Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

Рис. 1.2.22. Вязкость газа: а – при низком вакууме; б – при высоком

Fтр/ A = η vпластины /d.

С учетом эффекта скачка (скольжения) Смолуховского для скорости по аналогии с выражением

(1.2.29) запишем

Fтр / A = η vпластины / (d + 2g) ≈ η vпластины /λ .

Тогда коэффициент вязкости в высоком вакууме ηв.в = n v m, как и коэффициент теплопровод-

ности, прямо пропорционален молекулярной концентрации. На рис. 1.2.22 рассмотрены

случаи для низкого и высокого вакуума. Для низкого вакуума при движении потока газа со скоростью

vпотока по трубопроводу распределение скоростей молекул идущих

в слоях толщиной λ в поперечном сечении трубопровода параболическое. Можно считать, что на стенках трубопровода молекулы полностью тормозятся.

Для высокого вакуума главную роль играют процессы, происходящие при взаимодействии молекул с поверхностями.

В результате неупругого взаимодействия с кратковременным «захватом молекулы» потенциаль-

ной ямой поверхности изменяется вектор скорости падающей молекулы, при диффузном рассеивании молекулы «теряют» свою тангенциальную составляющую начального вектора скорости, происходит как бы «удар-щелчок», который переориентирует молекулы на движение в направлении движения пластины. Естественно, скорость пластины vпластины должна быть не меньше, а лучше, если она больше тепловой скорости молекул v, то есть при желании направить молекулы в определенном направлении и создать скорость переноса, мы должны говорить о сверхзвуковых скоростях перемещения рабочего тела128 в вакууме.

Заключительные соображения по явлениям переноса в газах

На рис. 1.2.23 в один график сведены зависимости коэффициентов диффузии D, теплопроводности χ и вязкости η от молекулярной концентрации n. Потеря линейности у этих зависимостей проис-

ходит в некой, назовем ее «магической», точке на шкале абсцисс nmagic. Линия, проведенная через эту точку, делит разреженный газ на области низкого и высокого вакуума.

Совершенно очевидно, что при некотором давлении, а лучше говорить о молекулярной плотности и степени разрежения, происходит достаточно резкое изменение физических представлений, положенных в основу МКТ. Все данные требуют изменения принятой модели, перехода от представлений сплошной, слоистой среды к среде, занятой ансамблем свободных молекул.

К сожалению, число Кнудсена не помогает при определении nmagic, так как представление о dэф в вакуумной технике всегда и объективно и субъективно. Этот параметр вакуумной системы, скорее, носит философский оттенок.

В выражение (1.2.28) была введена некоторая постоянная величина ψ, имеющая размерность давления. Рассмотренный в разделе 1.2.2 материал позволяет количественно определить постоянную ψ:

ψ = nmagic kT, если nmagic = 1014 мол − см−3, то ψ ≈ 3 Па.

128 Под рабочим телом мы подразумеваем тело, находящееся в вакуумной системе и которое обеспечивает «удар-щелчок», например, в диффузионных паромасляных вакуумных насосах рабочим телом является струя пара масла, в турбомолекулярных – пластины ротора.

81

Рис. 1.2.23. Зависимость коэффициентов переноса в газе (диффузии D, теплопроводности χ, вязкости η) от молекулярной концентрации

Вопросы контроля и поддержки

1.Из каких соображений выбираются пределы интегрирования величин, входящих в уравне-

ние 1.2.5?

2.Какие направления движения молекул в вакуумной системе можно рассматривать?

3.Почему выражение (1.2.6), полученное для плотности потока молекул, столь важно для вакуумной техники?

4.Дайте характеристику потоку молекул, изображенному на рис. 1.2.14.

5.От чего зависит величина удельного объема газа, попадающего на вход насоса?

6.Что физически представляет собой коэффициент диффузии при условии постоянства средней скорости молекул?

7.Почему соизмеримы длина свободного пробега и параметр разрежения?

8.Что означает равенство нулю потока через какое-либо сечение?

9.Запишите условия равенства потоков молекул при высоком вакууме и низком вакууме.

10.Каким образом вакуумный насос откачивает молекулы?

11.Изобразите пространственное распределение направлений движения молекул от поверхности, после того как она с ней провзаимодействовала.

12.Поясните физическую модель, используемую при выборе диаметра нити-нагревателя в тепловом датчике Пирани.

