Чистяков Ч3

возбуждающего эмиссию, и его длительности. Эти зависимости даны на рис. 2 и 3. При возрастании этих факторов эмиссия вначале увеличивается, но затем наступает насыщение; таким образом, для получения насыщенной эмиссии необходим определенный минимальный электрический заряд, прошедший через газ. Этому заряду отвечает определенное количество фотонов, возникшее в разряде и поглощенное исследуемой поверхностью. Если при измерениях использовать заряд равный или больший «заряда насыщения», то имеется возможность во всех случаях измерять насыщенную эмиссию. Например, по данным рис. 2 для никелевой поверхности в аргоне при давлении 4 мм рт.ст. «заряд насыщения» составляет

около 10-7 Кл/см2 .

Наблюдается зависимость эмиссии от времени после прекращения тока разряда. Для рассматриваемой послеразрядной эмиссии характерна спадающая зависимость эмиссионного тока от времени t .

Начиная с момента прекращения действия фактора, возбуждающего эмиссию,

t0 , последняя изменяется по закону

зависимость, измеренная после прекращения действия возбуждающего фактора, в данном случае импульса электрического тока в газе. Эмиссия уменьшается за время от 10 c до нескольких суток в зависимости от структуры поверхностного слоя исследуемого образца. При отсутствии эмиссии измеряемый ток в газе является фоновым током Iф , который вызывается действием космического излучения и

радиоактивных источников Земли. Этот фон очень мал (10−18 −10−20A/cм2 ) и в пределах времени измерения эмиссии в среднем не изменяется.

Экзоэлектронная эмиссия, в том числе и послеразрядная, имеет характерную температурную зависимость, которая показана на рис. 5. До температуры около 50°С эта зависимость обычно мала и ее при измерениях можно не учитывать.

11

Рис. 2. Ток послеразрядной эмиссии в зависимости от плотности тока разряда, возбуждающего эмиссию, при различных его длительностях (Ar , 4 мм

рт.ст., никелевые электроды): 1 - t = 0 с; 2 - t = 0,2 c

Рис. 3. Ток послеразрядной эмиссии как функция длительности и силы тока, возбуждающего разряда:

12

Рис. 4. Зависимость послеразрядной эмиссии от времени после прекращения возбуждающего разряда

Рис. 5. Температурная зависимость экзоэлектронной эмиссии

13

Эмиссия зависит также от электрического поля [8] . Ток эмиссии растет в зависимости от напряжения согласно соотношению

где a1 - константа; U0 - напряжение, начиная с которого эмиссия наблюдается. Выбор поля определяется используемым методом измерения. При многочисленных опытах, проведенных в рассматриваемой ниже серии работ, электрическое поле при измерениях составляло около 103 В/см и было неизменным в пределах данной работы.

3. Метод измерения эмиссии

Экзоэлектронная эмиссия обычно очень мала (10−12 −10−20A/cм2 ) и чаще всего измеряется методом счета электронов в газе и методом вторичноэлектронного усиления в вакууме. При достоинствах этих методов имеются и следующие недостатки:

а) метод вторично-электронного усиления не является простым и может быть осуществлен при использовании умножителей с огромным коэффициентом

усиления 107 −108 , а так же усилителей постоянного тока; б) метод счета электронов в газе прост, обладает большой

чувствительностью, однако из-за своих особенностей применим для промежутков с сильно неоднородным полем (системы электродов острие - плоскость, нить - цилиндр и др.) и основан на использовании смесей газа и органического пара. Добавление паров органических веществ в ряде случаев нежелательно или даже недопустимо из-за их адсорбции на металлах, возможности диссоциации в разряде на более активные составные части, которые будут взаимодействовать с излучаемой поверхностью и изменять ее. Метод, лишенный этих недостатков, основан на измерении статистического времени запаздывания электрического про боя в газе. Могут быть использованы инертные газы (Ne, Ar) , которые при обычных условиях не адсорбируются поверхностью твердых тел и ее не изменяют.

Полное время запаздывания пробоя tз - это время, протекающее от фронта прямоугольного импульса напряжения, накладываемого на разрядный промежуток, до момента, когда развивается тлеющий разряд с заданной силой тока (рис.6).

14

Рис. 6. Определение статистического времени запаздывания пробоя газа: Uпр.ст. - статическое напряжение пробоя газа; Uтл. - падение напряжения на

сформировавшемся тлеющем разряде

15

Это время состоит из статистического запаздывания пробоя и времени формирования разряда

(5)

где tС - время ожидания появления электрона, вызывающего пробой газа, при напряжении на промежутке, превосходящем статическое напряжение пробоя UC, определяемое кривой Пашена; tФ - время, протекающее с момента появления этого

электронов в секунду, которые возникают в газе промежутка или выходят из катода; W - вероятность того, что первичный электрон создаст лавину, вызывающую пробой.

