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

кого ускоряющего напряжения, частый выход детектора из строя за счет разрушения при откачке слюдяного окна и утечки газов-наполни­ телей, заряжение слюды при длительной бомбардировке электронами усложняют использование метода. Для снятия статического заряда со слюды ее покрывают тонким слоем алюминия. Такое алюминирование слюды полезно еще и тем, что счетчик теряет чувствительность к фо­ тонам темнового разряда, который, как уже говорилось, может само­ произвольно возникнуть в вакуумной камере.

Измерения по приведенной методике не являются абсолютными, а возможность ложного счета (кванты тормозного излучения, фотоны

бавиться от многих перечисленных недостатков. Для этой цели исполь­ зуют счетчик с открытым окном.

Регистрация открытыми проточными счетчиками Гейгера. Для реги­ страции мягкого бета- и гамма-излучения, сильно поглощаемого слю­ дой, используют счетчики с открытым окном, например СОТ-25-БФЛ [126] . Поскольку воздух является неудачным наполнителем для счетчи­ ков Гейгера, то рабочий объем после помещения в него образца и г е р ­ метизации продувают газовой смесью. Для детекторов типа СОТ реко­ мендуется смесь гелия с парами этилового спирта, при этом начальное

ствами катода, то на характер газового разряда оказывает большое влияние

20

Рис. 2. Схема проточного ост— рийного воздушного счетчика [127]

1 - изолирующая пробка из оргстекла; 2 - острийный воздушный счетчик; 3 - рубаш­ ка водяного охлаждения; 4 - нагревательное устройство; 5 - охлаждение держателя об­

ство насыщения гасящими па ­

присутствие катода - образца. Требования к надежной герметизации рабочего объема можно значительно снизить, если непрерывно продувать рабочую смесь под небольшим избыточным давлением по сравнению с атмосферным.

Схема экспериментальной установки с непрерывной продувкой с м е ­ си показана на рис. 2. В качестве смесей применяются гелий + метан,

емых гасящих добавок зависят не только напряжение начала счета, протяженность и наклон плато, но и эффективность детектора, его р а з ­ решающее время, а также временной ход экзоэлектронной эмиссии. Е с ­ ли в состав молекул гасящей компоненты входят галогены, то эффек­ тивность счета снижается и может даже упасть до нуля. Влияние на счет объясняется адсорбцией паров на поверхности образца, что значи­ тельно увеличивает работу выхода, и прилипанием электронов к молеку­ лам гасящих добавок, что делает маловероятной или даже невозможной ударную ионизацию [129].

Оседание положительных ионов на поверхности образца при работе счетчика может различно влиять на экзоэлектронную эмиссию. С одной стороны, положительные ионы на поверхности образуют локальные по­ нижения работы выхода и стимулируют эмиссию, с другой стороны,

ную эмиссию с образца. Влияние ионов, генерируемых счетчиком, будет ослаблено, если образец отделить от детектора сеткой с небольшим

21

в

Рис. 3. Проточные торцовые счетчики

а - острийный счетчик [130]; 6 - сферический счетчик с петлевым анодом [131] ; 1 - держатель анода; 2 - отверстие для впуска газа; 3 - платиновый анод; 4 - сетка (диафрагма), закрывающая торец; 5- корпус-катод; 6 - линза для фокусировки света на образце

уменьшает вероятность возникновения автоэлектронной эмиссии с образ­ ца, так как в данном случае он экранируется от высокого анодного напряжения.

Для регистрации экзоэлектронной эмиссии можно использовать не только острийные счетчики с цилиндрической формой катода, но и дру­ гие конструкции (рис. 3).

Оригинальное решение предложил Степниовский [132, 133]. Чтобы не усложнять установку устройством для продувки газа, он предложил зали­ вать органическую жидкость в специальную полость сч,етчика. Пары этой жидкости, обладающие гасящими свойствами, непрерывно поступа­ ют в рабочий объем. Конструкция такого детектора и схема его вклю­ чения показана на рис. 4. Если наполнить полость детектора этиловым

22

Рис. 4. Схема установки, использующей острийный счетчик с гасящим паром над поверхностью свободно-испаряющейся жидкости [128, 133]

Использование проточных счетчиков и детекторов со свободно испа­

этого метода нивелируются тем, что адсорбция и химическое взаимо­ действие гасящих паров с образцами резко влияют на их эмиссионную способность.

