Изменение заряда и экзоэмиссионной активности поверхности кварца в зависимости от давления

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

Известия ТСХА, выпуск 3, 2007 год

УДК 537.533.2

ИЗМЕНЕНИЕ ЗАРЯДА И ЭКЗОЭМИССИОННОЙ АКТИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ КВАРЦА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДАВЛЕНИЯ

Р.Ф. БАЙБЕКОВ, д. с.-х. н.; Ф.М. КЛИНОВ, С.Л. БЕЛОПУХОВ, д. с.-х. н.

Показана возможность применения метода экзоэлектронной эмиссии для изучения электрических свойств почв, степеней окисления атомов и кинетики массопереноса химических элементов. Изучены процессы заряжения поверхности кристаллов диоксида кремния при облучении рентгеновским излучением и термостимулированной экзоэмиссии. Показано, что поверхностный потенциал кристаллов может изменять величину и заряд при повышении температуры, дозы облучения и давления. Получены уравнения изменения величины потенциала от дозы обучения.

Действие полей различной физической природы на почвы, минералы, кристаллы приводит к изменению их электрических характеристик, степеней окисления атомов и кинетике массопереноса химических элементов. При изучении экзоэлектронной эмисси (ЭЭЭ) диэлектриков особое внимание уделялось индукцированным в процессе возбуждения электрическим полям. Вызвано это тем, что все виды возбуждения экзоэмиссии — рентгеновское и гамма-облучения, бомбардировка различными частицами и другие вызывают появление в веществе объемного электрического заряда. Роль такого заряда не всегда учитывается, хотя хорошо известно, что электрическое поле в образцах является одним из факторов, активно влияющих на ЭЭЭ [1].

До настоящего времени не существует однозначной трактовки механизмов экзоэлектронной эмиссии в диэлектриках, что объясняется отсутствием систематических исследований экзо-эмиссионных характеристик в совокупности с изучением зарядного состояния в диэлектриках и его роли в мас-сопереносе химических элементов [2].

Целью данной работы явилось изучение процессов заряжения облученных диэлектриков с использованием методов экзоэлектронной эмиссии и измерений поверхностного потенциала.

При исследовании радиационного заряжения диэлектрика использовали образцы кварцевого стекла КУ-2 толщиной 0,5—1,4 мм, площадью 0,8 см2. Образцы облучали на воздухе при комнатной температуре рентгеновским излучением (и = 50 кВ, 1 = 10 мА) дозами 2,5-2,5 • 103 Кл • кг-1 и затем помещали в вакуумную камеру. Измерения тер-мостимулированной экзоэмиссии (ТСЭЭ) и поверхностного потенциала Ш^) проводили в вакууме 10-4 Па. Температурный интервал измерения ТСЭЭ 290-770К, скорость прогрева — 20 град/мин. Поверхностный потенциал измеряли методом вибрирующего электрода. Чувствительность устройства измерения поверхностного потенциала — 1 мВ, разрешающая способность 0,5 мм2. Исследование поверхности ообразца ме-тодомТСЭЭ и поверхностного потенциала Ш^) проводили одновременно.

На рис. 1 приведены кривые ТСЭЭ

Рис. 1. Изменения ТСЭЭ (а) и поверхностного потенциала (б) кварца при различных дозах рентгеновского облучения: 1 — 2,5 Кл • кг-1; 2 — 2,5; 3 — 2,5 • 102; 4 — 2,5 • 10 Кл • кг-1

кварцевого стекла КУ-2, облученного различными дозами рентгеновского излучения. В диапазоне температур

290-473К при дозах рентгеновского облучения свыше 2,5 • 10 Кл • кг-1 поверхностный потенциал образца отрица-

Рис. 2. Зависимость интенсивности ТСЭЭ (а) и поверхностного потенциала (б) от дозы рентгеновского облучения при разных температурах: 1 — 373; 2 — 51ЗК

тельный, однако в дальнейшем при повышении температуры ипов образца становится положительным.