*[Соответствующие литературные источники даются в работе [7]].

Расчет показывает, что вероятность W стремится к единице при достаточном

соотношения (6), отсюда, измеряя запаздывание пробоя, одновременно получают и статистическое запаздывание пробоя.

16

промежутки времени Т. Очередной импульс тока указывает на возникший пробой, т.е.

раз через интервалы Т. Воспроизводимость процесса обеспечивается тем, что возникший кратковременный тлеющий или таунсендовский разряд в инертном газе не оказывает существенного влияния на исследуемую поверхность. Для этого величина электрического заряда, протекающего через газ, не должна сильно превосходить заряд

определяют соответствующую точку зависимости эмиссии от времени, показанную на рис. 4. Минимальный интервал определяется малыми токами деионизации, протекающими в газовом промежутке после снятия напряжения. Ток эмиссии может быть правильно измерен лишь в том случае, если ток деионизации уменьшился до фонового тока. Для целей уточнения методики измерения были проведены специальные исследования малых электронных токов, протекающих в инертном газе после тлеющего разряда [10]. Исследовались аргон, неон и смесь - неон + 1% аргона. Результаты исследований приведены на рис. 7. По истечении времени в 1 с токи деионизации в основном исчезают. Время от 1 до 10 с можно брать для инертных газов в качестве минимального интервала между последовательными измерительными импульсами. Таким образом, первое измерение эмиссии при этом способе можно производить по истечении от 1 до 10 с после окончания импульса тока, возбуждающего эмиссию.

17

Длительность процесса измерения зависит от желаемой точности. Согласно соотношению (10) при 10 измерениях относительная ошибка составляет 32%, при 100 измерениях - 10% и т.д. Систематическую ошибку измерений, составляющую в этих условиях около 10%, дает обратная диффузия электронов к катоду в среде газа [11].

Полное измерение при интервалах в 1 с занимает соответственно от 10 до 100 с, а при интервалах в 10 с - от 100 до 1000 с. Измерение полной

зависимости tc = f (t) включающее, например, точки 10, 30 и 90 с при 30

измерениях tc , для каждой точки, занимает несколько более 1 ч. Рассматриваемый метод определения тока эмиссии по статистическим запаздываниям пробоя газа целесообразно применять только при использовании инертных газов (Ne , Ar). Слаботочный разряд в инертных газах в процессе измерений практически не изменяет состава поверхностных слоев, эмиссия из которых подвергается исследованию. Одновременно следует сказать, что соответствующий разряд в неинертных газах влияет на изучаемую поверхность и систематически ее изменяет в процессе измерений.

Выбор давления инертных газов для измерений эмиссии производится из того

где ( pd)мин - величина рассматриваемого параметра для минимума кривой Пашена

эмитируемыми катодом в область с наибольшим электрическим полем, т.е. в основном промежутке, а не на его краях.

Верхний предел pd определяется тем требованием, что бы возникший слаботочный разряд создавал бы равномерное об лучение исследуемой поверхности фотонами резонансного излучения для образования на всех ее участках насыщенной электронной эмиссии. При более высоком давлении газа область катодного падения и отрицательного тлеющего свечения – основная область образования фотонов резонансного излучения в тлеющем разряде уменьшится в объеме и приблизится к изучаемой поверхности, если последняя является катодом, что создает неравномерное

19

облучение поверхности фотонами и не обеспечивает получения насыщенной эмиссии со всех участков этой поверхности.

На рис. 8 показано правильное расположение (а) отрицательного тлеющего свечения в промежутке, когда удовлетворяется условие (12), а также неправильное его расположение (б) при возбуждении эмиссии тлеющим разрядом при более высоком давлении газа.

Кроме того, при высоких давлениях газа увеличение плотности тока тлеющего разряда приводит к усилению воздействия этого разряда на участке изучаемой поверхности в процессе измерения, что может привести к ее изменению.

Для одновременного выполнения соотношений (6) и (8) требуется достаточное перенапряжение измерительного им пульса. Зависимость времени формирования разряда в неоне и аргоне от перенапряжения в широком диапазоне от 4 до 400% была измерена в работе [12]. Результаты этого исследования приведены на рис. 9. Время формирования tф резко уменьшается с увеличением перенапряжения и составляет в

использовались результаты предыдущих работ [13].

Как указано выше, метод измерения экзоэлектронной эмиссии по статистическим запаздываниям, пробоя является очень чувствительным. Этим методом можно измерять и другие виды эмиссий, как, например, термоэлектронную, фотоэлектронную, автоэлектронную, а также остаточные токи за счет процессов в газовом промежутке. При измерении экзоэлектронной эмиссии все другие виды эмиссии должны быть пренебрежимо малы, т.е. измерения следует проводить при температуре, не превышающей обычную комнатную, полном затемнении и внешнем

электрическом поле, не превосходящем 104 В/см.

20