Автор Крашевская Г.В. /_________/

Основы физики газового разряда (Физика низкотемпературной плазмы. Часть 2.)

Представленные лекции предназначены для студентов, специализирующихся в области физики плазмы и газового разряда, и включает в себя темы, необходимые для понимания процессов, приводящих к появлению тока в газах, и, как следствие, зажиганию разряда (появлению плазмы). Курс лекций предполагает, что студенты уже знакомы с движением заряженных частиц в электрических и магнитных полях и с эмиссионными процессами с поверхности твердых тел, такими как, термоэлектронная, фотоэлектронная, автоэлектронная эмиссия электронов и вторичная электрон электронная эмиссия. В состав представленных лекций входят следующие темы: Вторичная ионно-электронная эмиссия с поверхности твердого тела, Образование и гибель заряженных частиц в газе; Дрейф и диффузия заряженных частиц в электрическом поле и электрический ток в газах.

Лекция №1 Эмиссионные процессы: Вторичная ионно-электронная эмиссия. Поверхностная ионизация

Слайд №1

Добрый день. Сегодня мы поговорим об эмиссионных процессах на поверхности твердого тела: о вторичной ионной-электроной эмиссии и поверхностной ионизации под действием налетающий частиц. Как в принципе и все эмиссионные процессы – данные процессы играют существенную роль в восполненнии заряженных частиц в газовом разряде, особенно вторичная ионно-электронная эмиссия.

Слайд №2

Вторичная ионно-электронная эмиссия (ВИЭЭ) – это испускание электронов твёрдым телом при бомбардировке его ионами.

ВИЭЭ является основным механизмом поддержания тлеющего разряда и характеризуется коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии γ_i, равным отношению количества вторичных электронов образовавшихся на один и, следовательно, который можно записать как

где n_e, j_e, и n_{i ,} j_i –концентрации и токи вторичных электронов и ионов, соответственно.

ВИЭЭ различают двух видов:

1. Потенциальная γ_П,которая происходит под действием поля ионов, подошедших к поверхности тела, и не зависит от энергии ионов

2. Кинетическая γ_К,обусловленная передачей ионами части своей кинетической энергии, т.е. неупругими столкновениями

Общий коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии получается сложением коэффициентов этих двух эмиссий

и зависит от природы газа иматериала катода. Типичный вид зависимости γ_i, на примере взаимодействия ионов аргона и калия с поверхностью вольфрама представлен на рисунке. Можно видеть, что в области низких энергий γ_iявляется постоянной величиной или практически 0.

Рассмотрим подробнее потенциальную и кинетическую вторичную ионно-электронную эмиссии.

Слайд 3:

Потенциальная Эмиссия:

Потенциальная эмиссия связана с передачей электронам мишени энергии, выделяющейся при переходе бомбардирующего иона в основное состояние атома. Этот переход осуществляется обычно путём, так называемой, оженейтрализации. Если к поверхности металла приближается ион, незанятый энергетический уровень которого лежит ниже уровня Ферми (схему процесса можно видеть на представленном рисунке), то на этот уровень перейдёт один из электронов проводимости 1.

В результате этого ион нейтрализуется, высвобождающаяся энергия передаётся др. электрону 2 металла, который получает возможность покинуть металл.

ВИЭЭ может иметь место, если соблюдается условие, что работа выхода еφв2 раза меньше, чем потенциал ионизацииI:

На представленном рисунке процесс оже нейтрализации А может также пройти по другой схеме через резонансную нейтрализацию В с Оже-релаксацией С.

Коэффициент потенциальной ВИЭЭ возрастает с увеличением потенциала ионизации Iи для однозарядных ионов инертных газов достигает нескольких десятков %.

В случае многозарядных ионов захват электронов ионом происходит последовательно со ступенчатым понижением кратности зарядаиона до 0. При этом γ_Пможет превышать 1. При энергии ионов 1 кэВ коэффициент γ_Пот энергии зависит слабо (уменьшается с ростом E). При больших E величины γ_Пснижаются до 0.

Вотдельных случаях, когда возможна нейтрализация ионов в возбуждённое состояние атома, вырывание электронов осуществляется путём оже-дезактивации (рис. случай б). Энергия, выделившаяся при переходе второго электрона мишени в основное состояние возбуждённого атома, передаётся электрону, оказавшемуся на возбуждённом уровне. При этом условие появления эмиссии: Ev> еφ, где Ev- энергиявозбуждения атома. Вырывание электронов путём ожедезактивации осуществляется при облучении мишеней из тугоплавких металлов ионами неона Ne, что обусловливает особый вид кривых γ_П(E).

