negatív fény határ után 1400 µA for comparison. Such discrepancy does not occur for other 1000 exponenciálisan csökkenő 1080 µA pressures even at the lowest currents. The explanation for 845 µA this disagreement may be reached by considering the fact forrásfüggvényt that the currents where the discrepancy occurs are at the 500 edge of the normal glow region. Thus one may expect that at such high pressure the constriction of the discharge is significant. Correspondingly, one-dimensional model D. Marić, K. Kutasi, G. Malović, Z. our Donkó and Z. Lj. Petrović: 0 to represent field secondary distribution, and conse"Axialfails emission profilesthe andactual apparent electron yield in 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 quently the emission rates which are very sensitive to abnormal glow discharges in argon", Eur. Phys. J D 21, 73 the (2002) x [ cm ] electron energy are aﬀected considerably. The same ar8. Measured (- - - -) and the calculated (——) light inten- gument may be used to explain the charged particle and the same conditions (see Fig. 5). The Donkó Zoltán: hőmérsékletű plazmafizikacurrent I, at field profiles under 30 2016 distributions forAlacsony selected values of discharge observations made through the transparent electrode in0

Az elektronok sebességeloszlás függvénye a katód sötéttérben Az elektronok energiaeloszlás függvényének változása a katód sötéttérben Monte Carlo analysis:non-uniform field, cathode fall

f (x, vx , vr ) 2183

p = 40 Pa (Ar), V = 441 V, Tg = 300 K, L = 3 cm, γ = 0.033

x.0.27

p = 1 Torr, d = 1.3 cm V = 150 V

x Nagyon “messze” a Maxwell-Boltzmann jellegtől Figure 10. Energy distribution function at various positions for the normal glow case. x in cm, p = 1 Torr; different arbitrary scales for the various curves.

J. P. Boeuf and E. Marode J. Phys. D 15 2169 (1982) “A tMonte Carlo analysis of an electron swarm in nonuniform field: the cathode region of a glow discharge in helium” Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

31

2016

Az elektronok sebességeloszlás függvénye a katód sötéttérben Katód sötéttér

Negatív fény

-1

Electric field [ V cm ]

1400 1200

p = 40 Pa (Ar), V = 441 V, Tg = 300 K, L = 3 cm, γ = 0.033

1000 800 600 400 200 0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

x [ cm ]

Csak a kinetikus szimuláció írja le jól a jelenségeket! Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

32

2016

“Hosszú” gázkisülési cső szimulációja

2-dimenziós hibrid modell Katód

Anód

0.2

r [cm]

0.1

702

700

0.0

720 725

710

705

0.1 0.2

715

Potenciáleloszlás 730

735

3.5

4.0

697 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

4.5

x [cm]

0 92.3 185 277 369 461 554 646 690 694 697 700 702 705 710 715 720 725 730 735 738

A modell minden karakterisztikus térrészt reprodukál


33

2016

Townsend kisülés – abnormális ködfény átmenet

Munkaegyenesek

Feszültség [V]

Kis V0

Nagy V0


Ívkisülés

Áram [A] Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

34

2016

Townsend kisülés – abnormális ködfény átmenet Kísérlet: B. M. Jelenković and A. V. Phelps, J. Appl. Phys. 85, 7089 (1999)

Áramköri modell

R

Townsend kisülés

Iv+Id

Itot V

C IC Kisülés

Abnormális ködfény

Itot = Iv + Id + IC

V(t)

Id = ε0

1200 V

!

(Cath.)

dEn dA dt

VDC = V − RItot ∼200V

t


Plazma: nehézrészecskés hibrid modell

e + Ar

e + Ar

e + Ar

e + Ar

e + Ar

2e + Ar+

Ar+ + Ar

Ar+ + Ar(f )

Ar+ + Ar

Ar+ + Ar

Ar+ + Ar

2Ar+ + e

Arf + Ar

Ar(f ) + Ar(f )

Arf + Ar

Ar(f ) + Ar

Arf + Ar

Ar(f ) + Ar+ + e

∆V IC ∼ =C ∆t 35

2016

Kísérlet: B. M. Jelenković and A. V. Phelps, J. Appl. Phys. 85, 7089 (1999)

10

Felület: energiafüggő elektronkiváltási együtthatók:

