رابطه یونیزاسیون نزدیک است رابطه احتمال بازترکیب است.P برای اتم های برخورد کننده با یک سطح عبارتست از:
(3)
نکته ای که در اینجا باید گفت آنست که ضریب بازتاب مستقیم یونها بسیار کوچک است. از رابطه 3 چنین نتیجه می شود که اتم ها یی که احتمال یونیزاسیون بالایی دارند از احتمال باز ترکیب کمی برخوردار هستند به عنوان مثال احتمال باز ترکیب سزیم بر تنگستن فقط 7% است. بقیه اتم ها احتمال باز ترکیب بالاتری نسبت به سزیم دارند، بنابراین سزیم یکی از مناسب ترین پیشنهاد ها برای تولید یون در این روش است.
رابطه Langmuir-Saha بر فرض تعادل ترمودینامیکی استوار است و نمی تواند یک رابطه عمومی باشد. اما برای اتم های قلیایی به خوبی و با ضریب بسیار بالایی تناسب دارد.Ionov همین فرض را برای اتم پتاسیم با اندازه گیری مستقیم انرژی یون های گسیل شده ثابت کرد. همچنین این رابطه توسط Taylor و Dutz برای برخورد سزیم و پتاسیم بر تنگستن مورد آزمایش قرار گرفت. سایر ترکیبات اتم و صفحه های فلزی مانند پتاسیم بر پلاتین انحراف از این تئوری را نشان می دهند.
شرح کاملی از آزمایشهایی که در آنها یونیزاسیون بوسیله برخورد صورت می گیرد توسط Kaminsky داده شده است. بسیاری ازنمونه هایی که نسبت به معادله Langmuir-Saha انحراف نشان داده اند را می توان در تابع کار ردیابی کرد. مقدار یکتایی تابع کار را می توان توسط یک سطح تمیز و همگن اندازه گیری کرد.
یک سطح که از جنسهای مختلفی تشکیل شده باشد، تابع کار متغیری خواهد داشت که می تواند ناشی از جذب گاز و یا جهت گیری های متفاوت کریستال ها باشد. در چنین سطوحی، یونیزاسیون در قسمتهایی که تابع کار زیادی دارند انجام می شود و بازترکیب یون ها با الکترون ها در قسمتهایی که تابع کار کمی دارند انجام می شود. اگر سطح تانتالیوم حاوی اکسیژن باشد در برخورد باریم با آن، شاهد رفتار های غیر عادی خواهیم بود.
2- 5 طبقه بندی پلاسمای Q-Machine
در بخش گذشته روند یونیزاسیون و بازترکیب در برخورد ذرات بر سطح در غیاب پلاسما مورد بررسی قرارگرفت هرچقدر میزان شار یونها و یا اتمهای برخورد کننده با صفحه داغ بیشتر باشد، پلاسمای بیشتری در خارج صفحه داغ تشکیل خواهد شد. پلاسما بطور شدیدی علاقمند است که خود را خنثی نگه دارد بنابراین جریان خالص درون یک پلاسما صفر خواهد بود. به جهت همین خاصیت خنثی بودن، پلاسما یک غلاف ما بین خود و هر آنچه که با آن در تماس است به وجود می آورد.(Plasma Sheath)
غلاف تولید شده می تواند نسبت به صفحه داغ پتانسیل مثبت یا منفی داشته باشد که به تعادل بارها بستگی دارد. بطور طبیعی جریان الکترونی درون و بیرون صفحه داغ بیشتر از جریان یونی خواهد بود بنابراین می توان روی پتانسیل پلاسما با استفاده از جریان الکترونی بحث کرد. اگر گسیل گرمایونی ناشی از صفحه بیشتر از جریان الکترونهای تصادفی بر سطح صفحه باشد غلاف دارای پتانسیل منفی خواهد بود و پلاسمایی با غلبه الکترونی خواهیم داشت.(Electron Rich ) اگر عکس این موضوع اتفاق بیفتد پتانسیل غلاف مثبت و در پلاسما غلبه با یونها خواهد بود. (Ion Rich ) پتانسیل پلاسمای Q-Machine به عوامل متعددی نظیر احتمال یونیزاسیون اتم ها، توزیع سرعت الکترون ها و یونها، شکل شعاعی پلاسما، شرایط مرزی برای ناپایداری ها و سایر عوامل تاثیرگذار بر پلاسما بستگی دارد.
نمودار تغییر پتانسیل در طول Q-Machine در شکل زیر آمده است.
