УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

Полезная модель относится к области физики, более конкретно к области исследования эмиссионных свойств материалов, а именно к устройствам для определения работы выхода электрона из металлов и сплавов.
Значение работы выхода электрона, как основной эмиссионной характеристики учитывается при создании устройств, работающих по принципу автоэлектронной эмиссии, фотоэлектронной эмиссии, вторично-электронной эмиссии, вторичной ионно-электронной эмиссии и т.д. К таким приборам относятся источники электронов различного типа, фотоэлектронные умножители, вторично-электронные умножители, фотоэлектрические сенсоры, газоразрядные лампы, газоразрядные ионные источники и другие подобного типа приборы, широко использующиеся в бытовой, научно-исследовательской, космической и военной технике. Металлы, такие как алюминий, медь, никель, магний, бериллий, железо, и их сплавы в этих устройствах используются в качестве эмитирующих элементов или подложек эмитирующих элементов.
Существует множество методов определения работы выхода электрона: термоэлектронный, фотоэлектронный, автоэлектронный, контактной разности потенциалов (КРП), калориметрический, а также множество устройств, основанных на этих методах [1]. Наиболее распространенным методом определения работы выхода является метод КРП. В свою очередь наиболее распространенными способами, реализующими метод КРП являются способ Кельвина, Зисмана, основанный на использовании вибрирующего электрода и способ Андерсона, основанный на использовании электронного пучка.
Известно основанное на первом способе устройство для определения работы выхода электрона. Устройство состоит из вибрирующего электрода, присоединенного к пневмовибратору, системы напуска газа в область измерений, металлического корпуса и размещенного в нем блока измерений. Вибрирующий конденсатор образован поверхностью образца и вибрирующим электродом [2].
Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от имеющихся окислов и загрязнений, хотя среда защитного газа защищает поверхность от дальнейшего загрязнения и окисления в процессе измерения. Проблема очистки особо остро стоит в том случае, когда исследуются металлы и сплавы, которые очень быстро окисляются на воздухе, например, такие как алюминий и некоторые из его сплавов, в частности алюминиево-магниевый сплав. Наличие окислов и загрязнений не позволяет достоверно определить работу выхода электрона непосредственно из металла или сплава.
Известна также основанная на первом способе установка для определения работы выхода электрона, в которой предусмотрена очистка исследуемой поверхности. Установка предназначена для измерения контактной разности потенциалов в различных контролируемых средах или в вакууме на свежеприготовленной поверхности образцов. Установка включает расположенные в цельнометаллической камере ячейку для измерения КРП и съемный стол, в резьбовые гнезда которого ввернуты специальные держатели с образцами. Вибрирующий конденсатор образован поверхностью исследуемого образца и вибрирующим золотым электродом, приводимым в движение якорем электромагнита. Камера смонтирована на металлической плите, являющейся основанием бокса, выполненного из оргстекла. В боковой стенке бокса имеются гнезда для перчаток, что позволяет проводить необходимые манипуляции с образцом в среде инертного газа внутри бокса непосредственно перед измерениями, в том числе очистку образца путем механического снятия сверхтонкого слоя металла или его скола. Причем скол дает более чистую исследуемую поверхность. После очистки стол с образцами устанавливается в измерительную ячейку, которая закрывается крышкой и герметизируется. В дальнейшем производится либо откачка до заданного вакуума, либо подача контролируемой среды в камеру с последующим измерением КРП [3].
Недостатком установки является ее значительные сложность, габариты и наличие электромагнитного привода, создающего помехи. Кроме того, в случае использования механического снятия слоя металла не гарантируется достаточная достоверность определения работы выхода электрона исследуемой поверхности.
Менее сложной в исполнении и громоздкой является установка, основанная на втором способе измерения КРП - способе Андерсена. Установка предназначена для измерения КРП в вакууме. Установка включает измерительный блок и расположенные в вакуумной камере элемент для закрепления исследуемого образца, являющегося коллектором, анод с коллимирующим отверстием, термокатод с экраном. Коллимированный при помощи отверстия в аноде пучок электронов малых энергий падает на поверхность коллектора, который находится за этим отверстием вблизи анода. Подавая на коллектор отрицательный потенциал относительно анода, строят зависимость тока коллектора от потенциала на нем - вольт-амперную характеристику (ВАХ) коллектора. Затем таким же образом строят ВАХ эталонного коллектора. По относительному смещению по оси напряжений полученных таким образом ВАХ определяет КРП между материалами, из которых выполнены коллекторы. Зная работу выхода эталонного коллектора, определяют работу выхода исследуемого образца [1].
Недостатком установки является то, что в ней не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от окислов и загрязнений в процессе измерения, что не позволяет достоверно определить работу выхода электрона непосредственно из металла или сплава.
Данная установка выбрана за прототип полезной модели.
Задачей полезной модели является создание установки для определения работы выхода электрона, обеспечивающей достоверность определения работы выхода электрона исследуемого образца за счет очистки его поверхности непосредственно перед измерениями, при сохранении всех отмеченных достоинств прототипа.
Поставленная задача решается в том случае, когда установка для определения работы выхода электрона, включающая расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения контактной разности потенциалов, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном, отличается от прототипа тем, что установка снабжена также расположенными в вакуумной камере газоразрядной диодной ячейкой и механизмом перемещения держателя для осуществления возможности установки образца как в положение коллектора ячейки для измерения контактной разности потенциалов, так и в положение катода газоразрядной диодной ячейки.
