Pertanika W(2), 311-315(1988)

Peranan Paras-paras 3Po dan 3P2 terhadap Pekali PengionanSekunder dalam Nyahcas Townsend

W.MAHMOOD BIN MAT YUNUS.Jabatan Fizik.

Fakulti Sains dan Pengajian Sekitar.Universiti Pertanian Malaysia.

43400 Serdang, Selangor, Malaysia.

Keywords: Paras teruja; PQ dan P2 dan Pekali Pengionan Sekunder.

ABSTRAK

Sumbangan atom-atom pada paras tenaga PQ dan P2 kepada pekali pengionan sekunder dalam suatunyahcas Townsend dibincangkan. Untuk sampel gas kripton kelas penyelidikan, nilai teori 5 / a (prosesdominan dalam sela E/p < 50 volt cm'1 torr1 ) bersetuju dengan nilai ujikajU c»y a Bagaimanapundalam kes sample kripton kelas penyelidikan yang ditulenkan, telah diperhatikan hanya atom pada parastenaga P2 sahaja yang menyumbangkan peranan kepada pekali pengionan sekunder.

ABSTRACTThe contribution of the PQ and PQ levels to the secondary ionization coefficient in a Townsend dis-charge are discussed. In the case of a research grade krypton gas sample, the theoretical values of 8 / a(the dominant process in the range E/p < 50 volt cm1 torr1 ) are in good agreement with the ex-perimental values of co / a . However, in the case of purified research grade krypton gas samples, it seemslikely that only atoms in the PQ level contributed to the secondary ionazation coefficient.

PENGENALAN

Pekali pengionan sekunder boleh ditakrifkansebagai jumlah elektron yang dibebaskan dalamgas oleh proses pengionan sekunder semasa ber-lakunya perlanggaran dengan atom-atom gasatau pada katod per setiap perlanggaran. Prosespengionan sekunder yang mungkin berlaku dalamgas dan juga pada katod digambarkan oleh simbolCO/a dalam persamaan Townsend

I _ C(exp(ad) 1IC 1 - < W a [ e x p ( a d ) - l l ]

boleh ditulis sebagai perjumlahan semua proses-pengionan sekunder yang mungkin berlaku. Proses-tersebut telah dicadangkan oleh Llewellyn-Jonesdan Parker (1950, 1952) sebagai berikut;

Simbol yang digunakan pada sebelah kananpersamaan (2) itu membawa maksud pembebasan

elektron oleh perlanggaran: ion positif T , foton5 / a , dan atom teruja £A , dengan katod; dan

pengionan atom-atom gas oleh ion positif j3 / adan foton *7 Ay dalam gas.

Telahpun diketahui bahawa tidak semuaproses sekunder (persamaan 2) berlaku serentak,tetapi ia bergantung kepada keadaan tiub nyahcas,iaitu; jenis gas, bahan katod dan nilai E/p (nisbahmedan elektrik kepada tekanan gas) dan tekanangas, p.

Morgan (1956) dalam penyelidikannya ter-hadap gas hidrogen telah membuat kesimpulanbahawa untuk nilai E/p < 50, proses pengionansekunder yang dominan ialah 5 / a , dan untukE/p ^ 3 0 0 , proses pembebasan elektron oleh per-langgaran ion positif T dengan katod me-mainkan peranan utama terhadap pekali pengionansekunder, 00 / a . Rees (1963) juga telah menya-rankan hal yang serupa, dalam ujikaji yang telahdilakukan atas pengionan gas helium. Beliau dapati

W. MAHMOOD BIN MAT YUNUS

pada julat 3 < E/p < 5 (voll cm'1 torr*1 ) setaradengan julat tekanan 150 < p < 560 torr, proses8 I a ialah proses sekunder yang utama yangmemberi sumbangan kepada nilai col OL

Dengan yang demikian tujuan utama kertasini ialah untuk membincangkan proses yang sama,seperti yang telah disarankan oleh Morgan (1956)dan Rees (1963). Untuk itu gas sampel kriptondalam julat 14 < E/p < 44 setara dengantekanan gas 22 < p < 130 torr telah diambilkira dalam mengira nilai 5 / oc secara teori(W.Mahmood 1985).

Rajah 1 menunjukkan gambarajah parastenaga atom kripton yang mengandungi parasasas dan empat paras teruja untuk taburanelektron 4p55s. *Pj dan PQ ialah parastenaga yang mempunyai masa hayat yang pendekvang mengeluarkan pancaran resonan, manakala

PQ dan ?2 ^ ^ paras tenaga metastabil yangmempunyai masa hayat lebih daripada 1.0 saat.

