|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Термоионная эмиссия |
 | |
Анимация
0
Описание
Под термоионной эмиссией (или поверхностной ионизацией) следует понимать процесс термической десорбции (испарения) положительных или отрицательных ионов с поверхностей твердых тел, обычно в вакуум или газовую среду. Причем, чтобы эмиссия ионов была стационарной, скорость поступления на поверхность соответствующих атомов, молекул или радикалов (за счет диффузии этих частиц из объема тела или протекающей одновременно с поверхностной ионизацией адсорбции частиц из окружающей газовой фазы) должна равняться суммарной скорости десорбции ионов и нейтральных частиц.
Количественной характеристикой термоионной эмиссии служит степень поверхностной ионизации a= ni /nа, где ni и nа - потоки одновременно десорбируемых одинаковых по химическому составу ионов и нейтралов. a может быть определена с помощью уравнения Ленгмюра - Саха:
, (1)
где gi и gа - статистический вес соответственно иона и нейтрала;
e - заряд электрона;
еj - работа выхода электрона с поверхности тела;
Т - температура тела;
Ui - потенциал ионизации десорбируемых нейтралов;
k - постоянная Больцмана.
Характер взаимодействия частиц с поверхностью обычно представляют в форме потенциальных кривых системы «поверхность - частица», выражающих зависимость энергии связи частицы с поверхностью Eсе(х) от расстояния х между ними. На рис. 1 такие кривые схематически изображены для нейтральной частицы А и положительного иона Аi.
Потенциальные кривые атома и иона вблизи поверхности
Рис. 1
Расстояние хp соответствует равновесному состоянию частицы у поверхности, а глубины «потенциальных ям» li и la равны теплотам десорбции положительного иона и нейтрала соответственно.
Переход с кривой А на кривую Аi на расстоянии х → Ґ от поверхности соответствует ионизации частицы с переводом освободившегося электрона в твердое тело. Необходимая для этого энергия равна e(Ui - j). Из рис. 1 следует, что для положительной термоионной эмиссии разность теплот десорбции в ионном и нейтральном состояниях (li+ - la) = e(Ui - j). Аналогично для отрицательной термоионной эмиссии (li- - la) = e(j -c ), где еc - энергия сродства частицы к электрону. Таким образом, термоионная эмиссия наиболее эффективна для частиц с li < la и j > Ui (или c > j в случае отрицательных ионов).
Термоионную эмиссию часто характеризуют коэффициентом поверхностной ионизации b = a /(1 + a), который для указанных последних неравенств уменьшается с ростом температуры десорбции Т (см. кривая 1 на рис. 2).
Зависимость коэффициента поверхностной ионизации от температуры
Рис. 2
При обратных неравенствах (li > la и т. д.) величина b увеличивается с возрастанием Т (кривая 2). Если при Т > Т0 соблюдается условие эффективной эмиссии (li < la и ni >> na), то при Т = Т0 знак (la - li) меняется, а b начинает скачкообразно падать до малых значений. Т0 называют температурным порогом термоионной эмиссии (поверхностной ионизации).
Внешнее электрическое поле Е, ускоряющее поверхностные ионы, снижает величину li. При Е < 107 В/см это снижение 
эВ (Е в В/см). Соответственно растет a. Если li < la и ni > na, то при стационарной термоионной эмиссии внешнее поле Е уменьшает температурный порог ионизации Т0. Так, например, для атомов Cs на W T0 с 1000 К при Е=104 В/см снижается до 300 К при Е=107 В/см. Современная экспериментальная техника позволяет наблюдать термоионную эмиссию частиц с Ui Ј 10 В и c і 0,6 В, а с помощью электрического поля эти пределы могут быть еще больше расширены.
В опытах по термоионной эмиссии обычно изучаются зависимости наблюдаемых ионных токов от температуры Т эмиттера и напряженности Е ускоряющего ионы электрического поля. Связь между плотностью термоионного тока ji и потоком частиц n, адсорбирующихся на поверхности эмиттера, дается выражением:
, (2)
где 
;
Ri и Ra - коэффициенты отражения ионов и нейтралов, соответственно.
Параметр В в условиях стационарной эмиссии, когда n = ni + na, в первом приближении можно считать постоянным. Таким образом, измерив ионный ток с поверхности эмиттера, можно определить потоки адсорбируемых и десорбируемых частиц (n, ni, na) и установить степень ионизации a в конкретной термоэмиссии.
Из (2) следует, что для трудноионизируемых элементов, когда 
, с ростом Т плотность тока ji увеличивается, а для легкоионизируемых элементов, когда 
, - наоборот, уменьшается.
Явление термоионной эмиссии имеет феноменологический характер. Оно наблюдается с подогреваемой твердой поверхности вещества, относящегося к проводникам или полупроводникам.
Термоионную эмиссию можно рассматривать как достаточно эффективный механизм токопереноса через вакуумный промежуток (этот процесс имеет место в вакуумных электродных устройствах с пористым эмиттером).
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Термоионная эмиссия используется в ионных источниках, в чувствительных детекторах частиц, в термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую (для компенсации избыточного пространственного заряда электронов), в плазменных двигателях. Рассмотренное явление лежит в основе многих методов изучения физико-химических характеристик поверхностей твердых тел и взаимодействующих с ними частиц.
Реализации эффекта
Техническая реализация - источник ионов - показана на рис. 3.
Схема источника ионов с пористым эмиттером
Рис. 3
Обозначения:
1 - пористый ионизатор;
2 - паропровод;
3 - ионизируемое вещество;
4 - подогреватель;
5 - обмотки нагревателя;
6 - сетка;
7 - коллектор.
Примечание: конкретные ионные источники обычно дополняются системой электродов, позволяющей сформировать и сфокусировать нужное количество ионных пучков.
Здесь представлена схема источника с пористым эмиттером. Пористый ионизатор (эмиттер) 1 герметически закрепляется в паропроводе 2 (из тугоплавкого металла), внутрь которого закладывается ионизируемое вещество 3, например цезий. Все устройство помещается в вакуумный сосуд. С помощью нагревательных обмоток 5 рабочее вещество может поддерживаться при температуре Т1, обеспечивающей требуемую упругость его пара. Паропровод при этом поддерживается при температуре Т2, причем Т2 > Т1. Подогреватель 4 служит для нагревания пористого тела 1 до температуры Т3, требуемой для ионизации пара заданной плотности на внешней ионизирующей поверхности. При ионизации легкоионизируемых веществ необходимо, чтобы Т3 была не меньше, чем пороговая температура Т0. Прикладываемая разность потенциалов между ионизатором 1 и сеткой 6 создает у поверхности эмиттера электрическое поле, необходимое для отбора ионного тока, который собирается коллектором 7.
Литература
1. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Советская энциклопедия, 1984. - 944 с.
2. Зандберг Э.Я., Ионов Н.И. Поверхностная ионизация. - М.: Наука, 1969. - 432 с.
3. Добрецов Л.И., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника.- М.: Наука, 1966. - 564 с.
4. Фоменко В.С., Подчерняева И.А. Эмиссионные и адсорбционные свойства материалов. Справочник. - М.: Атомиздат, 1975. - 320 с.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
