Источники отрицательных ионов. Двойная перезарядка, страница 10

Используя в уравнении (10.4) значение kT/e = 0,5 В и (ф−I_a) =0,67 В, получим отношение Н⁻/Н=0,13. Если в результате аномального эффекта Шоттки произойдет снижение работы выхода на 0,25 В, то это отношение станет равным 0,22.

Если бы приемлемое согласие с экспериментом являлось критерием правильности теории, можно было бы считать, что применение уравнения Саха — Ленгмюра совместно с эффектом Шоттки и моделью тепловых микропятен позволяет получить адекватную картину исследуемого явления. На самом же деле во многих, работах (см., например, [32, 132, 133]) был предпринят гораздо более детальный анализ этого феномена. В работе Лэнга [165] получена следующая формула для ионизованной фракции:

η= ν _H^- /( ν _H^- + ν _H⁰ )                                                                           (10.5)

Для частиц, покидающих поверхность с высокой скоростью, была получена формула

η=exp[(I_a−ф)/cυ],                                                                 (10.6)

где с — константа, a v — нормальная составляющая скорости вылета частицы с поверхности.

Мы не будем здесь пытаться провести полное изложение теории, приведшей к уравнению (10.6), но сказать несколько слов о происхождении этого уравнения, столь отличного от уравнения (10.4), представляется необходимым. Когда атом водорода находится вблизи поверхности, потенциальная энергия электрона на которой определяется уровнем Ферми (рис. 10.10), то уровень лишнего электрона отрицательного иона оказывается лежащим ниже указанного уровня, и, кроме того, он сильно уширен из-за взаимодействия с уровнями проводимости металла. Поэтому существует весьма высокая вероятность его заполнения. Когда частица уходит с поверхности, этот уровень начинает подниматься, и в результате он оказывается выше уровня Ферми. Из-за того, что существует возможность туннельного перехода электрона обратно в металл, происходит снижение вероятности его заполнения. В уравнении (10.4) предполагается настолько медленное движение частицы, что равновесие с зоной проводимости имеет место вплоть до расстояния, когда атом (ион) полностью покинул поверхность. В случае если частица быстро удаляется с поверхности, вероятность сохранения состояния отрицательного иона будет выше.

Хотя, по всей видимости, уравнение (10.6) представляет собой более совершенную модель изучаемого нами явления, однако остаются возможности для дальнейшего развития. Так, в работе [119] была обнаружена сильная зависимость вероятности ухода частицы с поверхности в виде отрицательного иона от составляющей скорости, параллельной поверхности.

В рамках поверхностно-плазменного метода получения ионов Н⁻ было проведено большое количество экспериментальных работ. Однако следует сказать, что этот метод все еще находится в стадии развития. Поэтому мы не нашли возможным организовать изложение результатов таким же методическим образом, как в случае более завершенных областей исследования. Несмотря на это представляется важным провести обзор результатов, достигнутых в уже проведенных экспериментах. В работе Леунга и Элерса [184] изучался выход ионов Н⁻  с поверхности различных металлов, покрытых слоем цезия. Исходя из энергии эмитируемых частиц, оказалось возможным установить, что большинство отрицательных ионов было образовано благодаря десорбции вследствие ионной бомбардировки поверхности (распыления) атомов и лишь незначительная часть — из частиц, претерпевших обратное рассеяние или отражение. Действительно, из всех исследованных в этой работе конвертирующих поверхностей только медь и нержавеющая сталь показали высокий процент выхода ионов Н~, образовавшихся из отраженных частиц. Было также установлено, что молибден превосходит тантал, медь, нержавеющую сталь и ниобий по эффективности образования ионов Н⁻, но незначительно уступает в этом титану и ванадию.