13.Поясните физический смысл коэффициента температурной аккомодации.

14.Средняя длина свободного пробега λ молекул водорода при нормальных условиях составляет 10−7 м. Определите среднюю длину их свободного пробега при давлении 10−4 Па, если температура газа остается постоянной.

15.При температуре 300 К и некотором давлении средняя длина свободного пробега λ молекул кислорода равна 10−7 м. Чему равно среднее число столкновений, испытываемых молекулами за 1 с, если сосуд откачать до 0,1 значения от первоначального давления? Температуру считать постоянной.

16.Приведите примеры, показывающие значимость явлений переноса в разреженном газе для вакуумной техники.

1.2.3. Газовая электроника. Ионизация и низкотемпературная плазма

Газовая электроника

Под газовой электроникой традиционно понимают область физики, изучающую основные закономерности и явления, связанные с получением, сохранением, движением, использованием и регистрацией свободных носителей заряда (чаще электронов, отсюда и само название) в газах и, прежде всего, в разреженных газах. Газовая электроника является составной частью более обширной области физики − физической электроники129.

129 Вакуумная электроника: Учебное пособие для вузов /А.Н. Диденко, Н.К. Никулин, Ю.С. Протасов, Г.Н. Фурсей. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, с. 61 – 298.

82

К понятиям газовой электроники относятся, например, такие:

электричество и электрон; молекулы газа и их ионизация, ионы;

разреженный газ и его электропроводность; катод, анод, сетки, электрическое поле; первичная и вторичная эмиссии электронов; рентгеновские или Х-лучи130; объемный заряд в газе; плазма и разряд;

электромагнитное поле и движение в нем заряженных частиц; электронная и ионная оптика; электронные и ионные пушки;

ионная бомбардировка и распыление поверхностей, изменение их структур; рассеяние и рекомбинация ионов; десорбция и вторичная ионная эмиссия;

эмиссия электронов, фотонов и рентгеновского излучения при ионной бомбардировке твердого тела; взаимодействие плазмы с поверхностью твердого тела;

ионное внедрение и изменение свойств поверхности и т.п.

Перечисленные понятия и физические явления, стоящие за этими понятиями, так или иначе используются в вакуумной технике и составляют существенную часть ее терминологии.

Газовая электроника развивается более 400 лет131 вместе с теорией газа и является дополняющей частью единой теории газа, которая несомненно может быть создана.

Дело в том, что теория газа всегда развивалась «по необходимости», все изобретения были сделаны под «давлением спроса», было ли это изучение воздушного пространства Земли и воздухоплавания, изучение атмосферного давления и использования его для подъема жидкостей, изучение термодинамических процессов и создание двигателей, исследование электрических разрядов, получение рентгеновских лучей, создание электровакуумных приборов, изучение поверхностей материалов и нанесение на них пленок, обеспечение электрической прочности промежутков и т.д.

Сегодня этот список может быть дополнен вакуумными проблемами, например, термоядерных исследований, обеспечения работы адронного коллайдера и космических полетов, реализации нанотехнологий132.

Великие ученые такие, например, как: Отто фон Герике, Дж. Дальтон, М.В. Ломоносов, Э. Фарадей, Ю. Плюккер, Дж. К. Максвелл, Г.И.В. Гейсслер, У. Крукс, А. Тёплер, В.К. Рентген, И. Ленгмюр, Т.А. Эдисон, Р.В. Вуд, А. Малиньяни, Г.Р. Герц, Дж. Дж. Томсон, П.Н.Лебедев, А. Флеминг, В. Геде, С. Дэшман, М. Пирани, В.К. Зворыкин, С.А. Векшинский, Г.А. Тягунов и др., всегда вносили свой вклад и в вакуумную технику, и в газовую электронику одновременно133.

Ван Гельмонт в 1614 г. предложил термин «газ» и мы помним его имя как одного из основоположников теории газа и, следовательно, вакуумной техники. По аналогии начало газовой электроники, можно отождествить с именем англичанина королевского медика Уильяма Гильберта, который в попытках использовать магниты для лечения различных заболеваний неизбежно столкнулся с электрическими явлениями.

130Рентгеновское излучение электромагнитные волны, соответствующие длинам волн от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 м).

131Браун С. Краткая история газовой электроники //УФН, 1981, т. 133, вып. 4, с. 693 – 706.

132Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

133Борисов В.П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса, URL: http://www.vacuum.ru/file/ misc/borisov/vacuum/part4.html.

83

Гильберт с помощью изобретенного им «версора» (первого в мире электроскопа) показал, что способностью притягивать мелкие предметы обладает не только натертый янтарь, о чем было известно много веков назад, но и алмаз, сапфир, хрусталь, стекло и другие вещества, которые он в 1600 г. впервые назвал «электрическими» (от лат. ēlectricus, что в переводе значит «янтарный»), введя этот термин в науку. Им были определены и вещества, не способные электризоваться. Гильберт первым сформулировал различия между электрическими и магнитными явлениями.

Согласно концепциям современного естествознания134 электризация диэлектриков трением может возникнуть при соприкосновении двух разнородных веществ из-за различия работы выхода электрона из материалов. При этом происходит перераспределение электронов, а в газах ещё и перераспределение ионов, с образованием на соприкасающихся поверхностях электрических слоёв с противоположными знаками электрических зарядов. Фактически атомы (молекулы) одного вещества «отрывают электроны» от другого вещества, переводя их в свободное состояние135.

Уильям Гильберт (англ. William Gilbert, 1544–1603) –

лейб-медик английского двора, врач Елизаветы I – королевы Англии.

В свободное от основной работы время изучал магнитные и электрические явления и создал первую теорию магнитных явлений. Первым в Англии выступил в защиту гелиоцентрического учения Н. Коперника.

Он установил, что любые магниты имеют по два полюса, при этом разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются. Проводя опыт с железным шаром, который взаимодействовал с магнитной стрелкой, впервые выдвинул предположение о том, что Земля является гигантским магнитом. Также он предположил идею о том, что магнитные полюсы Земли могут совпадать с географическими полюсами планеты. В его честь названа единица измерения магнито-

движущей силы F – Гб в системе СГС: F =

Электрические взаимодействия между телами, согласно тем же концепциям, рассматриваются как действия, которые происходят на расстоянии. Принимается, что два заряда q и q', условно сосредоточенные в двух точках, отстоящих друг от друга на расстояние r, в зависимости от знака заряда, отталкивают или притягивают один другого по направлению линии, соединяющей эти две точки, с силой Fкул, которая определяется формулой

Fкул = kкул · q · q' · r−2,

(1.2.31)

где коэффициент kкул зависит только от системы единиц, в которой определяются величины q, r и

Fкул, в СИ kкул = (4πε0)−1, где ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 · 1012 Ф/м.

Природа среды, внутри которой находятся две точки, в которых располагаются заряды q и q', не имеет никакого значения и не влияет на величину Fкул.

Принято считать, что в условиях разреженного или сильно разреженного газа при столкновении нейтральных молекул со стенкой действуют электрические, но не кулоновские силы, действие которых справедливо для ионов!

134Природа бесконечна и бесконечно познание Природы. Результаты человеческого познания оформлены

ввиде принятых базовых концепций. Можно найти немало людей, которым не нравится, скажем, теория эволюции или квантовая теория, но сегодня они признаны и используются для дальнейшего продвижения к познанию тайн мироздания. См. подробнее в кн.: Шестак В.П., Сергиевский В.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Томск: ТГПУ, 2005.

135Ионизация – эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул.

84

Закон Кулона формулируется следующим образом:

сила взаимодействия двух точечных (то есть расстояние между заряженными телами должно быть много больше их размеров, что соответствует разреженному газу) неподвижных заря-

женных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Молекулы представляются электрическими диполями, квадруполями, секступолями и т.д. (молекулярные диполи), находящимися на некотором расстоянии друг от друга. Электрические силы между молекулярными диполями136 значительно слабее кулоновских, так как силы притяжения Fпритяж

(ориентационные, индукционные и дисперсионные) пропорциональны r–6, а силы отталкивания Fот

пропорциональны r–13 (см. рис. 1.1.4, а). Именно из-за относительной слабости этих сил, пренебрегая ими, в вакуумной технике часто говорят об упругом взаимодействии молекул между собой и молекул с поверхностями.

Отметим, что при условии достаточного разрежения газа и выполнении условий Kn ≥ 1 и

dмежмолекулярное расстояние ≈ 5 Å поведение свободных молекул в газе определяют силовые взаимодействия, которые на основании того, что молекулы в момент сближения с другими молекулами или с поверх-

ностями рассматриваются как диполи, имеют электрический характер.

