WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 04;07;11;12 Состояние поверхности и эмиссия электронов с холодных катодов в вакууме и в тлеющем разряде в благородных газах © П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский Институт физики полупроводников СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: zakrdm@isp.nsc.ru (Поступило в Редакцию 16 января 2006 г.) В газовом разряде оптогальваническим методом измерен коэффициент фотоэмиссии ph под действием резонансного излучения атомов гелия. Диапазон рабочих токов j/P2 от 2 до 1000 µA/cm2 · Torr2 He ( j — плотность тока, PHe — давление газа) и напряженности поля на катоде E/N от 0.45 до 13 kTd (1Td = 10-17 V · cm2). До j/P2 = 10 µA/cm2 · Torr2 наблюдается рост ph с дальнейшим насыщением на He уровне ph = 0.3 ± 0.01. В отсутствие разряда ph = 0.35 ± 0.05. Сделан вывод о том, что эмиссионные свойства холодных катодов в газовом разряде определяются адсорбцией рабочего газа поверхностью катода и имплантацией рабочего газа в катод. С учетом этого пересмотрен вклад фотоэмиссии в ток разряда.

Показано, что во всех благородных газах в нормальном и слабо аномальном разрядах при диаметре катода dc lc (lc — длина области катодного слоя) разряд носит преимущественно фотоэлектронный характер.

В легких благородных газах фотоэлектронный характер разряда сохраняется и для глубоко аномального разряда. С учетом имплантации атомов в катод рассчитана зависимость от энергии коэффициента кинетической и потенциальной эмиссии для атомов гелия и проведено сравнение с имеющимися данными.

Оценено влияние имплантации на величину в вакууме.

PACS: 79.60.-i Введение из-за увеличения работы выхода. Кинетическая эмиссия, вызванная быстрыми тяжелыми частицами, наоборот, Изучению эмиссионных свойств катодов в услови- усиливается и, более того, существенно снижается ее ях газового разряда всегда уделялось большое внима- энергетический порог благодаря обменному взаимодейние. Однако, несмотря на более чем вековую историю ствию частиц одного сорта. Радикальные изменения развития представлений о холодной эмиссии, которая претерпевает фотоэмиссия под действием резонансного поддерживается благодаря бомбардировке катода тяжеизлучения рабочих атомов. В условиях газового разряда лыми частицами (атомами и ионами) и фотонами, до она проходит в два этапа. Сначала происходит поглощесих пор считается, что эмиссия в условиях газового ние резонансных фотонов имплантированными в катод разряда принципиально непредсказуема [1,2]. Это вызваили адсорбированными его поверхностью атомами рано сильной чувствительностью эмиссионных свойств к бочего газа при поверхностной плотности, значительно конкретным условиям эксперимента. Поэтому согласие меньшей, чем в монослое. Затем происходит быстрая между экспериментом и результатами расчета в разряде, дезактивация возбужденных атомов в оже-процессах с например, в гелии [3] или аргоне [4], достигается при ковыходом электронов. В результате для резонансного эффициентах эмиссии под действием тяжелых частиц h излучения атомов гелия коэффициент эмиссии ph мои фотонов ph, значительно отличающихся от измеренжет возрасти на порядок по сравнению с чистыми ных в вакууме [1,4,5] или полученных при обработке материалами.

экспериментальных данных по пробою или функциониС учетом вышесказанного дальнейшее исследование рованию разряда в области нормального горения [1,6].

эмиссионных свойств холодных катодов в условиях гаБолее того, и эти данные, полученные и используемые зового разряда является актуальной задачей. Первостеразными авторами, имеют широкий разброс и могут пенное значение приобретают прямые измерения коэфпринципиально отличаться друг от друга как в разряде в фициентов эмиссии и экспериментальные исследования, аргоне [4,7,8], так и в гелии [3,9].

подтверждающие или опровергающие предложенную Иной подход к проблеме эмиссионных свойств хомодель состояния поверхности катода. Имплантация лодных катодов в газовом разряде был продемонстрирабочих атомов в приповерхностный слой оказывает рован в [10,11], где было показано, что коэффициеннаибольшее влияние на фотоэмиссию. Поэтому прямое ты h и ph определяются имплантацией рабочих частиц, измерение ph может служить чувствительным методом ускоренных в области катодного падения потенциала определения состояния поверхности и вычисления на (КПП), в поверхностный слой катода. В результате потенциальная эмиссия, осуществляемая под действием этой основе коэффициентов h. Этим задачам посвящена медленных ионов и возбужденных атомов, ослабляется данная работа.

