Меню Рубрики

Установки которая создает вакуум

Устройство и работа вакуумной системы

Многочисленные области производства не мыслят свое существование без использования технологий вакуума. Металлургия, медицина, химическая индустрия, сушка, промышленность полупроводников – это лишь несколько примеров того, где используется вакуумная техника. Самым известным примером является упаковка продуктов, которые мы покупаем ежедневно в магазине, кто с нас не видел мясо в «вакуумной упаковке».

Однако применение этих технологий связано не только с потребительским сегментом. Исследования в области химии и медицины уже давно не представляют своего будущего без вакуума. Инструменты исследовательской аналитики не могут функционировать без определённых условий.

Но более всего, конечно, выигрывает от этих систем промышленность и водоподготовка.

Что такое вакуумная система?

Некоторые приборы попросту не функционируют без условий вакуума, поэтому эти условия создаются искусственно. Для этого необходима целая система поддержания состояния в отсеке или контейнере, состоящая из насоса и других компонентов, которые обеспечивают его бесперебойную работу. Кроме того, область вакуума необходимо ограничивать, что делается при помощи предохранителей, клапанов и затворов. И им же нужно управлять, для чего подключаются регулировщики каждого сегмента, которые бывают электронными или механическими, а также оснащаются тепловыми, ионизационными и деформационными датчиками.

Сама же система может создавать вакуум следующих уровней:

  • Вакуум низкого уровня, который применяется в упаковочной сфере и промышленности
  • Вакуум среднего уровня, который имеете зачастую металлургическое и фармацевтическое применение
  • Вакуум высокого и сверхвысокого уровня используется при создании устройств из категории высоких технологий (чипов, плат, телескопов, микроскопов и т.д.)

Вакуумом считается состояние газа с показателями давления ниже атмосферного. Соответственно, чем ниже давление в системе, тем более «высокого» вакуумного уровня оно считается. Значения областей давления за сверхвысоким порогом достигает 10 -11 Па, тогда как низкий вакуум начинается с 10 5 Па. Четких границ не существует, поскольку важны еще и условия создания такого пространства. Одно и то же давление в области при наличии дополнительных параметров считается, как средним, так и высоким вакуумом.

Разделение на категории происходит по силе взаимодействия молекул между собой, а именно в зависимости от длины их свободного пробега.

Особенности каждого вида вакуума следующие:

  • Низкий вакуум имеет усреднённую длину пробега молекул ниже размеров области или сосуда (диаметр трубопровода, например)
  • Средний вакуум имеет длину пробега молекул, которая равна размерам области или сосуда

Сверхвысокий вакуум имеет также свою особенность: он практически не меняет свойства свободной от газа поверхности за какое-либо существенное время.

Создание определенного уровня вакуума зависит от применения насосов. Их количество варьируется в зависимости от сложности установки и целевого назначения всей системы. Концентрация молекул уменьшается во время процесса откачки.

От насосов и конденсаторов (их типов и количества) зависит степень дегазации пространства. Конденсаторы называют ловушками, потому что они собирают газы и пары на холодных поверхностях, а также впитывают их при помощи пористого сорбента (другой тип ловушки). В некоторых случаях для удаления отдельных элементов газов используется ионизация.

Схема простой вакуумной системы

Вакуумные системы состоят из таких компонентов:

  • Два/три насоса, соединённые в определённой последовательности
  • Регуляторов давления и потоков газа
  • Ловушек, улавливающих пары
  • Приборов для измерения состояния области вакуума
  • Затворов, предотвращающих разгерметизацию
  • Трубопроводов, по которым перемещается газ и производится откачка

На схеме видно, как последовательно должны включаться высоковакуумный и низковакуумный насосы для откачки. Низкий вакуум при этом создается с помощью форвакуума. Все насосы в обязательном порядке соединяются с ловушками, которые устанавливают над устройствами. Ловушки служат предохранителями сосуда с откачиваемым объектом. Их предназначение в том, чтобы не допустить попадания вещества насосов в вакуумную среду, а также поймать нежелательные в области откачки газы.

Низковакуумный насос в предложенном примере оснащен ловушкой, которая предохраняет высоковакуумный насос от попадания паров форвакуума.

Вся система соединяется при помощи клапанов и затворов. На схеме трубопроводы отображаются простыми основными линиями, какого бы функционального назначения они не были.