На рис. 2 показаны зависимости ТСЭЭ (а) и поверхностного потенциала (б) при постоянной температуре для различных доз рентгеновского облучения. Поверхностный потенциал при температуре 373К с увеличением дозы рентгеновско-

го облучения от 2,5 до 2,5 • 10 Кл • кг-1 меняет знак на противоположный, т.е. происходит перезарядка поверхности образца (см. рис. 26). Изменение потенциала при этой температуре от дозы облучения (Р) может быть охарактеризовано следующей полиномиальной зависимостью по уравнению (1), а интенсивности ТСЭЭ — по уравнению (2):

ипов.=-9,7 • 10~10  Б3 + т + 1,1 • 10"5 Т)2 - 0,031  Б + 6,9; у >

1 = 0,00024 -Б +0,41.

Интенсивность ТСЭЭ в указанном диапазоне доз рентгеновского облучения постепенно возрастает. При температуре 513К (температура пика ТСЭЭ) поверхностный потенциал всегда положительный. В интервале доз 2,5 • 102 - 1,25 • 103 Кл • кг-1 наблюдается незначительное снижение ипов, в то время как интенсивность ТСЭЭ резко возрастает. Изменение потенциала при 513К от дозы облучения (Р) может быть охарактеризовано полиномиальной зависимостью (3), а интенсивности ТСЭЭ — по уравнению (4).

ипов =6,2 • 10"9 • Б3 - 3,1  Ю-502 + п) + 0,04- Б+ 17;

I = 4,5 • 10"5 • Б + 0,19.

В связи с тем, что образцы облучали рентгеновским излучением на воздухе, а затем переносили в вакуумную камеру, было проведено дополнительное исследование влияния глубины вакуума на интенсивность ТСЭЭ и величину поверхностного потенциала для учета влияния адсорбатов на указанные зависимости. Результаты измерений ТСЭЭ и ипов при различной глубине вакуума в камере свидетельствуют, что поверхностный потенциал при низком вакууме (10-3 Па) имеет более высокое отрицательное значение, чем при давлении 10-4 Па, в то время как интенсивность ТСЭЭ возрастает при улучшении вакуумных условий.

Таким образом, появление при дозах больше 5 • 102 Кл • кг-1 отрицательного поверхностного потенциала (см.

рис. 1, 2) можно объяснить тем, что комптоновские электроны, а также электроны, проникающие из внешней среды, локализуются в образце на определенной глубине. Они попадают на ловушки и образуют зону отрицательного заряда в объеме диэлектрика, при этом в приповерхностной области создается обедненная электронами положительно заряженная зона. Облученный образец в обычных условиях является электронейтральным, поэтому следует предположить, что после прекращения облучения на поверхности кварца адсорбируются отрицательные ионы и электроны, компенсирующие ее положительный заряд. Экспериментальные данные (см. рис. 2) свидетельствуют, что с увеличением дозы рентгеновского облучения отрицательный заряд адсорба-тов возрастает.

Таким образом, полученные данные по исследованию закономерностей структурных изменений и превращений минералов позволяет получить новые сведения о структурных изменениях минералов, физико-химических процессах в них при радиационных воздействиях, перераспределении атомов и групп атомов, что необходимо для объяснения многих различий между составом и строением почвы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пущаровский Д-Ю. Кристаллы и рентгеновские лучи// Соросовкий образовательный журнал, 1997. № 12. С. 7077. — 2. Сальников В.Н., Монингер Г.Г., Заверткин С.Д., Коровкин М.В., Долгов И.В. О некоторых электрофизических свойствах кварцитов// Физико-технические проблемы полезных ископаемых, 1994. № 3. С. 89-99.

SUMMARY

The opportunity of exo-electronic emission method use to study electric properties of soils, degree of atom oxidation and kinetics of mass transition of chemical elements has been shown. The processes of Si02 (silicon dioxide) surface crystals charging when both X-raying and thermostimulation exo-emission have been investigated. It's been shown that crystals surface potential can change both quantity and charge when temperature, radiation dose and pressure rise. Equations of potential quantity change from radiation dose have been deduced.