110 П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский 1. Измерение ph оптогальваническим переходу с = 2058 nm. Из (1), (2) получаем выражение для расчета величины ph методом q h Основная идея эксперимента заключается в том, ph =. (3) e wRs(1 - ) чтобы ввести в область разряда в гелии стороннее оптическое излучение с контролируемой мощностью В (3) кроме фундаментальных констант входят непо(энергией), которое вызывало бы дополнительную фосредственно измеряемые в эксперименте q и w. Дотоэмиссию с катода. Наличие корреляций между интенля Rs вычисляется исходя из геометрии подсветки, сивностью фотоподсветки и величиной тока (оптогаль определяется из соотношения времен жизни по реванический эффект) позволяет однозначно определить зонансному переходу и переходу с = 2058 nm. Последроль фотоэмиссии в балансе тока разряда и вычисние, в свою очередь, зависят от вероятностей соответлить ph. При низком и среднем рабочем давлении гелия ствующих спонтанных переходов и реабсорбции излуче(PHe < 10 Torr) фотоэмиссия происходит в основном ния, влияние которой определялось по Холстейну [12] под действием резонансного излучения в вакуумном для больших k0 и из работы [13] для малых k0 (k0 — ультрафиолете (ВУФ) на переходе 21P0-11S0 (рис. 1).

коэффициент поглощения в центре соответствующей Кроме резонансного состояния (RS) в газовом разрялинии).

де значительную населенность имеет метастабильное При малых токах, когда населенность уровня 21Sсостояние (MS) 21S0. Если осветить объем импульсным излучением, соответствующим переходу 21S0-21P0 невелика, измерение w, проводимое калориметрическим методом, затруднительно. В этом случае из измере( = 2058 nm), то часть населенности состояния 21Sперебрасывается на уровень 21P0. Тем самым можно из- ний поглощения 01 на переходе 21S0-21P0 вычисляется 1 менить интенсивность излучения на линии = 58.4nm населенность Nms уровня 21S0 при допплеровском ушии газоразрядный ток. рении линии = 2058 nm:

Количество электричества, переносимое в импульсе 01 = k0l = 1.1 · 10-11Nms l, (4) тока i(t), выражается формулой где l — длина области поглощения. Затем в услоq = i(t)dt. (1) виях полного спектроскопического просветления, при котором в соответствии со статистическими весами 3/4 населенности уровня 21S0 перебрасывается на 21P0, С другой стороны, q = e ne, где e — заряд элекизмеряется оптогальванический сигнал согласно (1) и трона, ne — количество электронов, эмитированных из вычисляется ph. При промежуточных токах измерения катода под действием дополнительного излучения на проводились по обеим методикам.

= 58.4 nm, возникающего после переброски атомов с уровня 21S0 в состояние 21P0. Величина ne связана с поглощенной энергией w на переходе с = 2058 nm 2. Экспериментальная установка соотношением ne = wphRs (1 - )/h, (2) Эксперименты проводились с газоразрядными ячейками трех типов. Разряд при токах, близких к нормальгде Rs — доля ВУФ-излучения, перехватываемого катоным, и слабо аномальный разряд изучались в ячейке с дом; — доля фотонов, переизлученных из RS в MS;

диаметром кварцевого канала 2.7 cm (рис. 2, a). В нем h — энергия кванта с частотой, соответствующей вплотную к стенке располагался катод длиной 7.5 cm из стальной фольги толщиной 0.05 mm. На расстоянии l = 2.5 cm от катода помещался анод из Mo-сетки с размером ячейки 2 2 mm и геометрической прозрачностью µ = 0.85. Анод устанавливался перпендикулярно оси трубки. Лазерный луч ограничивался диафрагмой до диаметра 7.5 mm и направлялся по оси газоразрядной трубки. Его также можно было направлять поперек ячейки с целью измерения методом поглощения населенности уровня 21S0 в пространстве между катодом и анодом в области положительного столба. С учетом поглощения по оси трубки в результате можно было вычислять населенность уровня 21S0 и внутри катода.

Для измерения ph в глубоко аномальном разряде использовалась ячейка, изображенная на рис. 2, b. Разряд осуществлялся между плоским катодом из нержавеющей стали диаметром dc = 2.5 cm и сетчатым анодом с диаРис. 1. Схема рабочих уровней и переходов атомов гелия. метром перфорированной части 1.25 (первый вариант) Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Состояние поверхности и эмиссия электронов с холодных катодов в вакууме и в тлеющем разряде... Все эксперименты проводились в тщательно обезгаженных ячейках при слабой прокачке гелия марки ВЧ ( 1cm3/s), дополнительно очищаемого охлаждаемой жидким азотом ловушкой из активированного угля.

3. Измерения ph в гелии Типичные картины влияния импульсного излучения лазера с = 2058 nm на ток в любой газоразрядной ячейке качественно совпадают (рис. 3). В первый момент воздействия лазерного импульса наблюдается рост тока, начало которого совпадает с началом излучения лазера.