Поставленная задача решается также в случаях когда:
- в качестве устройства для создания вакуума в камере использован вакуумный пост, снабженный также системой напуска инертного газа в диодную ячейку.
- термокатод с экраном и анод ячейки для измерения контактной разности потенциалов и колба диодной ячейки закреплены на общем плоском основании.
- механизм перемещения держателя образован двумя связанными между собой и с держателем коленчатыми валами, оси которых параллельны между собой и лежат в плоскостях параллельных плоскости основания.
Особенностью установки является обеспечение возможности определения работы выхода электрона исследуемого образца с предварительной ионной очисткой его поверхности без извлечения из вакуумной камеры. Ионная очистка происходит при использовании образца в качестве катода в процессе работы газоразрядной диодной ячейки. Время работы газоразрядной диодной ячейки определяется эмпирически в зависимости от степени окисления и загрязнения образца. После того как образец отработал в качестве катода диодной ячейки его перемещают в положение коллектора в ячейку для измерения КРП. Ионная очистка обеспечивает высокую степень достоверности определения работы выхода электрона непосредственно металла или сплава.
Общий вид установки показан на фиг.
Установка включает расположенные в камере вакуумного поста (на фиг. не показана) ячейку для измерения КРП цилиндрической формы, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на торце цилиндрического держателя 1 и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец в виде диска (положение образца показано пунктирной линией, сам образец на фиг. не показан), анод 2 с коллимирующим отверстием 3 и V-образный термокатод 4 с экраном 5. Термокатод и экран выполнены в виде пушки Пирса. Тоководы 6 термокатода закреплены на держателе 7 через стеклянные изоляционные кольца 8. Коллимирующее отверстие анода закрыто сеткой (на фиг. не показана). Экран 5 с термокатодом 4 и анод 2 установлены на основании 9. На этом же основании установлена колба 10 с отверстием 11 для напуска газа газоразрядной диодной ячейки с анодом 12 и катодом, в качестве которого использован закрепляемый на держателе 1 и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец. Образец закреплен на держателе 1 с помощью прижимного элемента 13. Позицией 14 обозначено уплотнительное кольцо колбы 10. Механизм перемещения держателя 1 выполнен в виде двух коленчатых валов 15, 16, соответствующие колена которых 17, 18 связаны с держателем 1. Валы 15, 16 установлены в отверстия двух пластин, одна из которых обозначена позицией 19 (вторая платина на фиг. не показана). Пластины закреплены на основании 9. Позициями 20, 21 обозначены щеки коленчатых валов. Ручка механизма перемещения образца вынесена за пределы камеры вакуумного поста (на фиг. не показана). Установка также включает находящиеся за пределами камеры вакуумного поста блоки питания термокатода и анода ячейки для измерения КРП, а также высоковольтный блок питания анода диодной ячейки (на фиг. не показаны). Кроме того, установка включает находящуюся за пределами камеры вакуумного поста измерительную аппаратуру, в том числе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), драйвер USB 2.0 и персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением (на фиг. не показаны).
-2
Установка для определения работы выхода электрона работает следующим образом. Исследуемый образец в виде диска толщиной 1 мм и диаметром 12 мм закрепляется на держателе 1 с помощью прижимного элемента 13. Далее установка помещается в камеру вакуумного поста, в которой производится откачка до заданного вакуума. Поворотом вынесенной за пределы камеры ручки механизма перемещения держателя 1 образец устанавливается в положение катода газоразрядной диодной ячейки для проведения ионной очистки его поверхности. В диодную ячейку напускается газ аргон до достижения давления 10 мм. рт.ст. Затем на анод 12 диодной ячейки подается потенциал с высоковольтного блока питания, до возникновения самостоятельного газового разряда при котором происходит ионная очистка поверхности катода, т.е. исследуемого образца. Высоковольтный блок питания управляется с компьютера через ЦАП. Как было уже отмечено, время работы газоразрядной диодной ячейки определяется эмпирически в зависимости от степени окисления и загрязнения образца, в среднем оно составляет 20-30 минут. После очистки образец поворотом ручки механизма перемещения держателя образца переводится в положение коллектора ячейки для измерения КРП. Далее с блоков питания термокатода и анода подают ток накала на термокатод 4 и ускоряющий потенциал на анод 2. Сформированный пушкой Пирса пучок электронов малых энергий коллимируется при помощи отверстия в аноде 2 и падает на поверхность коллектора. С помощью компьютера и ЦАП на коллектор подается изменяемый отрицательный потенциал относительно анода 2. В процессе изменения потенциала на коллекторе снимается его ВАХ. При этом ток коллектора регистрируется посредством АЦП, данные с которого через драйвер USB подаются на компьютер.
Затем исследуемый образец меняется на эталонный образец, работа выхода которого известна, строится его ВАХ и по смещению ВАХ обоих образцов относительно друг друга определяется КРП между образцами и работа выхода исследуемого образца. Для большей достоверности определения работы выхода исследуемого образца эталонный образец также должен пройти выше описанную процедуру ионной очистки поверхности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
1. Ибрагимов X.И., Корольков В.А. Работа выхода электрона в физико-химических исследованиях. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 526 с.
2. А.С. СССР 853514, МПК G01N 27/62, 1981.
3. Онищенко А.В., Малов Ю.И., Корольков В.А. // Метрология. -1979. -№5. С.49-53.