Источники поверхностного типа. Поверхностная адсорбция. Плотность ионного тока, страница 5

Насколько нам известно, именно эти обстоятельства помешали развитию типа источника, показанного на рис. 9.5, и предпочтение было отдано источникам, в которых цезий на поверхности поступает через поры в вольфрамовом ионизаторе. В этом случае его распространение происходит в основном за счет поверхностной диффузии, поэтому необходимо рассмотреть этот процесс в системе цезий-вольфрам.

9.6. Скорость поверхностной диффузии и характеристическая длина

Когда на поверхность металла поступает цезий, происходит распространение его адсорбированного слоя по мере того, как с поверхности испаряются атомы и ионы цезия. Данный эффект можно особенно наглядно продемонстрировать, используя ионно-эмиссионный микроскоп (см. работы [197, 98]). В этом приборе ионы с эмитирующей поверхности ускоряются системой электростатических линз, посредством которых формируется увеличенное в 25—200 раз изображение. Изображение создается на никелевом экране с разрешением 400 линия/см. Выбиваемые из экрана вторичные электроны ускоряются до 10 кВ и попадают на алюминированный люминесцентный экран, на котором создают светящееся изображение эмиссионной области.

Рис. 9.6 служит убедительной иллюстрацией эффекта поверхностной диффузии. Рисунок получен при помощи ионно-эмиссионного микроскопа. В этом эксперименте цезий на поверхность нагреваемой вольфрамовой пластины поступал с ее обратной стороны через отверстие Ø25-50мкм. Хотя область самого отверстия обозначена на фотографии светлым -пятном в центре, поверхность возле отверстия и на расстоянии нескольких диаметров от него — темная. Это связано с тем, что степень покрытия θ в этой области слишком велика, и эта область является областью эмиссии нейтралов (см. рис. 9.2). Под влиянием направленной от центра диффузии и эмиссии атомов происходит снижение θ до значения нескольких процентов, когда становится существенной ионная эмиссия. Яркость свечения возрастает по мере уменьшения θ. Это продолжается до значения θ = 0,01, а затем при дальнейшем уменьшении θ яркость свечения стремительно падает. Некоторая пятнистость светящегося кольца свидетельствует о поликристаллической структуре вольфрамовой пластины. При снижении скорости поступления цезия наблюдалось сжатие светящегося кольца вплоть до его полного исчезновения в отверстии.

Что до некоторой степени ставит в тупик, так это то, что область отверстия на рис. 9.6 оказалась светлой, тогда как область прилегающей к отверстию фронтальной поверхности ионизатора— темная. Это вызывает удивление, поскольку степень покрытия в отверстии должна быть выше, чем на поверхности.

Рис. 9.6. Микрофотоснимок ионной эмиссии с поверхности нагреваемой вольфрамовой пластины, в которой имеется отверстие Ø 25—50 мкм, через которое осуществляется подача цезия [197].

В неопубликованном отчете за 1964 г. фирмы Еlесtго-Орticаl Systems этот факт объяснялся тем, что внутри отверстия происходит изменение величины работы выхода. Можно показать, что возникшая в результате такого изменения контактная разность потенциалов создает электростатическое поле, которое собирает ионы с цилиндрических стенок отверстия и ускоряет их в направлении выходной эмиссионной апертуры.

Мы не будем подробно останавливаться на эффектах, которые могут привести к увеличению ионной эмиссии из пор. По-видимому, требуемая степень мелкопористости материала ионизатора будет определяться в основном диффузионной длиной, т. е. расстоянием, на котором степень покрытия поверхности падает в е раз относительно степени покрытия при максимальной эмиссии. Эта величина оценивается для плоской поверхности.

Поток адсорбированных атомов цезия на единицу длины, протекающий от участков поверхности с большей плотностью покрытия к участкам с меньшей плотностью, может быть записан  в  виде Dσ = −D σ ₀ θ  , гдеσ — градиент поверхностной  плотности  покрытия σ,  D — коэффициент поверхностной диффузии и θ= σ /σ₀ — степень покрытия. Условие равновесия между потоком адатомов к каждому участку поверхности и скоростью испарения с него v(θ)  имеет вид