5 . Рух зарядів в неоднорідних магнітних полях.

А

В

Rв

Rн

v

Для від’ємного заряду

*

Якби не було градієнту, то рух мав би таку траєкторію (по колу)

Враховується

Вважаємо, що поле слабко змінюється: зміна магнітного поля на радіус менше, ніж поле.

Тут ми розкладаємо В в ряд Тейлора поблизу точки х0=0 та у0=0:

R – ларморівський радіус, який описує кругову орбіту навколо фіксованого ведучого центру(х0 та у0) А та В:

В неоднорідному магнітному полі завжди є дрейфовий рух, перпендикулярний магнітному полі.

Vдр=

Наближене значення: Vдр=

Точне значення: Vдр=

6. Термоемісійний перетворювач енергії.

Для знаходження розподiлу потенцiалу в просторi анод-катод використовується рiвняння Лапласа–Пуассона.

d²U/dX²= – (x)/ , (1)

де (x) – густина зарядiв.

Його можна розвязувати за таких граничних умов: U(X)=Ua, dU/dX=0 при Х=0

Нехай n – кiлькicть електронiв в одиницi обему простору А–К. Тодi  = - ne, а j= nev, тобто =j/v – густина зарядiв, через те, що v=(2eU/m)^1/2, то = - j(m/2e)^1/2U^-1/2

Тут одна змiнна U(x), тому:

d²U/dX² =

Пiсля iнтегрування одержимо: U=[9/4j* (m/2e)^1/2 X² ]^2/3 / = C*X^4/3

Звiдси маємо j=4/9*(2e/m_e)^1/2 Ua^3/2/X_a²

Це закон трьох – других: густина струму емісії росте пропорцiйно до анодноi напруги в ступенi 3/2.

α

tgα=1/R

-

+

Вакуумний діод може працювати, як прямий перетворювач електричної енергії в теплову, а теплової в електричну (точка В). Зменшуючи d, можемо знехтувати просторовим зарядом

Потужність велика (більше, ніж в точці В)

Але один електрод холодний, а інший гарячий, тому сильно зменшити d не можемо. Термоемісійний перетворювач (ТЕП) – перетворює теплову енергію в електричну.

1)Вакуумний ТЕП: ККД ~ 5%, 1,5 Вт/см^2

2)Плівкові катоди

Весь об’єм заповнюється порами Cs. Цезій сідає на поверхню катоду, але поверхня гаряча, Cs підлітає, віддає е, а потім відлітає, бо гаряче. Тобто, на катоді плівки не буде. А ось на холодному аноді буде багато Csі його робота виходу зменшиться. Якщо з’єднати, електрони підуть туди, де глибина ями Плівковий ТЕП: ККД ~20%, 75Вт/см^2

j

Ua

7. Газорозрядні і плазмові лазери.

Плазмовий лазер

е + А + е + е

Р

івноважна система нічим не обмінюється з оточуючим середовищем. В рівноважній системі швидкість процесів прямих і зворотних має бути однакова – принцип детальної рівноваги.

Єдиний параметр, що може змінюватися у рівноважній системі – це температура

Больцманівський розподіл (електронне збудження)

Якщо є газ з молекул АВ, що можуть розпадатися на атоми А і В: АВ –>A+B

де gA, gB, gAB – статистична вага

Крім того, виконується розподіл Максвелла в рівновазі

- рівняння Саха для плазми

- степінь іонізації визначається температурою

Переохолодження плазми (рекомбінація нерівноважної плазми)

Т

αі

Якщо система в рівноважних умовах

Повинні переважати процеси іонізації, перегріта система (плазма), іонізаційно нерівноважна

Зміщення з кривої означає, що систена нерівноважна

Температура зменшилася, степінь іонізації не змінився (захоче повернутися в рівноважний стан, а саме в т.С). В цій системі процеси рекомбінації переважають над процесами іонізації, поки не прийде в т.С

РНП

ІНП

В реальній лабораторній системі через втрати швидкість об’ємної іонізації перевищує швидкість об’ємної рекомбінації (заряди зникають за допомогою обміну з навколишнім середовищем – плазма є перегрітою)

ІНП

РНП

Переносимо в просторі для охолодження

Щоб зробити лазер, систему треба переохолодити. Американці створили в 60-х роках тераватний лазер.

Газорозрядний лазер

Принципи роботи лазерів відомі: у напіввідкритий резонатор уміщується активне середовище, в якому створюється інверсія заселеностей між обраною парою рівнів. Якщо активним середовищем служить газ, говорять про газові лазери.

Існують різні способи накачування газових лазерів (тобто створення інверсної населеності). Зараз ми розглянемо спосіб накачування, заснований на використанні ударів ІІ роду.

Використовується двокомпонентна газова суміш. Схеми енергетичних рівнів газів А та В подано на рис. 3.8.1. Рівень W₂ газу В – метастабільний, він збуджується електронним ударом (у жевріючому розряді):

.

Рис. 3.8.1. Схема енергетичних рівнів атомів суміші, що служить активним середовищем газового лазера.

За рахунок зіткнення ІІ роду збудження від атомів В передається до атомів А:

(індекс у дужках, як і в п. 2.5.1.3, позначає номер рівня, на який збуджено атом).

Інверсія заселеностей здійснюється між рівнями W₂ і W₃ газу А. З рівня W₃ відбувається індукований перехід:

.

Вивільнення рівня W₂ відбувається за рахунок спонтанних переходів на рівень W₁ та дезактивації в результаті надпружних зіткнень з електронами:

Така схема використовується в лазерах на сумішах He-Ne (роль атомів А відіграє гелій, роль атомів В – неон) та CO₂-N₂.

Газові лазери характеризуються надзвичайно вузькими лініями випромінювання (менше 0.5 Гц, f/f₀~10^-14), що обумовлено використанням атомних ліній, які практично не залежать від навколишнього середовища. В CO₂-лазерах досягнуті потужності складають сотні кіловат у неперервному режимі при коефіцієнті корисної дії близько 30%.