Во введении мы определили, что технический вакуум это не пустота, это пространство, заполненное быстро движущимися отдельными атомами или молекулами, ионами, электромагнитными полями, фотонами и свободными электронами.

Таким образом, учитывая наличие и образование заряженных частиц, мы при рассмотрении газа к законам молекулярной физики должны добавить законы электродинамики, поскольку любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся посредством электромагнитного поля.

У физики было не так много пророков, но 130 лет тому назад сэр Уильям Крукс137 писал, что «…

при изучении электричества мы соприкоснулись с гранью, где Вещество и Сила (поле) как бы проникают друг в друга, мы соприкасаемся с призрачной границей между царствами Известного (наблю-

даемого и объясненного) и Неизвестного…» (ненаблюдаемого и моделируемого с той или иной степенью достоверности на основе принятых концепций).

Концепция поля как концепция Неизвестного была принята, в том числе в виде теории взаимодействия частиц на расстоянии без какого-либо промежуточного агента. В этой концепции электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Концепция материальности электромагнитного поля подтверждается тем, что оно может существовать и при полном отсутствии источников138. Квантами поля электромагнитного взаимодействия являются фотоны, концентрация кото-

136Ван-дер-ваальсовы силы – силы межмолекулярного взаимодействия с энергией (0,8 – 8,16) кДж/моль.

137Сэр Уильям Крукс (Sir William Crookes, 1832 – 1919) – английский химик и физик. Вошел в историю как

ученый, открывший таллий (от греч. θαλλός − «зеленый побег», из-за ярко-зеленого цвета в эмиссионной части спектра) и впервые получивший гелий в лабораторных условиях. Исследовал электрическую проводимость в газах при пониженном давлении и катодные лучи (в «трубках Крукса»), открыл явление сцинтилляции, изобрел радиометр и спинтарископ (устройство, демонстрирующее выделение альфа-лучей под воздействием радия). Крукс считается пионером в создании вакуумных труб; его исследования послужили основой для всей последующей работы по изучению плазмы.

138 У Эйнштейна была мечта доказать, что «... элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля...» (Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т. 1. С. 689). Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни неудачному поиску «единой теории поля», которая объединила бы общую теорию относительности (general relativity) (его собственную теорию пространст- ва-времени и гравитации) с теорией электромагнетизма Максвелла. Продвижение к объединению было сделано позже, но в другом направлении. Наша теперешняя теория элементарных частиц и сил, известная как концепция Стандартной Модели (Standard Model) физики элементарных частиц, достигла объединения электромагнетизма (electromagnetism) со слабыми взаимодействиями (weak interactions), сил, управляющих взаимопревращением нейтронов и протонов в радиоактивных процессах и в недрах звезд. Стандартная Модель дает отдельное, но похожее описание сильного взаимодействия (strong interactions), удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер.

85

рых во Вселенной оценивается как 5 · 102 см−3. Их массы покоя равны нулю, а энергия Еγ = hν, где постоянная Планка h = 6,62606896(33) · 10−34 Дж · с, ν – частота излучения.

Электроны в газе

В физике широко используется тезис о том, что в воздухе всегда присутствуют свободные электроны139, в частности образовавшиеся вследствие космической радиации, а на поверхности Земли постоянно находится отрицательный заряд, определяющий напряженность электрического поля

~130 В/м.

Объясняется это тем, что на освещенной Солнцем стороне Земли образуется избыточно насыщенный электронами слой с максимальной концентрацией зарядов в зенитной точке, с уменьшением плотности зарядов к сумеречным краям и ночной стороне Земли. Избыточный заряд растекается по электропроводящим верхним слоям Земли к зонам усиленного выпадения атмосферных осадков. Схема образования «электронного облака» на Земле приведена на рис. 1.2.24.

Подвижность электронов в воздухе140 составляет 0,1 м2 · В−1 · с−1, а концентрация электронов ne не превышает значение 10 см−3 (для сравнения в ионизирующей воздух люстре Чижевского предполагается концентрация электронов 106 см−3 – как на высоте 400 км над поверхностью Земли).