Основная часть вакуумной системы – это камера, в которой и создаются необходимые условия за определённое время на определённый период. На схеме данная камера названа «откачивающим объектом».

Существует классификация камер по типу применения оборудования по созданию вакуума для следующего:

  • Механической обработки
  • Термообработки
  • Синтеза металлов или элементов
  • Проведения экспериментов
  • Нагрева

Кроме того, камеры подразделяются по степени охвата сопутствующего оборудования для работы в вакууме:

  • Машина или агрегат, в которой содержится все оборудование (основное и дополнительное)
  • Механизм – эта часть технических устройств находится внутри

Функциональное назначение камер вакуума бывает следующее:

  • Ввод-вывод – загрузка и транспорт объекта обработки
  • Предварительная подготовка для материалов, передающихся потом к основному узлу
  • Шлюзовая камера, где создаётся или понижается давление последовательно

Соединения между камерами, ловушками и насосами обеспечивают трубопроводы, которые также бывают разных типов (форвакуумный, вакуумный, байпасный и т.д.). Это основная часть любой схемы вакуумной системы, поскольку она соединяет все элементы воедино, обеспечивая бесперебойную работу и взаимосвязанные процессы включения/отключения оборудования.

Что собой представляет автоматическая вакуумная система?

Автоматика используется в таких процессах, которые требуют долгого времени бесперебойной работы вакуумной установки.

Сферы применения таких систем вакуума обычно включают:

  • Большие заводы и производства с налаженными автоматическими линиями
  • Сферы, где требуется загрузка/выгрузка тяжелых грузов (например, древесины)
  • Пожарные автомобили для систем водозаполнения насосов
  • Медицинские учреждения
  • Промышленность всех видов
  • Автомобильное устройство
  • Системы умного дома

В отличие от обычных вакуумных систем автоматические системы оснащены встроенными логическими контролирующими элементами. Именно контроллер управляет всеми частями работы установки, а в случае ошибки или поломки подключает резервные системы. Таким образом, для обслуживания не нужно постоянное или даже временное присутствие персонала, а достаточно проверять состояние вакуума по экранам контроллеров.

Также автоматизированные системы внедряются централизовано, чтобы охватить несколько областей производства или экспериментальных процессов на предприятии. Автоматика позволяет управлять работой установок централизовано и удаленно. Небольшие вакуумные системы имеют около 20 различных параметров, которые настраиваются под пользователя и его нужды. Крупные установки могут оснащаться расширенным функционалом.

Преимуществами автоматических вакуумных систем:

  • Отсутствие необходимости сложного техобслуживания: замены пластин, фильтров масла или самого масла в камере
  • Отсутствие высокого риска смешивания масляной пыли с откачиваемыми газами, поскольку компоненты блокируются автоматически
  • Энергоэффективность, поскольку за счёт упрощения процессов и потребление энергии сокращается

Как правило, автоматика оснащается двумя и более насосами, поскольку один требует гарантии проведения техобслуживания (для этого систему и должны отключить). Два насоса обеспечивают надежность работы, а если в установке их три, то ещё и гарантируют включение резервной системы при возможных неполадках. В зависимости от назначения создания вакуума системы откачки используются параллельно или попеременно.

Устройство вакуумных систем

Как уже упоминалось, система вакуума – это набор устройств, которые призваны создавать, поддерживать и регулировать состояние вакуума в определенной области. В систему входят элементы измерения, откачки, связующие звенья, устройства герметизации и другие сборочные элементы. Конструкция вакуумной системы зависит от ее назначения и характеристик элементов, входящих в ее состав.

Основные элементы устройства вакуумной системы:

  • Камеры, в которых и создаются условия вакуума
  • Трубопроводы, которые перемещают газы по системе
  • Запорно-регулирующие аппараты, предназначенные для герметичности и перекрытия коммуникаций внутри системы
  • Противоаварийные установки, служащие для перекрытия трубопроводов при возникновении неполадок (работают за доли секунды)
  • Напускные установки для плавного регулирования давления, которые запускают воздух или газ в систему
  • Соединения, обеспечивающие герметичность и взаимосвязанность всех элементов установки
  • Насосы для дегазации

Классификация всех элементов производится по их назначению в конкретно взятой вакуумной системе. Камеры и трубопроводы имеют самый большой разброс характеристик, поскольку могут находиться в разных частях установки и применяться, как промежуточные звенья, так и конечные элементы системы.