Регистрация открытым счетчиком, работающим в атмосфере воздуха. Применение гасящего пара является необязательным, так как счетчики могут работать и при наполнении чистыми газами. Проще всего исполь­ зовать в качестве наполнителя обычный атмосферный воздух. Но не каждым счетчиком можно проводить измерения в атмосфере воздуха. Так, счетчики СОТ-25-БФЛ либо Т-25-БФЛ со вскрытым окном непри­ годны для этой цели, потому что от режима работы, соответствующего ионизационной камере, открытые счетчики при небольшом изменении

анодного напряжения переходят в режим непрерывного разряда. Объяс­ няется это тем, что воздушное наполнение, счетчика налагает особые требования на его конструкцию.

Время жизни свободного электрона в воздухе очень мало вследст­

23

циация иона 02 на нейтральную молекулу и свободный-электрон. По­ следний успевает произвести на пути к аноду электронно-ионную лави­ ну за счет ударной ионизации. Только в этом случае станет возможной регистрация медленных электронов.

При отсутствии гасящей добавки возрастает роль вторичных таунсендовских явлений. Фотоны, излучаемые возбужденными атомами, уже не поглощаются гасящими парами, а вызывают фотоэффект с катода и образца. Положительные ионы азота и кислорода, дрейфуя к катоду,

коронного разряда при небольшой величине газового усиления М. Корон­

ко "затягивается" вторичными процессами в непрерывный разряд. По­ этому коэффициент газового усиления для таких счетчиков мал и соот­ ветствует скорее области ограниченной пророциональности, чем области

Опыты показали, что острийные воздушные счетчики работают устой­ чивее цилиндрических, так как в последних даже небольшие отклонения радиуса нити анода от среднего значения могут привести к зажиганию непрерывного разряда. Чувствительный объем острийного счетчика по­

стояния для закругления сетки и острия анода при аппроксимации их двумя параболоидами с общим фокусом.

В работе [133] рекомендуется и оптимальное соотношение 1<H/R< •< 1,5.

Для расчета коэффициента газового усиления используем формулы

24

3500 SSO0 U, В

та импульсов фона; А-В - рекомендуемый рабочий участок характерис­ тик

этого рисунка видно, что характеристики очень крутые и плато на них отсутствует. Небольшое увеличение напряжения незначительно повыша­ ет амплитуду импульса, но зато резко возрастает фон. Термостатирование счетчика, создающее небольшой радиальный градиент температу­

зывает самоподдерживающийся непрерывный счет, своего рода ионнофотонную обратную связь. Эта обратная связь существенно изменяет кинетику экзоэлектронной эмиссии, как это показано на рис. 7.

на детекторе внесение зачищенного образца вызывает непрерывный

25

счет без освещения. Понижение напряжения всего на 10-15 в делает невозможной регистрацию зкзоэлектронов без стимулирующей подсветки.

О положительной роли сетки, препятствующей оседанию ионов на образце, уже говорилось выше. Регулируя напряжение между сеткой и образцом, можно менять скорость счета в десятки и сотни раз, т.е. число импульсов при сохранении всех прочих условий зависит как от напряжения на аноде счетчика, так и от сеточного напряжения. При по­ вышении анодного напряжения увеличивается средняя амплитуа импуль­ са, уменьшается разрешающее время счетчика, поэтому при неизменной интенсивности эмиссии скорость счета возрастает. Менее понятной оказалась роль сеточного напряжения. Этот вопрос привлек внимание

Для выяснения роли сеточного напряжения авторами были постав­ лены опыты таким образом, чтобы затухание эмиссии не искажало наблюдаемых результатов. В проведенных опытах промежуток образецсетка был отделен от счетчика для разграничения протекающих в них процессов. Оказалось, что скорость счета зависит от сеточного напря­ жения, так же как и интенсивность фототока в газе зависит от напря­ жения на электродах. Иными словами, сеточная характеристика детек ­ тора повторяет ход вольтамперной характеристики несамостоятельного разряда в газе, которая объясняется процессом обратной диффузии [ 135, 140-142] электронов на образец и описывается следующей з а ­ висимостью:

ся обратно на поверхность, с которой они эмиттировали. Это явление получило название обратной диффузии зарядов. Чем сильнее электри­

26

Е/р, сп пп рт. ст.

Рис. 7. Изменение кинетики экзоэлектронной эмиссии с алюминия

1 - счетчик с сеткой при средней освещенности; 2 - те же условия освещенности (счетчик без сетки); 3 - счетчик без сетки, освещенность увеличена в десятки, раз; 4 - счетчик с сеткой при средней освещен­ ности, но напряжение на аноде доведено до грани непрерывного р а з ­ ряда

Рис. 8. Сеточная характеристика детектора экзоэлектронов и зависи­ мость тока несамостоятельного разряда в газе от величины Е/р

о — расчетная кривая для фототока в газе в предположении, что эмит - тируют электроны; • - расчетная кривая в предположении, что эмит - тируют ионы 0 2 ; Д - экспериментальная кривая для фототока в газе, эмиттер - AI ; а - сеточная характеристика детектора экзоэлектронов, эмиттер - Mg

Для свободных электронов в молекулярных газах справедливо макс -

поля.