Помимо Солнца во Вселенной имеется и множество других источников космического излучения, доходящего до поверхности Земли, взаимодействующего с молекулами газов атмосферного воздуха и

веществами поверхности Земли и, как результат, генерирующего возникновение свободных электронов.141

Рис. 1.2.24. Образование «электронного облака» на Земле

Эффективность электронной эмиссии, возникающей под воздействием космических излучений, очень низка для большинства технологий, требующих свободных электронов, поэтому предложено более пяти различных способов активизации процесса эмиссии, часть из которых рассматривается ниже.

Электронной эмиссией называется явление выхода электронов из твердого тела или газовой плазмы в вакуум или газ. Среда, испускающая электроны, называется эмиттером142. Чтобы электрон покинул эмиттер, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода143.

Электрон, выходя из эмиттера, преодолевает так называемый потенциальный барьер. Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий:

139По тексту мы будем называть их свободными («солнечными») электронами, имея в виду их происхождение. Именно на этих инициативных электронах работают системы ионизации с так называемым холодным катодом, то есть с катодом, который не эмиттирует электроны.

140Подвижность иона воздуха (молекулярного азота) ~1,9 · 10−4 м2/(В · с).

141В ноябре 2008 г. был обнаружен дискретный источник космических лучей, выделяющийся из общегалактического фона» избытком электронов с энергиями от 300 до 800 ГэВ.

142Ашкинази Л. Электронная эмиссия. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ ELEKTRONNAYA_EMISSIYA.html.

143Работа выхода (work function) φ – разница между минимальной энергии, которую необходимо затратить для «непосредственного» удаления электрона из объема твердого тела и энергией Ферми. Работа выхода у металлов: от 4,24 эВ для Zn до 5,32 эВ для Pt.

86

•первое – подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия) – квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, то есть эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэлектронной эмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами – ионэлектронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана простым нагревом материала – термоэлектронная эмиссия. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например, термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия);

•второе – создание внешнего электрического поля,

	обеспечивающего увод испускаемых электронов от эмит-
	тера.
	Вакуумная техника, в основном, имеет дело с ней-
	тральными молекулами газов, и одной из основных задач
	вакуумной техники является реализация каких-либо спо-
	собов управления и счета этих молекул. Управление необ-
	ходимо для формирования векторов скоростей молекул,
	ориентированных в нужном направлении, а счет молекул –
	для контроля процессов откачки вакуумных систем. Ис-
	пользование явления ионизации молекул в специальных
	устройствах – ионизаторах – позволяет решить обе эти	Спираль лампы накаливания из осмиево-
	задачи.
	Для ионизаторов, применяемых в вакуумной технике,	вольфрамового сплава толщиной 40–50 мкм с
		контактными проводниками и держателями
	обычно используют два источника электронов – свобод-
		нити. Спираль термокатода выглядит ана-
	ные («солнечные») электроны и электроны, получаемые в	логично, если убрать держатели.
	результате термоэлектронной эмиссии из прямонакальных
	катодов.

Термоэлектронная эмиссия

Протекание тока в разреженном газе между накаленным электродом (катодом) и положительно заряженным электродом (анодом) было открыто Т.А. Эдисоном (1883); объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж. Дж. Томсоном (1887); теорию термоэлектронной эмиссии разработал О. Ричардсон (1902).

Максимальная плотность тока термоэмиссии j определяется по известной формуле144, в которой главным компонентом является отношением работы выхода φ к температуре термокатода Т:

j = 120,4 Т2 ехр (– 11600 φ/Т), А · см−2,

где 11600 К соответствуют 1 эВ.

Срок службы катода всегда ограничен испарением катода и чаще всего резко сокращается из-за недостаточного разрежения газа и наличия избытка кислорода, окисляющего металл катода (например, вольфрама, торированного вольфрама, тантала, иридия и т.д.145). Обычно термокатоды имеют производительность по току эмитируемых электронов (5–100) мА/Вт при сроке службы (100– 5) тыс. ч и температуре от1000 до 2500 К.

На рис. 1.2.25 изображена схема рентгеновской трубки146, которая является одним из самых ярких примеров совместного использования идеологий разреженного газа (технического вакуума), газовой электроники и широко используется на практике с 1895 г. по наше время.

144Термоэлектронная эмиссия: Учебное пособие. МФТИ URL: http://ffke.fizteh.ru/for_students/mat2/Posobia/ f_3nvlw5/3.pdf.