Запорные аппараты, которые регулируют все процессы внутри сложной агрегатной системы, применяются на всех уровнях вакуума:

Все они бывают разных приводов: от полноценной механики до электрических модификаций в автоматических системах (электро-механические, электромагнитные, пневматические или гидравлические). Не последнюю роль играет способ, которым эти «малыши» обеспечивают герметизацию всех узлов вакуумной системы. Применяется уплотнитель или расплавляемые металлы.

В условиях высокого и сверхвысокого вакуума клапаны срабатывают очень часто, особенно при прогревах, поэтому, в таких системах используют усиленную герметизацию.

Соединения запорных аппаратов и других элементов системы подразделяют установки вакуума на такие виды:

    Разъемные, которые можно спокойно разбирать, и детали не будут деформированы или разрушены в процессе

Выбор одного из двух способов стыковки элементов зависит от условий создания вакуума и рабочих температур.

Работа вакуумных систем

Получить вакуум можно при помощи удаления газа из камеры. В одном случае газ направляется вне вакуумной системы, а в другом связывается внутри установки. Для этого используются насосы, запускающие весь процесс создания условий в камере.

Газ перемещается по системе порциями, но непрерывно. Его удаление происходит через изоляцию в рабочей камере насоса, а затем передачу за пределы откачивающего элемента. Это происходит при помощи сжатия газа в процессе перемещения так, чтобы его давление было больше, чем давление на выходе из насоса.

Во время работы откачивающих систем вакуума возможны следующие негативные явления:

  • Проникают пары в объект откачки (в вакууме)
  • Откачиваемые вещества загрязняют насос
  • Происходит потеря рабочей жидкости

Во всех этих случаях применяются ловушки, которые запускаются вместе с насосами в системе. Обычно на каждый насос существует своя ловушка, которая выступает предохранителем для условий, создающихся в камере.

Цикл откачки и удаления нежелательных элементов повторяется снова и снова, пока в камере не будет достигнуты необходимые условия вакуума. Поддержание этого состояния зависит от регулярности работы насоса, а также клапанов системы. Насосы, которые связывают газы, не откачивают их, а захватывают в твердом состоянии. И те, и другие имеют трудности и ограничения, особенно, когда необходимо откачать водород или неон.

Последовательное соединение насосов обеспечивает их цикличную работу на разных ступенях. Это применяется для создания сверхвысокого и высокого вакуума. Откачка газа проходит несколько этапов регуляции и изменения давления в системе, постепенно достигая нужной отметки дегазованности. Впоследствии условия поддерживаются в камере через повторное включение насосов и герметизацию объекта откачки.

Примером тому является система принудительного вытеснения. Она имеет ручной водяной насос, который внутри самого себя способен создать герметичную область вакуума. Происходит перепад давления и жидкость из целевой камеры (например, колодца) перемещается в эту область, после чего она закрывается со стороны целевой камеры, но открывается в сторону атмосферы. В процессе область сжимается до минимально возможного размера, что и выталкивает жидкость дальше. Поддержание в насосе вакуума обеспечивается расширением и закупориванием области перемежающимися периодами прохождения через полость воды.

источник

Технический вакуум и способы его получения

Вакуумная электроника: способы получения технического вакуума и свободных носителей заряда в вакууме

Технический вакуум и способы его получения.

Вакуум означает пространство, свободное от вещества. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В технике и прикладной физике под словом вакуум понимается пространство, содержащее газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Обычно техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр) говорят о достижении низкого вакуума (при этом в каждом кубическом сантиметре оказывается примерно 10 16 молекул).

В качестве одной из характеристик технического вакуума часто рассматривается соотношение между длиной свободного пробега молекул газа (λ) и характерным размером среды (d). В таком подходе под d понимается расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий ((λ/d) > 1) вакуум.

