热表面电离法监测锂原子蒸气密度的实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业理化工程研究院 作者:王鑫

  本文介绍了热表面电离法监测锂(Li)原子蒸气密度的实验研究。制作了热表面电离计,分析了离子流与锂蒸气密度的关系,验证了热表面电离法监测锂原子蒸气密度的可行性。对原子与金属表面作用的机制、电荷交换的各种情况以及金属表面的物理化学性质进行了分析。

  在金属冶炼、真空镀膜等工业过程中,靶材金属原子蒸气密度决定着靶材的供料速率及其他一些重要参数,直接影响着工作效率和产品质量。所以对靶材金属原子蒸气密度进行实时监测有着非常重要的意义。

  本研究根据实际应用需要,自行设计并制作了热表面电离计,并开展了用热表面电离法监测锂原子蒸气密度的实验研究。分别测量离子流与收集场电压、加热灯丝功率以及锂蒸发源温度的关系,分析了锂原子与金属表面作用的机制,验证了用热表面电离法监测锂原子蒸气密度的可行性。

1、实验原理

  金属原子打在热金属表面上会发生电荷交换(被电离)产生正离子,如果在热金属表面附近放置适当的离子收集极,该收集极相对于热金属表面处于负电位,这样被电离产生的离子就会被收集极捕获,形成一个离子流电流,通过测量该电流的大小可以得到与金属原子蒸气密度有关的信息。

  低能原子打在金属表面,当金属表面温度较低时,表面吸附作用起主要作用;当金属表面温度达到一定程度时,原子吸收热量便有可能挣脱吸附。表面吸附对入射原子和被吸附金属都会产生重要影响。一方面,吸附原子的价电子能级将发生移动;另一方面,被吸附金属的表面功函数也会发生改变。在此过程中,吸附原子与金属之间还存在电荷交换效应。对于碱金属原子,如果其电离能小于金属的功函数,则碱金属原子非常容易正离子化;反之则离子化和中性化的可能都存在。

  碱金属原子在热金属表面上被电离的电离效率可写成:

碱金属原子在热金属表面上被电离的电离效率

  3、实验过程与分析

  3.1、离子流与收集场电压的关系

  用直流恒流源保持电离计热丝电流0.7 A,用加热蒸发电源保持锂蒸发源温度500℃。调节稳压源提供的收集场电压,从4 V 增加到25 V。测量得到离子流与收集场电压的关系曲线,如图4 所示。图中前半部分变化趋势较明显。随着收集场电压的升高,离子流电流明显增大。这表明电离产生的离子受收集场的影响,被收集极捕获,并随着收集场的增强,捕获率也相应提高。但是从15 V 到25 V 这一区间内离子流大小基本保持稳定,分析此现象认为热丝在此工作状态下,锂原子被电离产生的离子几乎全部被收集场收集,达到饱和状态,此时即为饱和电压。在随后的实验中我们调高热丝的电流,增大其功率,则饱和电压相应提高,也证实了这一判断。

 离子流与收集场电压关系

图4 离子流与收集场电压关系

  3.2、离子流与热丝电流的关系

  用稳压电源保持收集场电压为11 V,保持锂蒸发源蒸发温度800℃。调节直流恒流源,使电离计热丝电流从0.6 A 增加到1.7 A。测得离子流与电离计热丝功率的关系曲线,如图5 所示。观察图5 离子流与热丝功率的变化曲线,可将整个变化过程分为三个阶段,第一阶段离子流随热丝功率增大缓慢增大,第二阶段变化较快,第三阶段又趋于平缓。据分析这应该是受到了金属表面对碱金属的吸附作用的影响。

离子流与热丝功率关系

图5 离子流与热丝功率关系

  固体表面上的吸附按其作用力的本质来分,可分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附的机理是由于分子间作用力的作用,吸附势相对较低,约为1 千卡/ 克分子。化学吸附则由吸附物与固体表面分子(原子)之间的化学作用引起,在吸附过程中将发生电子的转移或公有,原子重排和化学键的断裂与形成等过程。化学吸附势相对较高,大约为5~100 千卡/ 克分子。分子(原子)趋近于金属表面时,一般先发生物理吸附,随着距离的缩短,会发生化学吸附。

  离子流与热丝功率关系的三个阶段中:第一阶段,当金属表面温度较低时,碱金属原子与金属表面既存在热表面电离现象,又存在较强烈的表面吸附现象,所以导致离子流随热丝功率增大缓慢增大;随后热丝功率增大,金属表面温度增高,表面吸附现象逐渐消失,第二阶段反映的是正常的离子流与热丝温度的变化关系;第三阶段曲线变化趋于平缓,说明热丝温度足够高,以至于热丝表面的热离子功函数达到饱和状态,观察饱和点大约在热丝功率为8 W (电流1.6 A 电压5 V)附近得到。

  3.3、离子流与锂蒸发源温度的关系

  用直流恒流源保持电离计热丝电流为1.6 A(电压5 V),用稳压电源保持收集场电压为11 V,用PID 自整定加热电源调节锂蒸发源蒸发温度,从450℃增加到780℃,测得离子流与锂蒸发源温度关系(如图6)。图6 中的点■为实验数据点;实线为根据公式(2)、(3)计算得出的锂原子蒸气密度与蒸发源温度的关系曲线。通过比较发现,实验结果与理论计算符合的较好,离子流大小基本上可间接反映出锂原子蒸气密度的大小。

离子流、锂原子蒸气密度与蒸发温度关系

图6 离子流、锂原子蒸气密度与蒸发温度关系

离子流与锂原子蒸气密度关系

图7 离子流与锂原子蒸气密度关系

  为了进一步分析两者的关系,图7 给出了离子流与锂原子蒸气密度的关系曲线(▲为实验数据点,实线为线性拟合后的曲线)。从中可看出,在实验范围内离子流与理论计算得到的锂原子蒸气密度存在明显的线性关系,进一步确定了热表面电离法监测锂原子蒸气密度的可行性。

4、结论

  本实验利用自制的热表面电离计,开展了热表面电离法监测锂原子蒸气密度的相关实验研究,通过对实验结果的分析,证实了热表面电离法监测锂原子蒸气密度的可行性。热表面电离技术不仅可用于碱金属元素,还可用于对碱土金属、第三族元素、碱金属卤化物和中性分子进行监测与测量,使用该方法可方便、简洁、快速的实现原子蒸气密度的实时监测,对金属冶炼、真空镀膜等工业有着很高的实用价值。

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