Источники поверхностного типа. Поверхностная адсорбция. Плотность ионного тока, страница 3

Рис. 9.3. Зависимость плотности тока ионов Сs+ (в отсутствие внешнего электрического поля) с вольфрамовой поверхности от температуры поверхности для разного отношения атомного и ионного выходов.

поверхностной ионизации при создании сильноточных ионных источников. Как можно видеть, плотность тока быстро нарастает с ростом температуры и достигает интересующих нас значений при вполне доступных температурах. Например, при Т =1300 К, что является весьма умеренной   температурой   для   вольфрама,   плотность  тока (см. рис. 9.3)  достигает значения ~ 4 мА/см² при выходе нейтралов меньше 1%. Следует отметить, что это весьма большая плотность тока для столь тяжелого иона, как цезий. Для ориентировки укажем, что это максимальная плотность тока, которую в соответствии с уравнением Чайлда — Ленгмюра можно получить в плоском зазоре размером 1 см при разности потенциалов 9 кВ. Или же, для сравнения с плазменными источниками, 4 мА/см² — это такая плотность тока, которую можно извлечь из цезиевой  плазмы с   электронной   температурой 1 эВ и электронной плотностью   6-10¹¹ см-³.

Необходимо заметить, что с ростом температуры возрастает и выход нейтралов. Однако он остается на столь низком уровне, что для большинства случаев можно считать эмиссию полностью чисто ионной (100%). В частности видно, что можно достичь плотности тока 50 мА/см² при уровне ионизации 99%.

9.4. Электронная эмиссия

Хотя данная глава имеет отношение преимущественно к ионной эмиссии, представляется уместным обсудить здесь важный вопрос об электронной эмиссии с покрытой цезием поверхности вольфрама. Обычно охлаждение эмиттера приводит к монотонному снижению электронной эмиссии, что удовлетворяет уравнению Ричардсона — Дэшмана:

J=AT²exp(-eφ/kT)                                                       (2.63)  

Тем не менее, если эмиттер, подобный вольфрамовому, пребывает в цезиевой среде, то адсорбция цезия настолько снижает работу выхода поверхности, что существуют целые области температур, в которых ее снижение ведет к увеличению эмиссии. Следствием этого эффекта является 5-образная форма кривых на рис. 9.4. На этом рисунке, взятом непосредственно из работы [266], μ_a — число атомов, поступающих за 1 с на 1 см² поверхности. Температура у каждой кривой представляет собой температуру парогенератора, обеспечивающую данное значение μ_a . Ордината — это log v_e, и плотность электронного тока (в амперах с квадратного сантиметра в секунду) может быть получена путем умножения значения v_e, на 1,6/10^-19 Кл (заряд электрона).

Диагональные прямые линии, пересекая эмиссионные кривые, дают значение θ, т. е. степень покрытия. Для примера рассмотрим кривую с μ_a=10¹⁵ см^-2-с^-1. При температуре выше 1400 К степень покрытия оказывается столь низкой, что эмиссия идет как с чисто вольфрамовой поверхности. Когда температура спадает до 1250 К, θ увеличивается до 5%, и эмиссия начинает возрастать. Даже несмотря на то, что ток в этой точке возрос незначительно, эмиссия оказывается примерно в 100 раз больше, чем в случае чисто вольфрамовой поверхности. Когда температура спадает до 750 К, то θ достигает значения 0,55, а ток возрастает в 10⁴ раз по сравнению с током при температуре 1250 К. Если же сравнивать с чисто вольфрамовой поверхностью, то эмиссионный ток оказывается в 10¹⁵ раз больше.

Хотя с дальнейшим снижением температуры происходит уменьшение эмиссионного тока, работа выхода с ростом 6 продолжает падать, достигая минимального значения  φ=1,72 В при   θ = 0,67. Константа А для линии θ = 0,67 равна 186 А/(см²·К²). Более современное и, возможно, более строгое изучение системы цезий —вольфрам, предпринятое в работах [221, 222], дало значение   φ_min=1,56 В   при θ = 0,5  для кристаллографической грани (112) и φ_min = 1,6 В при θ = 0,25 для грани (100).