книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

никает. В последнем случае суммарная энергия вакансии и светового кванта становится достаточно большой для возбуждения эмиссии

t v + nu > ф .

Механизм диффузии вакансий, объясняющий природу экзоэлектронной эмиссии, получил развитие в дальнейших работах [45, 71-73]. Особенно интересна работа [71], в которой сопоставляются изменения во време ­ ни экспериментально найденной интенсивности экзоэлектронной эмиссии

пренебрежимо малы по сравнению с предыдущими членами, то эмпири­

но не учитывают, что для возбуждения экзоэлектронной эмиссии необ­ ходимо постоянное присутствие кислорода. Поэтому в последующих ра ­ ботах [ 25, 74], в которых проверялась эта гипотеза, подвергается сомнению механизм переноса вакансий как основной фактор, объясня­ ющий экзоэлектронную эмиссию. Было отмечено, что скорость з а т у х а ­ ния экзоэлектронной эмиссии обусловлена взаимодействием окружающего газа с поверхностью металла, и кинетика экзоэлектронной эмиссии опре­ деляется не дрейфом вакансий, а адсорбционно-окислительными процес­ сами. Поэтому для объяснения механизма экзоэлектронной эмиссии предложена компромиссная гипотеза, по которой вакансии дрейфуют к поверхности и, достигнув ее, становятся центрами адсорбции или окис­ ления [45] При этом высвобождается потенциальная энергия, связан-

10

ная с вакансией. Но такая точка зрения возвращает нас к гипотезе хемоэмиссии с той лишь разницей, что вакансия оказывается инициа­ тором окислительного процесса.

Другой подход к решению вопроса о взаимосвязи экзоэлектронной эмиссии и деформационных дефектов, возникающих после механической обработки металлов, намечен в работах [75-78]. Показано, что дефор­

возникнуть после деформации в связи с уменьшением работы выхода. После деформации со временем происходят упорядочение кристалличе­ ской решетки металла, дрейф к поверхности и аннигиляция вакансий;

обнаружили эмиссию фотоэлектронов в длинноволновой области за крас ­

передаться путем прямого взаимодействия (подобного оже-эффекту) ка ­

11

Механизм оже-рекомбинации хорошо объясняет также максимумы на кривых термовысвечивания экзоэлектронов, затухание эмиссии и влияение подсветки. Поэтому все чаще исследователи склоняются в пользу этой гипотезы при изучении экзоэлектронной эмиссии с ионных кристаллов [84,85], хотя для окончательных выводов требуется еще экспериментальная проверка. Что же касается результатов Грунберга и Райта, полученных для металлов, то они оказались ошибочными. Впоследствии было доказано, что длинноволновые максимумы фото­

электронной эмиссии обусловлены незначительным пропусканием фильт­ ров в области ближнего ультрафиолета [86І. Ряд экспериментов не обнаружил эмиссии на длинах волн свыше 4000 К [34,36,87,881.

низма экзоэлектронной эмиссии только на ионных кристаллах. Тем не

стимулировать нагревом либо длинноволновой подсветкой. Было обра­ щено внимание и на то, что если кристалл обладает экзоэлектронной активностью, то он является и люминофором. Но не все люминофоры способны эмиттировать экзоэлектроны. Естественно, что сходство этих двух явлений навело на мысль об их аналогичной природе.

Когда в изучении экзоэлектронной эмиссии делались первые шаги, люминесценция была изучена глубже. Поэтому не удивительно, что большая часть исследований велась в направлении параллельного изу­ чения и сопоставления эффекта Крамера и люминесценции, а основны­ ми объектами исследований служили некоторые окислы и кристаллы NaCl, AgCl, CaF, [89-99].

В настоящее время гипотеза общности центров захвата, ответст­ венных за люминесценцию и экзоэлектронную эмиссию, подвергается сомнению. Для фосфоров на основе CaSO,, и SrSCu можно считать твердо доказанным, что эти центры имеют разную природу, хотя и создаются одним и тем же активатором [100-103]. Установлено [91], что необходимым условием для возбуждения экзоэлектронной эмиссии является фотохимическое окрашивание кристаллов, например, с помо­ щью рентгеновского или ультрафиолетового излучения. Без фотохими­ ческого окрашивания экзоэлектронная эмиссия с ионных кристаллов не наблюдается ни при нагревании, ни при облучении видимым светом. В ряде работ показано [15,91,97], что центрами экзоэлектронной эмиссии в ионных кристаллах являются объемные центры окраски в приповерх­ ностных слоях. Особая роль здесь отводится F -центрам [99] , энерге­

тическое состояние которых зависит от дислокаций L 97І С увеличением

12

Глава IT.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДЕТЕКТОРАХ. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ВЫБОРЕ ДЕТЕКТОРА

Природа экзоэлектронной эмиссии не может быть познана, пока не будет предложена физическая модель, которая не только даст удовле­ творительное качественное описание эффекта, но и' подтвердит его к о ­ личественные характеристики.