شکل 2-4- [1]
در نزدیکی صفحه داغ شکل غلاف به اندازه کمی منحرف خواهد شد که در مقایسه با طول کل پلاسما قابل صرفنظر کردن است(کمتر ازmm1/0).
می توان افت پتانسیل بین صفحه و پلاسما را در غیاب هر جریان خالص، بوسیله معادل سازی گسیل از صفحه فلزی با جریان تصادفی الکترون ها از پلاسما بسوی صفحه فلزی محاسبه کرد.
(4 )
AR ثابت ریچاردسون(ok-2 cm-2 A120) ، V اختلاف پتانسیل بین صفحه و پلاسما و سرعت میانگین الکترون ها است.
(5)
در صورتی رابطه فوق برقرار است که تابع توزیع الکترون ها ماکسولی باشد. رابطه 4 برای هر دو نوع پلاسمای Electron Rich و Ion Rich برقرار است. در این تحلیل فرض بر آنست که جریان یونی در مقایسه با جریان الکترونی قابل چشم پوشی باشد. و هنگامی که پلاسما شدیدا دارای پتانسیل مثبت باشد برقرار نخواهد بود، و این در صورتی رخ می دهدکه:

اگر بار خالص در پلاسما ی Q-Machine مستقیما به شار یونی از صفحه یونساز بستگی دارد.
یکی از نتایج مهم معادله 4 آنست که میدان الکتریکی شعاعی و یا سمتی بوسیله گرادیان چگالی و گرادیان دما بر سطح صفحه داغ ایجاد می شود.
(6)
یک میدان الکتریکی شعاعی خالص می تواند باعث چرخش پلاسما شود. میدان الکتریکی سمتی می تواند باعث خروج پلاسما از ناحیه محصور شده در آن شود.
احتمال یونیزاسیون اتم ها در برخورد با سطح در تماس با یک پلاسمای منفی در رابطه 2 داده شده است. بلافاصله بعد از تشکیل پلاسما، بوسیله یک میدان الکتریکی، یون ها به سوی پلاسما جاروب خواهند شد. اگر دمای صفحه کاهش پیدا کند ویا چگالی پلاسما افزایش یافته و بیشتر از چگالی بحرانی nc شود،آنگاه جریان الکترون های تصادفی از پلاسما بر سطح صفحه داغ بیش از گسیل ریچاردسون خواهد شد. در این حالت پتانسیل پلاسما مثبت و احتمال یونیزاسیون با بازتاب یون ها در مرز پتانسیل جلوی صفحه کاهش خواهد یافت.
(7)
چگالی بحرانی فقط به تابع کار و دمای صفحه بستگی دارد جدول 2-1 تعدادی از بازتابنده های فلزی مناسب را معرفی می کند.
جدول 2-1 تعدادی از بازتابنده های فلزی مناسب برای استفاده در Q-Machine – [1]
هنگامی که دانسیته در Q-Machine بیشتر از دانسیته بحرانی شود،کار کردن با Q-Machine بعنوان یک منبع کلی تولید پلاسما مشکل خواهد شد. در این شرایط درصد یونیزاسیون افت خواهد کرد و شکل شعاعی پلاسما تمایل به تخت شدن خواهد داشت. در این رژیم آزمایشهای خوبی از بازترکیب گزارش شده است.
می توان تاثیر یک غلاف مثبت بر تابع کار صفحه فلزی را مورد بررسی قرار داد. همچنین کاهش تابع کار تنگستن ازV5/4 بهV 7/1 به دلیل تشکیل لایه ای از اتم سزیم بر سطح فلز رخ می دهد. در شرایط کار با Q-Machine تنها هنگامی تابع کار صفحه فلزی تغییر خواهد کرد و لایه ای از اتم ها بر سطح آن تشکیل خواهد شد که دمای آن کمتر از oc1100باشد. هنگامی که ترکیب مؤثری بین اتم و فلز صورت نگیرد، باریم بر سطح تنگستن و یا تانتالیوم، لزوما باید شار اتم ها افزایش یابد و همین امر موجب تشکیل لایه ای از اتم ها بر سطح فلز خواهد شد.
شکل 2-5 منحنی تابع کار و گسیل تنگستن را، هنگامی که با بخار سدیم در تعادل است، نشان می دهد.
شکل2- 5 منحنی تابع کار و گسیل تنگستن را، هنگامی که با بخار سدیم در تعادل است[1]
جدول 2-2 تعدادی از پارامترهای یک Q-Machine استاندارد را نشان می دهد.
جدول 2–2 [1]