Pada umumnya atom kripton yang terujaboleh dimusnahkan melalui proses-proses berikut;

1. perlanggaran dua-jasad atau tiga-jasaddengan atom yang neutral yang mung-kin membentuk molikut yang teruja.

eV

11

10

9

j

J

106410.57

- 1236°A

0

1

4p55s

I165°A

0• •

Rajah 1 Paras tenaga atom kripton.

PQ dan Pj paras resonan.

3P dan P2 paras metastabil.

2. pemancaran sinaran resonan, yangmungkin akan terbebas keluar dari-pada kaWasan nyahcas.

3. peresapan atom metastabil keluar dari-pada kawasan nyahcas dan hentamandengan dinding bekas.

4. kesan Penning.5. perlanggaran antara atom teruja

dengan atom teruja yang lain.6. Perlanggaran antara atom teruja dengan

elektron atau ion positif.

Proses-proses yang dominan bergantun]kepada ketumpatan atom yang teruja dan ketulenan sampel gas; pada ketumpatan atom metastabil yang rendah dan sampel gas cukup tulenkesan proses 4, 5, dan 6 boleh diabaikan.

Pengiraan secara teori nilai 5 / a untuk nyahcakripton,

Secara teori pengiraan, nilai 8 I oc telaldisarankan oleh Jones dan Llewellyn Jones (1962)sebagai

oc adi mana, K dan g ialah faktor penyerakan balUdan faktor geometri untuk tiub nyahcas (g = 0433Abdullah 1982). Nilai K ditentukan daripadformula penyerakan balik Thomson, iaitu

u dan w_ialah halaju dan halaju hanyut elektrorimanakala k dan 0 ialah pemalar bagi kecekapaipembebasan elektron oleh foton pada katod (iaitu bilangan elektron yang dibebaskan daripadkatod tidak beresonan yang dihasilkan ole]pemusnahan atom mestabil. Indeks 1 dan 2 d:rujuk kepada paras tenaga 3 P Q dan 3 P 2 . p daioc masing-masing mewakili tekanan dan pekaiTownsend primer. Untuk tujuan pengiraan nih5 / a pada laporau, ini, nilai kj dan k2 diamb:sebagai 2 x 10" elektron perfoton (Walke1955). Sementara nilai a diambil daripada nihyang telah dilaporkan oleh W. Mahmood (1986untuk julat 14 < E/p < 44 volt cm"1 torr*setara dengan nilai tekanan 22 < p < 13<torr.

312 PERTANIKA VOL. U NO. 2, 1988

PERANAN PARAS-PARAS 3PODAN 3P2 TERHADAP PEKALl PENGIONAN SEKUNDER

HASIL DAN PERBINCANGANNilai 8 I oc yang dikira dengan menggunakan per-samaan 3 dan nilai ujikaji co / a yang didapatioleh W. Mahmood (1986) disenaraikan padaJadual 1. Plot 8 / co sebagai fungsi E/p ditunjuk-kan pada Rajah 2. Dalam batasan ketidakpastiannilai co / oc yang ditentukan secara kaedahTownsend (W. Mahmodd 1985) dapat dikatakanbahawa nilai 6 / a secara teori bersetuju dengannilai ujikaji co I OL Bagi sampel gas kripton yanglebih tulen, persetujuan tersebut dipenuhi apabilahanya atom pada paras PQ sahaja diambil kirasebagai penghasil foton tidak beresonan yangmemberi sumbangan kepada oo I OL Walaupundemikian merujuk kepada rajah (2b) padaE/p < 20 volt cm'1 ton'1 terdapat beberapanilai co / OL yang tidak bersetuju dengan nilaiteori 5 / a > Daripada percanggahan itu tidaklahdapat dibuat kesimpulan yang tepat tentangproses yang dominan untuk sela E/p < 20. Ini

disebabkan oleh ketidakpastian penentuan nilaiCO / a yang tidak sahaja bergantung kepada ke-tidakpastian nilai a, malah bergantung kepadaketidakpastian nisbah pertumbuhan arus padanilai E/p yangkecil (W. Mahmood 1985).

Secara am dapat diambil kesimpulan bahawadengan adanya gas-gas asing dalam kripton kelaspenyelidikan, dapat menyebabkan atom-atommempunyai kemungkinan yang sama untukteruja kepada kedua-dua paras mestabil 3PQ dan

P2-Tidaklah dapat dipastikan dengan jelas

makanisme yang menyebabkan proses tersebutberlaku, ini kerana ketidakpastian penentuannilai co / oc (W. Mahmood 1985) itu dianggarkan'V 20%. Untuk menentukan makanisme yang ber-tanggungjawab terhadap proses yang berlakudengan lebih pasti, ujikaji-ujikaji patut dilakukandengan teliti dalam menentukan nilai co / oc danketulenan sampel gas yang baik. Oleh sebab kedua-

JADUAL (1)Nilai teori, 8 / OL dibanding dengan nilai ujikaji, CO/ Oc

Sampel: Kripton kelas penyelidikan.

pton.