145См. подробнее в кн.: Александрова А.Т. Заготовка деталей электровакуумных приборов: Учебник для профессионально-технических училищ / А.Т. Александрова, Г.А. Полотай. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1986. – 223 с.;

Светцов В.И. Вакуумная и плазменная электроника: Учебное пособие. Иваново: изд-во Ивановского гос.

хим.-технол. ун-та , 2003. – 172 с.

146Современная рентгеновская трубка имеет следующие характеристики: предельно допустимое уско-

ряющее напряжение (1–500) кВ, электронный ток (10−5–1) А, удельная мощность, рассеиваемая анодом,

87

От обычных ионизаторов и радиоламп (вакуумных диодов) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение Ua (более 1 кВ в рентгеновских трубках и около 150 В в ионизаторах и диодах) и устройство анода – выбор материала и наличие охлаждения, так как торможение электронов происходит с выделением тепла.

Рис. 1.2.25. Схематическое изображение рентгеновской трубки:

K – термокатод; А – анод; Охл – система охлаждения анода; Uh – напряжение накала катода; Ua – ускоряющее напряжение; in и out – впуск и выпуск водяного охлаждения соответственно

В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, из молибдена (порядковый номер в периодической системе элементов Z = 42). В процессе ускорения-торможения лишь около 1 % кинетической энергии электронов используется для генерации рентгеновского излучения, а 99 % энергии электронов превращается в тепло. Разрешение рентгеновских аппаратов с вольфрамовыми прямонакальными термокатодами находится на уровне

50 мкм.

Длина волны рентгеновского излучения от 10–4 до 10–10 м в зависимости от атомного номера материала анода.

Несмотря на то, что основное назначение рентгеновской трубки – генерация тормозного излучения, можно заметить изображенные на рис. 1.2.25 термоэлектроны на своем пути к аноду будут производить ионизацию нейтральных молекул остаточного газа в трубке147, а попадая на анод, десорбировать молекулы, находящиеся в связанном состоянии на поверхности анода148, вызывать вторичную электронную эмиссию и, в свою очередь, фотоэлектронную эмиссию.

Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами149.

Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны).

(10–104) Вт/мм2, общая потребляемая мощность (2 · 10−3 – 6 · 104) Вт, размеры фокусного пятна пучка электронов на аноде (10−6 − 10−3) м. КПД рентгеновской трубки составляет всего (0,1 – 3) %. В 2005 г. компанией Siemens Medical Solutions представлен компьютерный томограф с двумя источниками рентгеновского излучения. Источники рентгеновского излучения с холодным полевым катодом, содержащим углеродные нанотрубки в качестве эмиттера, имеют разрешение лучше 5 мкм (2008 г.).

147Остаточный газ – газ, который все еще заполняет объем после его откачки, именно этот газ является разреженным.

148Подобная электронная бомбардировка поверхностей вакуумных камер используется для очистки (путем удаления сорбированных молекул). Такая технология носит название «электронный душ».

149См. подробнее в очень интересной и неустаревшей кн.: Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969. – 407 с.

88

Рис. 1.2.26. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии (КВЭ) от энергии первичных электронов We

Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется «коэффициентом вторичной эмиссии» (КВЭ) – отношением тока вторичных электронов к току первичных, энергетическим спектром вторичных электронов, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов. Зависимость КВЭ от величины энергии падающих на платину и алюминий первичных электронов изображена на рис. 1.2.26.

Характеристики вторичной электронной эмиссии зависят как от энергии первичных электронов We , так и угла их падения, химического состава, состояния и рельефа поверхности образца.

Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов выше 10 эВ. Если энергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов.

С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает, а потом начинает убывать, посколь-

ку существенная часть вторичных электронов рождается на большей глубине – глубине проникания первичных электронов – и число электронов, выходящих наружу, уменьшается. Основные области

применения вторичной электронной эмиссии – вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители150.

В вакуумной технике вторичная электронная эмиссия − явление, безусловно, вредное, несмотря на то, что КВЭ в области низких энергий первичных электронов (около 100 эВ) мал.

Вторичная электронная эмиссия, возникающая в вакуумных системах по разным причинам, приводит к существенным искажениям, в частности результатов измерений, производимых электронными манометрами (следует помнить, что приход положительно заряженного иона на поверхностьколлектор и уход с этого коллектора электрона – события совершенно неразличимые во внешней (измерительной) цепи).

Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов), при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для каждого вещества существует порог – минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, ниже которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Скорость вылетевших электронов определяется из выражения:

½ mе vе2= hν − φ,

(1.2.32)

где vе – скорость электронов; mе – масса электрона; φ – работа выхода (для большинства металлов

φ ≥ 3 эВ).

При hν =12 эВ квантовый выход чистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, а для Bi – 0,015 электронов/фотон.

На рис. 1.2.27 представлена схема сцинтилляционного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), изобретенного в 1930 г. 24-летним русским ученым Л.А. Кубецким, который «по наивности» рассказал о ФЭУ визитирующему «американцу» В.К. Зворыкину, запатентовавшему его в 1935 г. в Америке. В ФЭУ фотоэлектроны из фотокатода и вторичные электроны с динодов позволяют преобразовывать потоки различных излучений в электрический аналог.

Конфокальные микроскопы, спектрофотометры, оптические дальномеры, лазерные локаторы, астронавигационная аппаратура и т. п. используют ФЭУ для измерения интенсивности света. Спектральная чувствительность фотоэлектронных умножителей зависит от химического состава фотокатода: самые лучшие модели содержат элементы GaAs (арсенид галлия), которые чувствительны в диапазоне от 300 до 800 нм.

Не менее интересен еще один представитель электровакуумных приборов – электроннооптический преобразователь (ЭОП), устройство, содержащее, помимо фотокатода и усилителя, бомбардируемый электронным потоком люминесцентный экран, на котором происходит визуализация изображения.

150 См. подробнее в кн.: Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982. – 464 с.

89

Рис. 1.2.27. Фотоэлектронный умножитель – электровакуумный прибор для регистрации ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т.д.) и регистрации света:

1 – инициирующий фотон; 2 – сцинтиллятор; 3 – фотон; 4 – фотокатод; 5 – фокусирующий фотоэлектроны

электрод; 6 – электроны; 7 – диноды, обладающие коэффициентом вторичной эмиссии больше 1; 8 – анод, на который приходит ток, усиленный до108 раз151

ЭОП широко используются в современных приборах ночного видения152. Но в качестве усилителей электронных потоков в таких приборах применяется микроканальная пластина (МКП)153, не являющаяся электровакуумным прибором в обычном смысле этого понятия. Но МКП соответствуют вакуумному критерию Кнудсена для обеспечения размножения электронов, так как длина свободного пробега электронов при атмосферном давлении составляет примерно 2·10–6 м. МКП представляют собой сотовые структуры, образованные большим числом стеклянных трубок (каналов) диаметром (5 – 15) · 10−6 м с внутренней полупроводящей поверхностью.

Автоэлектронная эмиссия (автоэмиссия, полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой (107 – 108 В/см) напряженности. Ее открыл американец Р. Вуд154 (1897) в одном из своих бесчисленных экспериментов.

Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения (как при термоэлектронной эмиссии), а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем высокой напряженности.

В режиме автоэмиссии получают токи порядка 107 А · см−2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 109 А · см−2 в импульсном режимах (τимп = 10−9 с). При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается.

Открытие автоэлектронной эмиссии привело к появлению совершенно новой области микро- и наноэлектроники, так называемой вакуумной микроэлектроники, позволило создать новые фундаментальные методы исследования топологии поверхности с атомным разрешением (сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия сверхвысокого разрешения, туннельная микроскопия, электронная голография и др.).

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность тока эмиссии. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих над поверхностью и на поверхности в высоком вакууме: диффузии, поверхностной миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности.

151Фотоэлектронные умножители. URL: http: //learn.hamamatsu.com/articles/photomultipliers.html

152Прибор ночного видения вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасном, ультрафиолетовом или рентгеновском спектре) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения.

153Микроканальные пластины (МКП) – класс изделий электронной техники, предназначенных для работы,

втом числе в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений.

154Подробнее об этом исключительно интересном человеке см. в кн.: Сибрук В. Роберт Вильямс Вуд – современный чародей физической лаборатории. Ленинград: ОГИЗ, Гос. изд. технико-теоретической литературы.

М., 1946. Бесплатная on-line версия URL: http://thelib.ru/books/sibruk_vilyam/robert_vilyams_ vud_sovremenniy_ charodey_fizicheskoy_laboratorii-read.html.

90