В другом подходе, при описании параметров различных технических установок и устройств, уровень вакуума определяют по давлению в среде. По этому признаку низкому техническому вакууму обычно соответствуют давления выше 100 Па, среднему — от 100 до 0,1 Па, высокому — от 0,1 до 10 мкПа. Область еще более низких давлений относят к сверхвысокому вакууму. Однако, при определении уровня вакуума в некотором объеме по давлению всегда следует оговаривать расстояния между стенками рассматриваемого пространства. Так например, в вакуумных установках и приборах размером d = 10 см низкому вакууму соответствует область давлений выше 10 2 н/м 2 (1 мм рт. ст.), среднему вакууму — от 10 2 до 10 -1 н/м 2 (от 1 до 10 -3 мм рт. ст. ) и высокому вакууму — ниже 0,1 н/м 2 (10 -8 мм рт. ст. ). Для указанных объемов область давлений ниже 10 -6 н/м 2 (10 -8 мм рт. cm. ) обычно называют сверхвысоким вакуумом. Но, например, в порах или каналах диаметром d = 1 мкм поведение газа соответствует высокому вакууму при давлениях, начиная с 10 3 н/м 2 (десятки мм рт. ст.), поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.

Наиболее высокая степень вакуума, достигаемая существующими методами, соответствует давлениям 10 -13 —10 -14 н/м 2 (10 -15 —10 -16 мм рт. ст. ). При этом в 1 см 3 объёма остаётся всего несколько десятков молекул. Достигаемая степень разрежения определяется равновесием между скоростью откачки газа и скоростью его поступления в откачиваемый объём. Поступление может происходить за счёт проникновения газа в вакуумную камеру извне через микроскопические отверстия (течи), а также в результате выделения газа, адсорбированного стенками или растворённого в них.

Свойства газа в условиях низкого вакуума определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (вязкостью). Его течение подчиняется законам аэродинамики. Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого вакуума характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком вакууме изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла или вещества не зависит от давления. Если газ находится в двух сообщающихся сосудах при различных температурах, то при равновесии давления в этих сосудах равны. При прохождении тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация молекул газа.

В вакуумной электронике используют технический вакуум с очень низким остаточным давлением 10 -11 —10 -12 н/м 2 . Такой вакуум называют сверхвысоким.

Особенности сверхвысокого вакуума связаны уже не с соударениями частиц, а с другими процессами на поверхностях твёрдых тел, находящихся в вакууме. Поверхность любого тела всегда покрыта тонким слоем газа, который может быть удалён нагревом. После этого поверхностные свойства тел резко изменяются: сильно увеличивается коэффициент трения, в ряде случаев становится возможной сварка материалов даже при комнатной температуре и т.д. Слой газа, удалённый с поверхности твердого тела посредством его нагрева, постепенно восстанавливается в результате адсорбции молекул газа, бомбардирующих поверхность, что сопровождается изменением её поверхностных свойств. Для изменения этих свойств достаточно образования мономолекулярного слоя газа. Время t, необходимое для образования такого слоя в вакууме, обратно пропорционально давлению. При давлении p = 10 -4 н/м 2 (10 -6 мм рт. ст .) время t равно 1 сек, при других давлениях время t (сек) может оцениваться по формуле: t = 10 -6 * р, где р — давление в мм рт. ст. (или по формуле t = 10 -4 * р), где р — давление в н/м 2 . Эти формулы справедливы, если каждая молекула газа, ударяющаяся о поверхность, остаётся на ней (т.е., при коэффициенте захвата равном единице). В ряде случаев коэффициент захвата меньше 1 и тогда время образования мономолекулярного слоя соответственно увеличивается. При р -6 н/м 2 (10 -8 мм рт. ст. ) образование мономолекулярного слоя газа происходит за время, превышающее несколько мин. Сверхвысоким называют такой вакуум, в котором за время наблюдения не происходит существенного изменения свойств поверхности (первоначально свободной от газа) вследствие её взаимодействия с молекулами газа.

Технический вакуум в приборах вакуумной электроники (радиолампах, магнетронах, электронно-лучевых трубках и т.п.) получают с помощью специальных насосов (вакуумных насосов). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При (λ/d)>> 1 молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10 −5 торр) (10 11 молекул на 1 см³). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже давления, которое в технике принято называть сверхвысоким вакуумом. Например, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже (1 молекула на 1 см³).

Для поглощения газов и создания глубокого вакуума используются геттеры. Более широкий термин «вакуумная техника» включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д.

Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например, в пористый титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое количество носителей тепла (газ фононов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами. Тем не менее, вакуум является лучшим теплоизолятором. Перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения. Конвекции и теплопроводности в вакууме нет. Это свойство вакуума используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), представляющих собой ёмкость с двойными стенками, пространство между которыми эвакуировано.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах – радиолампах, магнетронах, электронно-лучевых трубках и т.п.

Приборы, используемые для измерения низких давлений, называются вакуумметрами.

