熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的實(shí)驗(yàn)分析

熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的實(shí)驗(yàn)分析本文介紹了熱表面電離法監(jiān)測鋰(Li)原子蒸氣密度的實(shí)驗(yàn)研究。制作了熱表面電離計(jì)，分析了離子流與鋰蒸氣密度的關(guān)系，驗(yàn)證了熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的可行性。對原子與金屬表面作用的機(jī)制、電荷交換的各種情況以及金屬表面的物理化學(xué)性質(zhì)開展了分析。

在金屬冶煉、真空鍍膜等工業(yè)過程中，靶材金屬原子蒸氣密度決定著靶材的供料速率及其他一些重要參數(shù)，直接影響著工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。所以對靶材金屬原子蒸氣密度開展實(shí)時(shí)監(jiān)測有著非常重要的意義。

本研究根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，自行設(shè)計(jì)并制作了熱表面電離計(jì)，并開展了用熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的實(shí)驗(yàn)研究。分別測量離子流與收集場電壓、加熱燈絲功率以及鋰蒸發(fā)源溫度的關(guān)系，分析了鋰原子與金屬表面作用的機(jī)制，驗(yàn)證了用熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的可行性。

1、實(shí)驗(yàn)原理

金屬原子打在熱金屬表面上會(huì)發(fā)生電荷交換(被電離)產(chǎn)生正離子，如果在熱金屬表面附近放置適當(dāng)?shù)碾x子收集極，該收集極相對于熱金屬表面處于負(fù)電位，這樣被電離產(chǎn)生的離子就會(huì)被收集極捕獲，形成一個(gè)離子流電流，通過測量該電流的大小可以得到與金屬原子蒸氣密度有關(guān)的信息。

低能原子打在金屬表面，當(dāng)金屬表面溫度較低時(shí)，表面吸附作用起主要作用;當(dāng)金屬表面溫度到達(dá)一定程度時(shí)，原子吸收熱量便有可能掙脫吸附。表面吸附對入射原子和被吸附金屬都會(huì)產(chǎn)生重要影響。一方面，吸附原子的價(jià)電子能級將發(fā)生移動(dòng);另一方面，被吸附金屬的表面功函數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。在此過程中，吸附原子與金屬之間還存在電荷交換效應(yīng)。對于堿金屬原子，如果其電離能小于金屬的功函數(shù)，則堿金屬原子非常容易正離子化;反之則離子化和中性化的可能都存在。

堿金屬原子在熱金屬表面上被電離的電離效率可寫成：

3、實(shí)驗(yàn)過程與分析

3.1、離子流與收集場電壓的關(guān)系

用直流恒流源保持電離計(jì)熱絲電流0.7A，用加熱蒸發(fā)電源保持鋰蒸發(fā)源溫度500℃。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源提供的收集場電壓，從4V增加到25V。測量得到離子流與收集場電壓的關(guān)系曲線，如圖4所示。圖中前半部分變化趨勢較明顯。隨著收集場電壓的升高，離子流電流明顯增大。這說明電離產(chǎn)生的離子受收集場的影響，被收集極捕獲，并隨著收集場的增強(qiáng)，捕獲率也相應(yīng)提高。但是從15V到25V這一區(qū)間內(nèi)離子流大小基本保持穩(wěn)定，分析此現(xiàn)象認(rèn)為熱絲在此工作狀態(tài)下，鋰原子被電離產(chǎn)生的離子幾乎全部被收集場收集，到達(dá)飽和狀態(tài)，此時(shí)即為飽和電壓。在隨后的實(shí)驗(yàn)中我們調(diào)高熱絲的電流，增大其功率，則飽和電壓相應(yīng)提高，也證實(shí)了這一判斷。

圖4離子流與收集場電壓關(guān)系

3.2、離子流與熱絲電流的關(guān)系

用穩(wěn)壓電源保持收集場電壓為11V，保持鋰蒸發(fā)源蒸發(fā)溫度800℃。調(diào)節(jié)直流恒流源，使電離計(jì)熱絲電流從0.6A增加到1.7A。測得離子流與電離計(jì)熱絲功率的關(guān)系曲線，如圖5所示。觀察圖5離子流與熱絲功率的變化曲線，可將整個(gè)變化過程分為三個(gè)階段，第一階段離子流隨熱絲功率增大緩慢增大，第二階段變化較快，第三階段又趨于平緩。據(jù)分析這應(yīng)該是受到了金屬表面對堿金屬的吸附作用的影響。

圖5離子流與熱絲功率關(guān)系

固體表面上的吸附按其作用力的本質(zhì)來分，可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。物理吸附的機(jī)理是由于分子間作用力的作用，吸附勢相對較低，約為1千卡/克分子?；瘜W(xué)吸附則由吸附物與固體表面分子(原子)之間的化學(xué)作用引起，在吸附過程中將發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移或公有，原子重排和化學(xué)鍵的斷裂與形成等過程?；瘜W(xué)吸附勢相對較高，大約為5~100千卡/克分子。分子(原子)趨近于金屬表面時(shí)，一般先發(fā)生物理吸附，隨著距離的縮短，會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附。

離子流與熱絲功率關(guān)系的三個(gè)階段中：第一階段，當(dāng)金屬表面溫度較低時(shí)，堿金屬原子與金屬表面既存在熱表面電離現(xiàn)象，又存在較強(qiáng)烈的表面吸附現(xiàn)象，所以導(dǎo)致離子流隨熱絲功率增大緩慢增大;隨后熱絲功率增大，金屬表面溫度增高，表面吸附現(xiàn)象逐漸消失，第二階段反映的是正常的離子流與熱絲溫度的變化關(guān)系;第三階段曲線變化趨于平緩，說明熱絲溫度足夠高，以至于熱絲表面的熱離子功函數(shù)到達(dá)飽和狀態(tài)，觀察飽和點(diǎn)大約在熱絲功率為8W(電流1.6A電壓5V)附近得到。

3.3、離子流與鋰蒸發(fā)源溫度的關(guān)系

用直流恒流源保持電離計(jì)熱絲電流為1.6A(電壓5V)，用穩(wěn)壓電源保持收集場電壓為11V，用PID自整定加熱電源調(diào)節(jié)鋰蒸發(fā)源蒸發(fā)溫度，從450℃增加到780℃，測得離子流與鋰蒸發(fā)源溫度關(guān)系(如圖6)。圖6中的點(diǎn)■為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn);實(shí)線為根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算得出的鋰原子蒸氣密度與蒸發(fā)源溫度的關(guān)系曲線。通過比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算符合的較好，離子流大小基本上可間接反映出鋰原子蒸氣密度的大小。

圖6離子流、鋰原子蒸氣密度與蒸發(fā)溫度關(guān)系

圖7離子流與鋰原子蒸氣密度關(guān)系

為了進(jìn)一步分析兩者的關(guān)系，圖7給出了離子流與鋰原子蒸氣密度的關(guān)系曲線(▲為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)線為線性擬合后的曲線)。從中可看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)離子流與理論計(jì)算得到的鋰原子蒸氣密度存在明顯的線性關(guān)系，進(jìn)一步確定了熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的可行性。

4、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用自制的熱表面電離計(jì)，開展了熱表面電離法監(jiān)測鋰原子蒸氣密度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，證實(shí)了熱表面電離法監(jiān)測