Также следует отметить для γ_П следующие моменты:

• Отсутствие низкоэнергетичного порога процесса

• ПЭ очень зависит от наличия грязи на поверхности, при этом получается растущая зависимость от энергии, что неверно!!!

Слайд 4:

Кинетическая эмиссия:

Кинетическая ВИЭЭ обусловлена ударной ионизацией атомов поверхностного слоя мишени и бомбардирующих частиц. Для нее характерен энергетический порог E_п. При бомбардировке тугоплавких металлов ионами Li⁺(и более тяжёлыми) E_п>1 кэВ; для диэлектриков, например, шёлочно-калоидных кристаллов, E_п ~ 0,140 - 2 кэВ. За порогом коэффициент кинетического выбивания γ_крастёт, выходит на плато и далее уменьшается Для ионов Н⁺максимум эмиссии наблюдается при E_и=100 кэВ (для металлов g_к^макс=1,5); для более тяжёлых ионов E - порядка нескольких МэВ, а γ_кможет достигать десятков и зависит от состояния поверхности.

Подытоживая ранее сказанное можно выделить следующие основные особенности кинетической эмиссии для металлов:

• Существует хорошо определенный порог

• При увеличении энергии налетающих ионов, γ_квозрастает до насыщения, потом наблюдается спад

• Когда есть обе эмиссии, вклад их независимый и аддитивный

Слайд 5:

Кинетическая эмиссия для диэлектриков и полупроводников обладает следующими особенностями:

• Значения γ_кпочти на порядок выше, чем для металлических мишеней, чистых или загрязненных

• Пороговые значения E_ппочти на порядок ниже (~ 150 эВ), чем для металлов

• Для молекулярных ионов коэффициент γ_к представляет собой аддитивную величину, т.е складывается из γ_к ионов их составляющих

• При энергии ионов несколько кэВ, γ_кдостигает значений 4-5.

• Аддитивность γ_i= γ_п+ γ_кможет не иметь места при облучении ионами диэлектриков и плёнок сложного состава. Разогревание материала интенсивным ионным пучком, зарядка им поверхности плёнок и т.п. могут приводить к появлению термоэлектронной и полевой электронной эмиссий.

Слайд 6:

Все эмиссионные процессы, о которых говорилось ранее: термоэлектронная, фотоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, вторичная электрон-электронная и ионно-электронные эмиссии - можно назвать условно одним термином: поверхностная ионизация, т.е. образование (можно даже сказать излучение) заряженных частиц на поверхности твердого тела. Еще один процесс, который нужно отнести к поверхностной ионизации и который в основном воспринимается под этим термином – это термическая Десорбция(испарение) положительных или отрицательных ионов с поверхностей твёрдых тел.

Для данного явления американским физиком Ирвингом Ленгмюром в 1924 на основании формулы, полученной ранее индийским физиком Саха (М. Saha), для термич. ионизации атомов в газовой фазе было выведено уравнение, определяющее степень α поверхностной ионизации частиц (атомов, молекул, имеющих ионизац. потенциал I) при их термической . десорбции (испарении) с металлич. поверхности, имеющей температур Т. Поэтому данное уравнение получило название: уравнение Саха-Ленгмюра

Суть процесса термической десорбции заключается в следующем: Частицы пара вначале прилипают к поверхности металла, а затем испаряются с неё, при этом некоторые ионизуются. Если N_aиNi— число нейтральных атомов и положительных ионов вещества, испаряющихся в 1с с единцы площади поверхности, то степенью поверхностной ионизации называется следующее отношение α=Ni/N_a.

Как мы увидем далее эта величина не очень показательна, поэтому вводят, так называемый, коэффициент ионизации β, равный отношению числа ионов в к общему числу частиц:

Рассмотрим термодинамический вывод формулы Саха-Ленгмюра

Для этого рассмотрим полость в котором установилось равновесие пара, состоящего в том числе из заряженных частиц, и потоков эмитируемых частиц.