Рассмотрим способы получения технического вакуума.

Для достижения вакуума 8 – 10 мм рт. ст. применяют различные типы ротационных или золотниковых масляных насосов. Принципиальная схема такого насоса показана на рис. 1. В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор 2, вращающийся по направлению стрелки. Размер ротора меньше, чем размер внутренней полости корпуса. По его диаметру сделана прорезь, в которую вставлены две металлические пластинки 3, прижимаемые спиральной пружиной к внутренней стенке корпуса и скользящие по ней. По маслопроводу 8 масло (веретенное, марки M) вытекает в зазор 9. Масло, с одной стороны, служит смазкой поверхности скольжения, а с другой — играет важную роль, заполняя вредное пространство над пластинками 5, между корпусом и ротором. При вращении ротора через канал 4 остатки газов всасываются в пространство 6. Захваченный газ сжимается пластинкой 3 и через клапаны 5 и 7 удаляется из системы. Этот цикл повторяется при каждом обороте ротора. Таким образом, создается вакуум, величина которого может достигать порядка 10 -2 – 10 -3 мм . рт. ст.

Работа с насосами описываемого типа требует постоянного наблюдения, так как при внезапной остановке насоса вследствие прекращения подачи электроэнергии, срыва ремня и других причин масло из насоса может переброситься в откачиваемое пространство.

Рис. 1. Схема устройства ротационного (золотникового) вакуумного насоса:

1 – цилиндрический корпус, 2 – ротор, 3 – металлические пластинки, 4 – канал, 5 и 7 – клапаны, 6 – пространство, 8 – маслопровод, 9 – зазор.

Чтобы избежать подобных аварий, между насосом и вакуумной установкой помещают автоматически запирающийся клапан, а между ним и установкой — ловушку для пены, которую нужно ставить ближе к клапану.

На работу масляного насоса в большой степени влияет качество используемого масла: оно не должно содержать даже малолетучих примесей. Кроме того, нередко отсасываемый воздух или другой газ могут содержать пары воды или иных примесей. Водяные пары во время сжатия газа конденсируются еще до достижения атмосферного давления и в результате образуется масляно-водяная эмульсия. Из эмульсии вода снова испаряется. Для предотвращения этого в насосах применяется особое приспособление – «газовый балласт». Конденсация паров воды в отсасываемом воздухе предотвращается или уменьшается, если в пространство во время фазы сжатия вводить атмосферный воздух.

Для достижения глубокого вакуума, например порядка 10 -6 мм рт. ст., используют так называемые диффузионные насосы. Различают два основных типа диффузионных насосов: ртутные и масляные. Они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми, чаще всего двухступенчатыми. Принцип устройства обоих типов практически одинаков.

На рис. 2 показана схема стеклянного диффузионного ртутного насоса. Он состоит из резервуара 1 с ртутью, соединенного с холодильником 2. Ртуть доводят до кипения нагреванием газовой горелкой или электропечью. Пары ртути поднимаются по трубке 3, поступают в холодильник, в котором конденсируются и возвращаются в резервуар / по трубке 4. Принцип действия насоса основан на том, что вследствие частичной конденсации паров ртути внутри холодильника вблизи конца трубки 5 давление паров ртути (или иной жидкости) оказывается пониженным. Поэтому газ, находящийся в трубке 6, диффундирует в область с пониженным давлением и затем трубке 7 уносится к форвакуумной части установки

При сравнительно большом давлении в установке пары ртути, выходящие из трубки 5, сталкиваясь с молекулами газа, находящимися около конца этой трубки, отражаются по всем направлениям. Газ, находящийся в Трубке 6, при этом диффундирует во встречный поток паров ртути, еще не успевшей сконденсироваться. Применять диффузионный ртутный насос в таких случаях не следует.

Рис. 2. Стеклянный ртутный диффузионный насос.

При работе диффузионного насоса необходимо очень внимательно следить за правильным охлаждением конденсационной части. Подавать воду в холодильник следует до начала нагревания печи под резервуаром с ртутью и отключать после прекращения кипения ртути. Однако включать обогрев насоса следует только после того, как форвакуум уже будет создан.

При любом нарушении работы установки следует немедленно выключить нагревание ртутного насоса и до его полного охлаждения ничего не предпринимать для исправления ошибки или аварии. Причинами аварии могут быть: перегрев холодильника в результате остановки или замедления поступления воды, поломка холодильника вследствие усиления тока воды через горячий прибор. Если давление в установке повысится, кипение ртути прекратится, а ее температура начнет подниматься. Авария может произойти и при внезапном вскипании перегретой ртути.

