Источники поверхностного типа. Поверхностная адсорбция. Плотность ионного тока

Глава 9

ИСТОЧНИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА

9.1. Поверхностная ионизация

В определенных случаях попавшие на поверхность металла атомы газа или пара какого-либо вещества испаряются с нее в виде положительных ионов, т. е. из энергетических соображений оказывается выгодным, чтобы атом оставил свой электрон на поверхности. Этот эффект был положен в основу создания интенсивных источников ионов Сs+, а также некоторых других веществ.

Основное требование для осуществимости такого процесса заключается в том, что потенциал ионизации I должен быть меньше работы выхода еφ (рис. 9.1). В этом случае система оказывается в своем нижнем энергетическом состоянии, когда наиболее слабо связанный с атомом электрон переходит в металл. Достаточно легко можно получить формулу, характеризующую относительное количество испаряющихся с поверхности ионов и атомов. Когда атом достаточно близко подходит к поверхности металла, так, что его внешний электрон находится в равновесии (из-за туннельного эффекта) с электронами металла, то этот электрон займет уровень Ферми, соответствующий вершине непрерывного спектра энергетических уровней.

В этом случае вероятность заполнения электроном уровня энергии в атоме определяется формулой Ферми — Дирака:

      Ра =(1+exp)^-1                                                       (9.1)

так как этот уровень выше уровня Ферми на величину е(φ—I). Р_а — вероятность испарения атома в виде нейтрала, а величина (1—Ра) или

P_p=( exp)(1+exp)^-1                                         (9.2)

определяет вероятность того, что частица покинет поверхность в виде положительного иона. Отсюда отношение Рp /Ра принимает вид

v_p / v_a=[exp e(φ-I)/kT]                                                   (9.3)

где v_p и v_a представляют собой соответственно число ионов и атомов, испаряющихся с единицы поверхности в единицу времени. В этой формуле не учитывается весовой фактор,

g=2S+1                                                                         (9.4)

определяющий кратность вырождения состояния. При его учете уравнение (9.3) принимает вид

v_p / v_a= g_p /g_a [exp e(φ-I)/kT]                                               (9.5)

Обычно испаряющиеся с поверхности частицы являются атомами (ионами) щелочного металла, для которого g_Р = 1, а g_а = 2.

Уравнение (9.5) известно как уравнение Саха-Ленгмюра, поскольку                                                                                                                                                                                                            он было получено                                                                                                                                                                                                                                              Ленгмюром, который в своем выводе исходил из уравнения Саха. Вывод, приведенный здесь, представляется нам более прямым.

Для испаряющегося с вольфрамовой поверхности цезия I = 3,87 В, φ=4,62 В; положив температуру Т равной 1500 К, из уравнения (9.5)      получим     v_p / v_a =165.

Рис. 9.1. Электронные уровни энергии для атома вблизи поверхности

Если T=1000 К, то v_p / v_a =3000. Хотя низкая температура и благоприятствует высокому ионному выходу, однако фракция ионов в уходящем с поверхности потоке частиц остается очень высокой до тех пор, пока (φ-I)» kT/e. Минимально возможная рабочая температура определяется исходя из необходимости не допускать образования на вольфрамовой поверхности адсорбированного слоя цезия, так как в этом случае происходит снижение величины работы выхода. Для понимания и объяснения явления поверхностной ионизации необходимо обсудить вопросы, связанные с существованием на поверхности адсорбированного слоя.

9.2. Поверхностная адсорбция

Явление, связанное с испарением цезия с поверхности вольфрама, было широко изучено во многих работах (см. например, [177, 53, 64]). Однако основополагающей в этой области явилась работа Ленгмюра и Тейлора [266] (тем не менее обратите внимание на ссылку в разд. 9.4 на работу [221]). Ленгмюр и Тейлор получили экспериментальные данные для температурного диапазона 400 — 1300 К, а работа [250] дала фактическое подтверждение правильности экстраполяции их результатов в область температур вплоть до 1500 К.

Для любой скорости поступления цезия на нагретую вольфрамовую поверхность существует некоторая равновесная плотность адсорбированных атомов цезия. Если поверхность обладает достаточной температурой, то адсорбированный слой будет составлять лишь ничтожную часть монослоя и работа выхода будет близка к работе выхода чистого вольфрама. Но даже небольшое процентное содержание цезия в монослое приводит к столь значительному снижению работы выхода, что происходит весьма серьезное уменьшение ионизованной фракции.