При теоретическом обобщении результатов многочисленных экспе­ риментальных исследований экзоэлектронной эмиссии приходится стал ­ киваться с трудностями сопоставления данных различных исследовате­ лей. Причины этих затруднений заключаются в том, что пока нет еди­ ной общепринятой методики экспериментов, что зачастую не контроли­ руются параметры, влияющие на интенсивность и кинетику экзоэлектрон­

решающее значение имеют конструкции и режим работы регистрирующе­ го устройства, которое само может оказывать влияние на детектиру­ емый процесс. Возникает своего рода обратная связь: эмиссия вызы ­

14

его величину до 10"14 а. Для регистрации меньших токов приходится использовать методы ядерной физики. Но в ядерной физике элементар­ ные частицы обладают большими энергиями и вызывают значительный ионизационный эффект в веществе детектора, а энергия экзоэлектронов составляет единицы и даже доли электронвольта. В связи с этим т е х ­ ника регистрации экзоэлектронной эмиссии имеет свою специфику.

1. Регистрация с помощью газоразрядных счетчиков

Газоразрядный счетчик в простейшем случае представляет собой объем, заполненный газом, в который помещены два электрода. Элек­ трон, попавший в промежуток между этими двумя электродами, будет дрейфовать против силовых линий электрического поля, испытывая большое число соударений с молекулами газа. Длина пути свободного пробега между двумя соударениями зависит от состава газа, его д а в ­ ления и температуры. При достаточно большой напряженности электри­

иона. Дрейфуя дальше к аноду, электроны создают новые электронноионные пары, число которых лавинообразно нарастает. Процесс разви­ тия такой лавины описывается коэффициентом ударной ионизации а, который определяется числом соударений электрона с молекулами газа на 1 см пути в направлении электрического поля. При некоторых упро­ щающих предположениях [120-122]

дрейфуют к катоду. Их энергия практически не превышает средней энер­ гии теплового движения нейтральных молекул газа . Увеличение числа

где X - расстояние от анода, с которого начинается ударная ионизация. Счетчик с однородным полем имеет тот недостаток, что коэффици­

ент газового усиления зависит от места влета электрона. В счетчике с неоднородным полем область высоких напряженностей поля сосредо­ точена вблизи электрода с большей кривизной и ударная ионизация

15

происходит только в узкой части пространства, окружающего этот электрод. Для счетчика с цилиндрической или сферической формой

возникновения электронно-ионной лавины (так называемые первичные таунсендовские явления) можно ограничиться при небольших напряже­

счетчика. В результате фотоэффекта из катода вырываются новые элек ­

раз меньше скорости дрейфа электронов. Ионы постепенно экранируют анод от внешнего поля. При этом напряженность поля снижается. Ког - ,да она станет меньше предельного значения, необходимого для удар­ ной ионизации, электронно-фотонные лавины прекратятся.

Осевшие на катоде положительные ионы, обладая большой потен­ циальной энергией, могут вырвать новые электроны. Так как простран­ ство вблизи анода уже очистилось от ионов и стала возможной удар­ ная ионизация, серия электронно-фотонных лавин и весь цикл повторя­ ются снова. Счетчик переходит в режим самостоятельного разряда. Разность потенциалов, при которой разряд приобретает характер само ­ стоятельного, называется напряжением зажигания.

Рассмотрим счетчики с формой электродов в виде коаксиальных цилиндров или концентрических сфер, анодом в которых является элек­ трод с меньшим радиусом. В этом случае ионизационные явления про­ исходят вблизи анода и при некоторых условиях вокруг него может возникнуть свечение - коронный разряд. В счетчиках Гейгера попада­ ние электрона или ионизирующего излучения в газоразрядный промежу­ ток вызывает вспышку коронного разряда.

16

Л\сжду областью напряжений, соответствующей пропорциональному газопому усилению, и напряжением зажигания находится область огра­ ниченной пропорциональности, где из -за вторичных явлений нет стро­ гой пропорциональности между полным зарядом в лавине и числом электронов, одновременно начинающих процесс газового усиления. Обоз­ начим через у вероятность вырыва одного электрона из катода за счет вторичных процессов, рассчитанную на одну пару ионов в лавине.