Для получения вакуума порядка 10 -6 мм рт. ст. необходимо установить последовательно два одноступенчатых насоса или один двухступенчатый.

Диффузионное масло нужно время от времени заменять свежим. О пригодности диффузионного масла можно судить по его окраске: сильно окрашенное масло для работы непригодно.

2. Способы получения свободных электронов в вакууме.

В приборах вакуумной электроники свободные электроны в вакуумном пространстве прибора получают в процессе их термоэлектронной эмиссии с поверхностей металлических или полупроводниковых электродов, называемых катодами.

То обстоятельство, что электроны удерживаются внутри твердого тела, указывает на то, что в поверхностном слое тела возникает задерживающее поле, препятствующее электронам выходить из него в окружающий вакуум. Схематическое изображение потенциального барьера на границе твердого тела дано на рис. 3. Чтобы покинуть кристалл, электрон должен совершить работу, равную работе выхода. Различают термодинамическую и внешнюю работы выхода.

Термодинамической работой выхода называют разницу между энергией нулевого уровня вакуума и энергией Ферми твердого тела.

Внешняя работа выхода (или электронное сродство) – это разность между энергией нулевого уровня вакуума и энергией дна зоны проводимости (рис. 3).

Рис. 3. Форма кристаллического потенциала U вдоль линии расположения ионов в кристалле и в приповерхностной области кристалла.

На рис. 3 положения ионов отмечены точками на горизонтальной линии; φ = –U/е – потенциал работы выхода; ЕF – энергия Ферми (отрицательная); ЕC – энергия дна зоны проводимости; WO – термодинамическая работа выхода; Wa – внешняя работа выхода; заштрихованная область условно изображает заполненные электронные состояния

Можно указать две основные причины возникновения потенциального барьера на границе твердого тела и вакуума. Одна из них связана с тем, что электрон, вылетевший из кристалла, индуцирует на его поверхности положительный электрический заряд. Возникает сила притяжения между электроном и поверхностью кристалла, стремящаяся вернуть электрон обратно в кристалл. Другая причина связана с тем, что электроны за счет теплового движения могут пересекать поверхность металла и удаляться от него на небольшие расстояния (порядка атомных). Они образуют над поверхностью отрицательно заряженный слой. На поверхности кристалла в этом случае после выхода электронов формируется положительно заряженный слой ионов. В результате образуется двойной электрический слой. Он не создает поля во внешнем пространстве, зато на преодоление электрического поля внутри самого двойного слоя также требуется произвести работу.

Значение работы выхода для большинства металлов и полупроводников составляет несколько электрон-вольт. Например, для лития работа выхода равна 2,38 эВ, железа – 4,31 эВ, германия – 4,76 эВ, кремния – 4,8 эВ. В значительной степени величина работы выхода определяется кристаллографической ориентацией грани монокристалла, с которой происходит эмиссия электронов. Для (110)-плоскости вольфрама работа выхода составляет 5,3 эВ, для (111) и (100)-плоскостей эти значения равны соответственно 4,4 эВ и 4,6 эВ.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма для электронов металла и для валентного электрона в атоме

Большое влияние на работу выхода оказывают тонкие слои, нанесенные на поверхность кристалла. Атомы или молекулы, осевшие на поверхность кристалла, часто отдают электрон в него или принимают электрон от него и становятся ионами. На рис. 4 показана энергетическая диаграмма металла и изолированного атома для случая, когда термодинамическая работа выхода электрона из металла W больше, чем энергия ионизации Еион осаждающегося на его поверхность атома, В этой ситуации электрону атома энергетически выгодно туннелировать в металл и опуститься в нем к уровню Ферми. Поверхность металла, покрытая такими атомами, заряжается отрицательно и образует с положительными ионами двойной электрический слой, поле которого будет уменьшать работу выхода из металла. В частности, в случае кристалла вольфрама, покрытого монослоем цезия, реализуется ситуация, рассмотренная выше, так как энергия Еион цезия (3,9 эВ) меньше работы выхода вольфрама (4,5 эВ). В экспериментах работа выхода уменьшается более чем в три раза. Противоположная ситуация наблюдается, если вольфрам покрыт атомами кислорода. Поскольку связь валентных электронов в кислороде сильнее, чем в вольфраме, то при адсорбции кислорода на поверхности вольфрама образуется двойной электрический слой, увеличивающий работу выхода из металла. Наиболее часто реализуется случай, когда осевший на поверхность атом не отдает полностью свой электрон металлу или принимает в себя лишний электрон, а деформирует свою электронную оболочку так, что адсорбированные на поверхности атомы поляризуются и становятся электрическими диполями. В зависимости от ориентации диполей работа выхода металла уменьшается или увеличивается.