Поток электронов из полости на поверхность твердого тела выражается через хаотичный поток на стенку с тепловой скоростью

Учитывая, что не все падающие электроны попадают на поверхность, а часть отражаются, в тепловом потоке, прошедшем внутрь металла будет присутствовать множитель (1-R)– коэффициент прохождения. С другой стороны, со стороны металла, поток электронов описывается уравнением термоэмиссии Ричардсона- Дешмана:

Слайд 7:

Постоянная Зоммерфельда имеет вид

Подставив в полученное ранее уравнение получаем, что число электронов в полости

Схема ионизационого равновесия имеет следующий вид

При любом равновесном процессе скорости прямой и обратной реакции должны быть равны. Воспользуемся уже готовой формулой для константы равновесия С такого процесса (вывод можно посмотреть в учебнике Ландаю, Лившеца, стр.381):

где g_i иg_aэто статистические веса иона и нейтрального атома, для электрона такой вес равен 2, и он уже подставлен в формулу.

Переписав уравнение в следующем виде ln(N/N_a)= C – lnN_e

И подставив в него N_eполучаем искомую степень ионизации α=Ni/N_a.

Слайд 8:

Так как скорости ионов и атомов одинаковы, то уравнение принимает вид

Данное уравнение называется уравнением Саха-Ленгмюра.

Коэффициент ионизации тогда можно найти по формуле:

На рисунке представлена зависимость коэффициента ионизации от температуры для инов цезия Cs на вольфраме W. Интересным является тот факт, что существует пороговая температура, при которой начинается ионный ток с поверхности. Это объясняется тем, что

происходит налипание атомов Cs на поверхностьW, а это приводит к тому, а Cs -Cs не ионизуется. Как видно из уравнения Саха-Ленгмюра, для ионизации нужно чтобы потенциал ионизации падающищх атомов был меньше работы выхода материала подложки. При увеличении же температуры атомы Cs покидают поверхность и появляется ионный ток.

Слайд 9:

Если попытаться объяснить предионизационные процессы, связанные с адсорбцией атомов газа на поврехности, то можно оценить время жизни адатома на поверхности материала. Оно будет связана с периодом колебаний решетки, и энергией сорбции. Следует отметить, что адатом не сидит все время в сорбционном центре, а все время перемещаетс по другим центрам, и чем выше температура поверхности, тем меньшее время адатом находится в сорбированном состоянии. На слайде приведены формулы для оценки времени жизни адатома на поверхности

Слайд 10:

Для поверхностной ионизации и учета влияния адсорбированных атомов вводится так же понятие степень, как отношение числа адатомв к числу сорбционных центров.

Пороговая тепература соответсвует степени покрытия 1-5%. При этом мы можем использовать формулу Саха- Ленгмюра для опередления степени и коэффициента ионизации, при низких температурах степень покрытия близка к 100% и ионный ток равен нулю.

В таблице приведены результаты подсчета степени и коэффициента ионизации для поверхностной ионизации Cs, К и Na на вольфраме. Цифры таблицы показывают, насколько важно для получения большого ионного тока применять в качестве подложки металл с большой работой выхода. Коэффициент ионизации натрия на во.тьфраме оказывается в десятки и сотни раз меньше коэффициента ионизации цезия на вольфраме, хотя оба эти металла (Na и Cs) при­надлежат к одной и той же группе таблицы Менделеева. Ионный ток пропорционален β и, значит, в случае Cs и К на W он должен медленно падать при увеличении температуры, а в случае Na на W—возрастать. Этот вывод находится в пол­ном согласии с опытом.

Контрольные вопросы к лекции №1:

1. На какие виды делится вторичная ионно-электронная эмиссия, чем они отличаются?

2. Условие для потенциальной эмиссии

3. Как действует на коэффициент ВИЭЭ загрязнение поверхности?

4. Существует ли энергетический порог у различных видов ВЭИИ? Почему?

5. Что такое Оже-процесс?

6. Как ведет себя γ_к в зависимости от энергии падающих ионов?

7. В чем отличия γ_к для диэлектриков и полупроводников от металлов?

8. что такое поверхностная ионизация

9. Напишите уравнение Саха- Ленгмюра, что с его помощью можно найти?

10. Что такое степень покрытия?

Используемые материалы:

1. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1437.html

2. Райзер Ю.П. «Физика газового разряда» Учеб. руководство. - М.:Наука. Гл. Ред физ.-мат. лит., 1987 (Долгопрудный, Интеллект, 2009)

3. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/982/%D0%9B%D0%95%D0%9D%D0%93%D0%9C%D0%AE%D0%A0%D0%90