их сплавов. Переход от пропорциональной области к области коронного разряда соответствует более широкому интервалу напряжений при на­ полнении счетчиков многоатомными газами и парами, чем при исполь­ зовании одноатомных и двухатомных газов. Поэтому счетчик с медным катодом, наполненный метаном, работает' устойчивее и позволяет полу­ чить большее газовое усиление в области ограниченной пропорциональ­ ности, чем алюминиевый счетчик с аргоновым наполнением. Особую сложность вызывает присутствие в атмосфере счетчика молекул, обла­ дающих большим коэффициентом прилипания электронов (кислород, пары воды и т . п . ) . Образовавшиеся отрицательные ионы неспособны произ­ вести ударную ионизацию, поэтому мощность лавины уменьшается и счетчик может оказаться нечувствительным к влетающим в него мед ­ ленным электронам.

короны. Первичные и вторичные таунсендовские явления представляют

! Ч И Т А Л Ь Н О Г О З А Л А

могут намного отличаться от средних. Следовательно, при небольших перенапряжениях коронный разряд может самопроизвольно погаснуть. Интервал перенапряжений, при которых корона неустойчива, зависит от состава газа . Для одноатомных и двухатомных газов он составляет всего несколько вольт, а для многоатомных газов и паров - несколько десятков вольт.

Счетчики могут работать в режимах как устойчивого, так и неустой­ чивого коронного разряда. Соответственно различают несамогасящиеся

на), при которой становятся невозможными фотоэффект и потенциальное вырывание электронов на катоде. Подробнее с механизмом гашения раз ­ ряда можно ознакомиться в работах [120-122]-

Основными параметрами счетчиков Гейгера являются рабочее напря­

сти счета импульсов от напряжения на счетчике при неизменных усло­ виях облучения. Счетчики Гейгера должны иметь на счетной характе­ ристике плато пологий участок, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения. Плато позволяет легко проводить устойчивые

Применение промышленных торцовых счетчиков. Промышленные г а з о ­ разрядные торцовые счетчики бета-излучений имеют корпус преимуще­ ственно цилиндрической формы, изготовленный из стекла или пластмас­ сы, и слюдяное входное окошко, расположенное на торце. Герметич­ ный объем счетчика заполняется газовой смесью, обеспечивающей с а м о ­ гашение разряда. При работе счетчика гасящая добавка разлагается и его параметры меняются. В связи с этим вводят еще одну характери­ стику - срок службы, или ресурс работы, выражаемый числом импуль­ сов, которые могут быть сосчитаны до существенного изменения свойств

ки с материалом катода, изготовляемого из нержавеющей стали или напыленных на корпус пленок меди, олова и т.п. Гарантируемый срок хранения счетчиков не превышает 12-18 месяцев, после чего счетчик часто непригоден к работе.

Счетчики серии СИ-2Б, СИ-ЗБ,. СИ-5Б, МСТ-17 - импульсные, тор­ цовые, с органической гасящей добавкой, стеклянным корпусом, круг­ лым слюдяным окном площадью от 2,5 до 12,5 см' и плотностью 2,6-

18

чиков - Т-25-БФЛ, Т-50-БФЛ и Т-60-БФЛ - при сходных прочих пара­

зон рабочих температур и возможность работы в импульсном и токовом

ра за единицу для электронов, прошедших через окно. На самом деле это число будет существенно меньше изза эффекта прилипания элек ­ трона к электроотрицательным компонентам газовой смеси и просче­ тов, обусловленных конечной величиной разрешающего времени счет ­ чика.

Итак, устройство, регистрирующее экзоэлектроны, при использовании промышленного торцового счетчика должно представлять собой комби­ нацию этого счетчика с ускорителем. Таким ускорителем может слу­ жить сетка, находящаяся под высоким положительным потенциалом от ­ носительно образца и размещенная между ним и счетчиком. Ускорен­

емом напряжении ускорителя опыт необходимо проводить в вакуумной камере при давлении не более Ю - 4 мм рт.ст. Ввод высокого напряже­ ния, возможность пробоев межэлектродных промежутков усложняют опыт. Для снижения напряжения необходимо отбирать счетчики с наи­ меньшей толщиной слюдяного окна. Поскольку промышленные счетчики

пользуя при этом специальный счетчик со стеклянным окном толщиной

19