熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的實(shí)驗研究

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

　　在金屬冶煉、真空鍍膜等工業(yè)過(guò)程中，靶材金屬原子蒸氣密度決定著(zhù)靶材的供料速率及其他一些重要參數，直接影響著(zhù)工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。所以對靶材金屬原子蒸氣密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測有著(zhù)非常重要的意義。

　　本研究根據實(shí)際應用需要，自行設計并制作了熱表面電離計，并開(kāi)展了用熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的實(shí)驗研究。分別測量離子流與收集場(chǎng)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制，驗證了用熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。

1、實(shí)驗原理

　　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的離子收集極，該收集極相對于熱金屬表面處于負電位，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(guò)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，當金屬表面溫度較低時(shí)，表面吸附作用起主要作用;當金屬表面溫度達到一定程度時(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也會(huì )發(fā)生改變。在此過(guò)程中，吸附原子與金屬之間還存在電荷交換效應。對于堿金屬原子，如果其電離能小于金屬的功函數，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(xiě)成：

　　3、實(shí)驗過(guò)程與分析

　　3.1、離子流與收集場(chǎng)電壓的關(guān)系

　　用直流恒流源保持電離計熱絲電流0.7 A，用加熱蒸發(fā)電源保持鋰蒸發(fā)源溫度500℃。調節穩壓源提供的收集場(chǎng)電壓，從4 V 增加到25 V。測量得到離子流與收集場(chǎng)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4 所示。圖中前半部分變化趨勢較明顯。隨著(zhù)收集場(chǎng)電壓的升高，離子流電流明顯增大。這表明電離產(chǎn)生的離子受收集場(chǎng)的影響，被收集極捕獲，并隨著(zhù)收集場(chǎng)的增強，捕獲率也相應提高。但是從15 V 到25 V 這一區間內離子流大小基本保持穩定，分析此現象認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(chǎng)收集，達到飽和狀態(tài)，此時(shí)即為飽和電壓。在隨后的實(shí)驗中我們調高熱絲的電流，增大其功率，則飽和電壓相應提高，也證實(shí)了這一判斷。

圖4 離子流與收集場(chǎng)電壓關(guān)系

　　3.2、離子流與熱絲電流的關(guān)系

　　用穩壓電源保持收集場(chǎng)電壓為11 V，保持鋰蒸發(fā)源蒸發(fā)溫度800℃。調節直流恒流源，使電離計熱絲電流從0.6 A 增加到1.7 A。測得離子流與電離計熱絲功率的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5 所示。觀(guān)察圖5 離子流與熱絲功率的變化曲線(xiàn)，可將整個(gè)變化過(guò)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。據分析這應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(lái)分，可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類(lèi)。物理吸附的機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(guò)程中將發(fā)生電子的轉移或公有，原子重排和化學(xué)鍵的斷裂與形成等過(guò)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(zhù)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象，又存在較強烈的表面吸附現象，所以導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(xiàn)變化趨于平緩，說(shuō)明熱絲溫度足夠高，以至于熱絲表面的熱離子功函數達到飽和狀態(tài)，觀(guān)察飽和點(diǎn)大約在熱絲功率為8 W (電流1.6 A 電壓5 V)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熱絲電流為1.6 A(電壓5 V)，用穩壓電源保持收集場(chǎng)電壓為11 V，用PID 自整定加熱電源調節鋰蒸發(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)驗數據點(diǎn);實(shí)線(xiàn)為根據公式(2)、(3)計算得出的鋰原子蒸氣密度與蒸發(fā)源溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)比較發(fā)現，實(shí)驗結果與理論計算符合的較好，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(xiàn)(▲為實(shí)驗數據點(diǎn)，實(shí)線(xiàn)為線(xiàn)性擬合后的曲線(xiàn))。從中可看出，在實(shí)驗范圍內離子流與理論計算得到的鋰原子蒸氣密度存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系，進(jìn)一步確定了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。

4、結論

　　本實(shí)驗利用自制的熱表面電離計，開(kāi)展了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的相關(guān)實(shí)驗研究，通過(guò)對實(shí)驗結果的分析，證實(shí)了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。熱表面電離技術(shù)不僅可用于堿金屬元素，還可用于對堿土金屬、第三族元素、堿金屬鹵化物和中性分子進(jìn)行監測與測量，使用該方法可方便、簡(jiǎn)潔、快速的實(shí)現原子蒸氣密度的實(shí)時(shí)監測，對金屬冶煉、真空鍍膜等工業(yè)有著(zhù)很高的實(shí)用價(jià)值。