С поверхности нагретого катода эмиссия электронов становится достаточно интенсивной. Эффект интенсивной эмиссии с нагретой поверхности металла или полупроводника называется термоэлектронной эмиссией. Т.е., явлением термоэлектронной эмиссии называется испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду.

Рассмотрим, например, процесс термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов.

Ход потенциала в металле можно представить себе, как мы уже не раз отмечали, в виде потенциального ящика или потенциальной ямы (см. рис. 5), содержащей в себе электроны. При этом, естественно, может возникнуть вопрос: существуют ли способы, с помощью которых можно было бы извлекать электроны из металла, являющегося практически неисчерпаемым их источником?

Металл можно заставить испускать электроны:

1) в результате нагревания металла до достаточно высокой температуры (так называемая термоэлектронная эмиссия);

2) в результате приложения к металлу достаточно сильного электрического поля (так называемое холодное вырывание, или холодная эмиссия);

3) в результате освещения металла светом достаточно большой частоты (так называемый фотоэлектрический эффект).

Рис. 5. Металл как потенциальная яма (а), функция распределения Ферми (б).

Рассмотрим первый из указанных способов. Среди электронов, наполняющих металл, могут покинуть его, т, е. уйти за его пределы, только те электроны, которые способны преодолеть потенциальный порог высоты Wm, изображенный на рис. 5а. Этот рисунок представляет повторение рис. 2.1 (вместо U стоит W; на рис. 5а изображены уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля). Очевидно, это могут сделать только те электроны, которые обладают достаточной скоростью в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Если выбрать систему координат так, чтобы ось х была перпендикулярна поверхности металла, то будет существовать такая нижняя граница x0 для составляющей скорости x, что только электроны, для которых x > x0, смогут преодолеть потенциальный порог.

Скорость x0 определяется из условия (см. рис. 5а)

.

Из рис. 5б, на котором изображена функция распределения Ферми, видно, что это те электроны, которые принадлежат самому «хвосту» функции распределения Ферми.

Для плотности термоэлектронного тока i, т. е. потока электронов, покидающих единицу поверхности, расчет дает

, (1)

что находится в хорошем согласии с экспериментальными данными. Здесь величина (см. также рис. 5а) называется работой выхода. Это — константа, различная для разных металлов, могущая служить характеристикой металла. Работа выхода представляет собой ту минимальную энергию, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла при температуре абсолютного нуля.

Согласно формуле (1) зависимость термоэлектронного тока i от температуры Т определяется как экспонентой, так и предэкспоненциальным множителем, которые действуют в одном и том же направлении (увеличение i при увеличении Т). Однако предэкспоненциальный множитель меняется с температурой очень медленно (по сравнению с резкой зависимостью от температуры экспоненциального множителя) и поэтому в первом приближении может считаться постоянным. Тогда

,

. (2)

Если по осям координат откладывать и , то уравнение (2) изобразится прямой, из наклона а которой может быть определена работа выхода (см. рис. 6). Обычно эта величина равна одному или нескольким электрон-вольтам.

Рис. 6. Зависимость термоэлектронного тока от температуры ( ).

Явление испускания электронов при нагревании металла называется эффектом Ричардсона.

По второму способу получения свободных электронов в вакууме металл можно заставить испускать электроны не нагревая его. Для этого достаточно поместить его в сильное внешнее электрическое поле. Представим себе два плоских электрода, расположенных один против другого, причем будем считать, что катодом служит исследуемый нами металл. Электрическое поле, напряженность которого обозначим через Е, направлено перпендикулярно к поверхности металла. На рис. 4.3 изображен жирной кривой ход потенциальной энергии электрона как функции х при наличии поля Е (напомним: ось х направлена перпендикулярно к поверхности металла). Тонкой кривой на рис. 7 изображен ход потенциальной энергии при отсутствии поля (при Е = 0). Мы видим, что наложение поля превращает потенциальный порог на границе металла в потенциальный барьер. При этом возникают два возможных механизма появления электронного эмиссионного тока.