22

55

130

E / pV/cm. ton"1

44

38

36

34

32

30

28

26

24

26

24

22

20

18

16

18

16

14

8/ax IOO

1.64

1.74

1.70

1.96

1.94

2.23

2.18

2.38

2.55

2.70

3.11

2.96

3.50

3.94

4,63

5.57

5.05

5.83

CO/ax 100

1.84

2.11

1.47

2.04

2.13

2.77

1.98

2.01

2.05

3.45

4.25

2.80

3.44

3.29

3.16

6.67

3.06

2.48

PERTANIKA VOL. 11 NO. 2, 1988 313

sambungan Jadual (1).

W. MAHMOOD BIN MAT YUNUS

ptorr

21

32

64

86

Sampe

E/p

V/cm. torr"1 )

44

40

36

34

32

30

26

24

22

32

30

28

26

23

22

19

25

21

19

18

17

20

19

18

16

15

: Kripton kelas penyelidikan )

8/oc x ioo( 3 P o d a n 3 P o )

1.75

2.01

1.93

2.31

2.49

2.71

2.62

3.01

3.60

2.40

2.65

2.73

2,95

3.28

3.68

4.11

2.95

3.54

4.21

4.33

4.86

3.73

4.54

4.84

4.91

5.22

/ang ditulenkan.

8/ot x ioo( 3PQsahaja)

1.27

1.46

1.40

1.60

1.81

1.96

1.90

2.18

2.61

1.74

1.93

1.98

2.14

2.38

2.67

2.98

2.14

2.57

3.06

3.15

3.53

2.70

3.30

3.50

3.56

3.79

5/ax ioo

0.98

1.41

1.94

1.27

1.48

1.45

1.61

1.81

2.01

1.94

2.28

1.97

1.95

2.54

1.94

2.31

2.14

1.97

2.25

1.81

1.91

2.89

2.56

2.41

2.77

2.31

314 PERTANIKA VOL. 11 NO. 2, 1988

PERANAN PARAS-PARAS 3PQ DAN 3P2 TERHADAP PEKALI PENGIONAN SEKUNDER

10"

i 3

kripton kelas penyelidikanW P = 11 torrA P = 22 torr• P = 55 torr• P • 130 torr (a)

kripton kelas penyelidikan yang ditulenkan.

O P = 21 torrA P = 32 torr*> P = 64 torrO P = 86 torr (b)

20 30

E/p (v

Rajah 2 Perbandingan nilai teori 5 / Of dengan nilaiujikaji O)/ a untuk sampel kripton.

-Nilai teori, 5 / a

Nilai teori, 5 / Qtyang hanya atompada Po sahaja yang diambilkira.

dua paras resonan pada atom kripton beradaterlalu dekat dengan paras metastabil ( ^ 0.1 eV)kemungkinan wujud atom yang saling bertukardi antara kedua-dua paras tersebut.

PENGHARGAANPengarang ingin mengambil kesempatan ini untukmengucapkan setinggi-tinggi penghargaan kepada

Department of Physics, University College ofSwansea, U.K. kerana menyediakan segala ke-mudahan dan kelengkapan sehingga kerja-kerjadalam laporan ini dapat disiapkan. Juga ucapanterima kasih ditujukan kepada A.W. Williams,di Jabatan yang sama atas pertolongan dan per-bincangan yang diberikan.

RUJUKANABDULLA, R.R (1982): Ph. D Thesis University of

Wales, U.K.

JONES, E and Llewellyn-Jones, F. (1962): Theory ofsecondary emission of electrons in hydrogen. Proc,Phys. Soc, 80:459-464.

LLEWELLYN-JONES, F. and PARKER, A.B. (1950).(1950): Mechanism of the electric spark. Nature165: 960-962.

LLEWELLYN-JONES, F. and PARKER, A.B. (1952):Electrical breakdown of gases, I. Spark mechanismin air. Proc. Roy. Soc. 213:185-202.

MORGAN, CG. (1956): Temporal growth of ionizationin gases. Phys. Rev. 104: 566-571 .

RESS, D.B. (1963): Ph. D Thesis University of WalesU.K.

WALKER, W.C. WAINFAN, N. and WEISSLER, G.L.(1955): Photoelectric yields in the vacuum ultra-violet. J. Appl. Phys. 26: 1366-1371.

W. MAHMOOD MAT YUNUS (1986): Ionization coe-fficients and t breakdown potential in krypton.Pertanika. 9:387-392.

W. MAHMOOD MAT YUNUS (1985): Ph.D ThesisUniversity of Wales, U.K.

(Recieved 20 February, 1987)

PERTANIKA VOL. 11 NO. 2, 1988 315