Полученные нами экспериментальные точки для фототока и сеточ­ ной характеристики детектора экзоэлектронов оказались в хорошем согласии с теоретической кривой. Так как не исключена возможность эмиттирования с поверхности образцов не электронов, а- отрицательных ионов кислорода, то был проведен аналогичный расчет тока в газе при условии обратной диффузии ионов. Как видно из рис. 8, теорети­ ческая кривая для ионов значительно отличается от экспериментальной

27

длин свободного пробега), электрон не успевает прилипнуть к молекуле кислорода.

Измерения, проведенные счетчиком, являются относительными. И з ­ мерения же фототока были абсолютными. Совпадение эксперименталь­ ных точек для фототока и экзоэлектронной эмиссии на рис. 8 свидетель­

Чтобы стали возможными абсолютные измерения, необходимо опре­ делить эффективность счетчика. Для этого на одинаковых образцах

тектора, полученными при малых освешенностях. Оказалось, что эффек­ тивность регистрации в зависимости от напряжения на аноде детектора находится в пределах от 0,05 до 0,001. Так как счетная характеристи­ ка воздушного счетчика очень крутая, то для абсолютных измерений необходимо всегда точно выходить на одну и ту же рабочую точку.

Это облегчается установкой режима счетчика с помощью эталонного радиоактивного препарата (например, С 1 4 или T l 2 " ). Источник пита­ ния должен обеспечивать высокую стабильность и плавную регулировку напряжения. Однако, по мнению авторов, открытый воздушный счетчик непри­

требования к стабильности высоковольтного источника питания, становятся необходимыми термостатирование рабочего объема детектора и тщатель­ ная установка рабочей точки перед каждым опытом.

2. Измерение в вакууме с помощью ВЭУ

При исследовании экзоэлектронной эмиссии в вакууме широкое при­ менение нашли вторично-электронные умножители (ВЭУ) [31, 34-37].

В нашей стране разработано два типа таких умножителей, которые допу­ скают многократное чередование наполнения и откачки воздуха и обес­ печивают стабильные измерения. Некоторые их параметры приведены ниже.

28

Конструкции ВЭУ и схема установки' для измерений, проводимых с их помощью, показаны на рис. 9 и 10. Измерение с помощью ВЭУ мож­ но проводить в токовом и импульсном режимах. Но в режиме счета от ­ дельных импульсов нестабильности, связанные с изменением коэффици­ ента умножения, уменьшаются по сравнению с режимом усиления посто­ янного тока. В работах [148-149] показано, что при соблюдении опре­ деленных условий можно проводить с помощью ВЭУ абсолютные изме ­ рения с точностью 5 - 10%. Перечислим некоторые из этих условий: умножитель должен быть заключен в электромагнитный кожух-экран, находящийся под потенциалом катода; необходимо заземлить отрица­ тельный полюс источника питания; входная щель умножителя должна быть ограничена сверху и снизу до четверти его высоты; интенсивность счета не должна превышать нескольких тысяч имп/сек; необходим пра­ вильный подбор разности потенциалов между образцом и первым динодом. Кроме того, ВЭУ-ОТ-8М после пребывания на воздухе требует длительного нагрева в вакууме для восстановления коэффициента вто - . ричной электронной эмиссии динодов. Для ВЭУ-1 эта операция не обя­ зательна. Наконец, при использовании паромасляных вакуумных насо­ сов возможно "отравление" динодов парами масел.

Измерения с помощью ВЭУ осложняются тем, что счет происходит на фоне собственных шумов умножителя и ложных импульсов, появляю­ щихся вслед за' истинными. Основной причиной импульсного фона ВЭУ является термоэлектронная эмиссия с первых динодов. Вылетев из первого динода, электрон проходит весь тракт умножения и создает

Так как вероятность термоэлектронной эмиссии значительно умень­ шается с понижением температуры, то охлаждение динодов могло бы уменьшить фон. Но этот путь неприменим, поскольку снижение темпе­ ратуры вызывает падение коэффициента умножения и способствует бы ­ строму "отравлению" динодов за счет адсорбции остаточных газов. Для того чтобы на фоне собственных шумов можно было зарегистри­ ровать довольно слабую экзоэлектронную эмиссию с образца, необходим тщательный подбор режима питания ВЭУ и порога дискриминации реги­ стрирующего устройства. При удачном решении этой проблемы скорость

29