Рис. 7. Ход потенциальной энергии электрона во внешнем

Прежде всего, внешнее поле приводит к понижению работы выхода на величину . Это облегчает термоэлектронную эмиссию, которая чрезвычайно чувствительна к величине (согласно (1) стоит в экспоненте). Таким образом, при наложении внешнего электрического поля термоэлектронная эмиссия делается заметной при более низких температурах, чем при его отсутствии. Если при отсутствии поля в электронной эмиссии могли участвовать только те электроны, для которых W > W1(см. рис. 7; здесь W — по-прежнему, полная энергия электрона), то при наличии поля в игре могут участвовать электроны, для которых W2 9 В/м). В действительности, однако, она наблюдается при более слабых полях, что объясняется неоднородностью поверхности, в отдельных точках которой могут возникать локальные перенапряжённости.

Рассмотрим третий способ извлечения электронов из металла. Предположим, что металл облучается светом определенной частоты. Это значит, что поверхность металла бомбардируется световыми квантами (фотонами), несущими в себе определенный запас энергии. Проникнув внутрь металла, световые кванты передают свою энергию электронам, которые затем могут использовать ее для преодоления потенциального порога и для выхода за пределы металла. Это явление называется внешним фотоэлектрическим эффектом или просто — фотоэффектом. Электроны, выброшенные из металла под действием света, будем называть фотоэлектронами.

Фотоэлектроны, покидающие металл, обладают широким спектром скоростей, т. е. в потоке фотоэлектронов при заданной частоте v падающего света имеются электроны с различными скоростями. Скорость фотоэлектрона при заданной v зависит от того, с какого энергетического уровня внутри металла был снят светом данный электрон. При температуре абсолютного нуля наивысшим энергетическим уровнем, занятым электроном, является уровень Ферми WF (рис. 8).

Все уровни, лежащие выше уровня WF, при Т = пусты, а уровни, лежащие ниже уровня WF, заняты. Скорость фотоэлектрона, снятого с уровня WF, обозначим через F. Очевидно (см. рис. 8),

, (4)

где m — масса электрона, hv — энергия падающего кванта, — работа выхода, с которой мы уже встречались, когда говорили о термоэлектронной эмиссии. Уравнение (4) выражает собой закон сохранения энергии. Частота vкр, для которой энергия падающего кванта hvкр равна работа выхода , называется красной границей фотоэффекта:

. (5)

Рис. 8. Энергетическая схема, иллюстрирующая происхождение быстрых и медленных фотоэлектронов (заштрихована область энергий, занятых электронами).

При Т = скорость F является максимальной. Это есть скорость самого быстрого электрона. В потоке фотоэлектронов имеются и более медленные электроны, снятые с более глубоких уровней (например, с уровня W1 на рис. 8).

При Т > в металле появляются электроны с энергией, большей, чем WF (например, с энергией W2, см. рис. 8), которым для удаления за пределы металла требуется затратить энергию, меньшую, чем работа выхода . Для таких электронов > F. Если при Т = мы имеем резкую красную границу, то при Т > красная граница оказывается в большей или меньшей степени (в зависимости от температуры) размытой.

Заметим, что если поместить металл во внешнее электрическое поле, то у такого металла красная граница фотоэффекта оказывается сдвинутой в красную сторону, т. е. в сторону меньших частот. Это объясняется тем, что электрическое поле снижает потенциальный порог на границе металла, как это видно из рис. 7, и, следовательно, работу выхода , а вместе с тем (как это видно из (5)) и красную границу vкр.

В заключение надо подчеркнуть, что оптика металлов не может быть построена на модели свободных электронов, с которой мы оперировали до сих пор. Можно показать, что свободные электроны, т. е. электроны, наполняющие потенциальный ящик с плоским дном не способны поглощать фотоны. Это, однако, могут делать электроны, находящиеся в периодическом поле. Тем не менее, все наши рассуждения остаются, в силе, поскольку электроны в периодическом поле обладают, подобно свободным электронам, практически сплошным энергетическим спектром, т. е. спектром, состоящим из множества тесно, расположенных, практически сливающихся энергетических уровней.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

Читайте также:  Установка кнопки для инсталляции wisa