Cold-cathode discharges and breakdown in argon 10

dirty metals 1

10-1

e + Ar 2e + Ar+ Ar+ + Ar Ar+ + Ar(f ) + + Ar+ + Ar 2Ar +e Ar Arf + Ar Ar(f ) + Ar(f ) Arf + Ar Ar(f ) + Ar+ + e i (Ar)

10-2

f(

,



Townsend kisülés – abnormális ködfény átmenet

)

1

Ar+ 10-1

clean metals

10-2

10-3

Ar 10-3 10

102

103

10-4 10

104


re 1. Electron yields for Ar+ and Ar beams incident on

us clean metal surfaces versus particle energy. The solid ols are for Ar+ and the open symbols are for Ar. The ols, metals and references are: , W, [68]; +,⌃, Mo, [46]; Mo, [47]; ⇤, Mo, [70]; , Mo, [66]; ⇧, Au, [71]; ⌥, Cu, Zoltán: ⌅, Donkó Pt, [69] andAlacsony ⇥, Ta,hőmérsékletű [69]. Theplazmafizika curves drawn through

•

102

103

104

Ion or atom energy (eV) Figure Ar+ andPSST Ar beams incident on A. 2. V. Electron Phelps &yields Z. Lj.for Petrovic, 8, R1-R24 (1999)

various dirty metal surfaces versus particle energy. The open symbols are for Ar+ and the solid symbols are for Ar. The symbols, metals and references are: ⇤ ⇥ , Pt, [69]; ⌅, Ta, [69]; ⌃, , Au, [49]; , Cu, 36 [75]; ⌃, ⇧, Cu, [45]; , ⇤, Ta, [80]; ⌥, W, [79]; ⇥, brass,

⇧

2016

Nehézrészecskés hibrid modell

Gázhőmérséklet eloszlása

Forrásfüggvények

Gázhőmérséklet eloszlásának számolása

Diffúziós és mozgékonysági együtthatók Folyadékmodell pozitív ionokra és lassú elektronokra Potenciáleloszlás

γ

Monte Carlo szimuláció gyors elektronokra

Monte Carlo szimuláció pozitív ionokra Gázfűtés

Részecskék Elektronkiváltási együttható energiája a számolása katódnál

Monte Carlo szimuláció gyors atomokra Hatáskeresztmetszetek : új részecskék

Z. Donkó, Phys. Rev. E 64, 026401 (2001). Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

37

2016

Townsend kisülés – abnormális ködfény átmenet Kísérlet: B. M. Jelenković and A. V. Phelps, J. Appl. Phys. 85, 7089 (1999)

Áramköri modell

R

Townsend kisülés

Iv+Id

Itot V

Áramok a modell alapján:

C IC Kisülés

Abnormális ködfény

Itot = Iv + Id + IC

V(t)

Id = ε0

1200 V

!

(Cath.)

dEn dA dt

VDC = V − RItot ∼200V

t


∆V IC ∼ =C ∆t 38

2016

Townsend kisülés – abnormális ködfény átmenet Fényintenzitás hely- és időfüggése Szimuláció

Mérés In Memoriam Art V. Phelps (JILA, U Colorado)

Z. Donkó, J. Appl. Phys. 88, 2226 (2000) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

B. M. Jelenković and A. V. Phelps, J. Appl. Phys. 85, 7089 (1999) 39

2016

Nehézrészecskés gerjesztés a katód környékén Fényintenzitás-eloszlások pd = 45 Pa cm mellett (Folytonos vonalak: mérés, szaggatott vonalak: szimuláció)

katód: x = 0

A fénykibocsátás forrása egyszerűen szétválasztható a szimulációban NEGATÍV FÉNY: elektronütközéses gerjesztés KATÓDFÉNY: gyors atom + Ar ütközések

Arf + Ar

Ar(f ) + Ar

D. Marić, P. Hartmann, G. Malović, Z. Donkó, Z. Lj. Petrović, J. Phys. D 36, 2639 (2003). Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika

40

2016

Számonkérés pontjai

๏ Gázok átütési folyamata, Paschen-törvény származtatása ๏ Önfenntartó gázkisülések: elektromos karakterisztika és működési módok ๏ Egyenfeszültségű gázkisülések önkonzisztens numerikus leírása ๏ Folyadékmodell (felépítés és tipikus eredmények) ๏ Hibrid modell (felépítés és tipikus eredmények)


41

2016

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Recommend Documents