Затем, в зависимости от газоразрядных условий, через t1 = 50-150 ns начинается спад тока, который пересекает уровень первоначального постоянного тока через t = 0.8-3 µs с дальнейшим падением тока. Минимум тока достигается через t2 = 3-6 µs. Амплитуда тока в пике t2 может составлять до 20% от амплитуды пика t = t1 в обычном тлеющем разряде и до 30% в открытом Рис. 2. Конструкция ячеек для: a — нормального и слабо разряде. Исчезновение воздействия излучения лазера аномального разряда; b — глубоко аномального разряда;

c — открытого разряда (C —катод; A —анод; CE — коллек- на ток происходит через 70-80 µs после импульса тор электронов). света. Амплитуда тока в пике t1 также зависит от газоразрядных условий и может превышать величину постоянного тока через ячейку (рис. 4). Постоянная вреили 2.7 cm (второй вариант). Характерный размер отвермени нарастания тока на переднем фронте (до относистий в аноде соответственно — 0.4 или 2 mm, геометтельной величины 1- exp(-1) =0.63) наименьшая при рическая прозрачность µ = 0.85, расстояние катод–анод повышенных давлениях при освещении ячейки вдоль ее l = 2 cm. Измерения проводились в том числе и при оси перпендикулярно катоду в тлеющем и открытом повышенном рабочем напряжении U 1 kV в условиях, разрядах и составляет 25 ns. Наиболее медленный когда генерировался электронный пучок (ЭП). Заторморост наблюдается для разряда в ячейке № 1 (аналог женные за анодом в области дрейфа электроны собираполого катода). При освещении сбоку излучением в лись коллектором, по конструкции идентичным катоду в виде полоски шириной 2 mm наиболее быстрый рост трубке рис. 2,a и расположенным (передняя кромка) на наблюдается при максимальном сближении освещенной расстоянии 2 cm от анода. Как и в предыдущем случае, области с катодом, а наибольшая амплитуда сигнала — луч лазера можно было направлять вдоль и поперек на границе катодного темного пространства и отрицатрубки, внутренний диаметр которой составлял 2.7 cm.

тельного свечения.

При среднем давлении PHe 10 Torr измерения ph Полученные результаты объясняются следующим обвыполнялись в кювете открытого разряда (рис. 2,c). Раз- разом. Воздействие лазерного излучения переводит аторяд осуществлялся между катодом из нержавеющей ста- мы гелия из состояния 21S0 на уровень 21P0. Повышение ли с dc = 1.6 cm и сетчатым анодом, расположенным на l = 1 mm, с диаметром перфорированной части 1.25 cm с µ = 0.85 с характерным размером отверстий 0.2 mm.

Рабочее напряжение U = 1-5 kV. Коллекторная часть была устроена так же, как и в предыдущем случае.

Для измерения ph в отсутствие разряда использовалась методика, подробно описанная в работе [14].

Для измерения населенности уровня 21S0 и модуляции населенности состояния 21P0 использовалось излучение лазера на самоограниченном переходе гелия 21P0-21Sс = 2058 nm. Лазер накачивался ЭП, генерируемым открытым разрядом [15] в кювете длиной 8 и диаметром 1.5 cm. Накачка осуществлялась при поперечной инжекции ЭП длительностью 20-25 ns и амплитудой до 700 A на частоте следования импульсов 500 Hz.

Рис. 3. Осциллограммы ОГС при воздействии излучения Измерение средней мощности гелиевого лазера провогелиевого лазера (1 — направление перпендикулярно оси дилось калориметром. Для измерения 01 использоваячейки; 2,3 — направление по оси ячейки). 1 —АТР i = 6.5, лись припороговые режимы генерации, когда излучение PHe = 7; 2 —АТР i = 5 PHe = 1.6; 3 — разряд в полом катоде сосредоточено в центре линии.

i = 5mA PHe = 1.6Torr.

Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 112 П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский Определенное влияние на величину пиков i1 и iоказывает размножение дополнительных фотоэлектронов в области КПП. Однако из-за инерционности ионов и поляризации образующейся плазмы этот процесс увеличения тока развивается гораздо медленнее, чем оптогальванический эффект. Тестирование измерения скорости процессов размножения проводилось путем модуляции постоянного напряжения прямоугольными импульсами с фронтом нарастания 50 ns и такой длительности и амплитуды, при которых новое квазистационарное значение тока было равно амплитуде в пике t1. Для этого амплитуда дополнительного импульса в слабо аномальном разряде, в зависимости от условий возбуждения, составляла 10-20 V. Постоянная времени роста тока в этом случае оказалась равной 1.8-2 µs, что в 20-80 раз медленнее, чем постоянная времени роста Рис. 4. Зависимость отношения амплитуды оптогальваничеОГС. Следовательно, влияние размножения на амплитуского сигнала к току разряда (разряд в полом катоде) i(t1)/iду тока в пике t1 составляет 1.5-4%. Более заметно от i0. 1 — PHe = 1.2, 2 —1.6 Torr.

(уменьшает до 2 раз) размножение влияет на второй пик. Отсюда можно заключить, что до половины тока фонаселенности 21P0 вызывает рост мощности спонтантоэмиссии реализуется благодаря процессам генерации ного излучения на линии = 58.4 nm и соответственВУФ-излучения с участием MS. В сильно аномальном и но ток фотоэмиссии с катода. Затягивание переднего открытом разрядах, когда размножение в области КПП фронта оптогальванического сигнала (ОГС) ( 25 ns при лишь частично определяет вольт-амперную характериповышенных давлениях) по сравнению с длительностью стику (ВАХ) разряда [3], его влияние на ОГС меньше, лазерного импульса ( 10 ns по полувысоте) объяснячем в слабо аномальном разряде.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.