Способ определения работы выхода электрона Советский патент 1992 года по МПК G01N27/62 

по знаку контактной разности, и изменить ее с помощью делителя напряжения, то можно добиться того, чтобы ток во внешней цепи обратился в нуль. В этом случае приложенное напряжение равно контактной разности, которая, следовательно, определяется непосредственно по показанию вольтметра. Контактная разность потенциалов непосредственно связана с термоэлектронными работами выхода Фт и Фа контактирующих тел, а именно:

е Ui2 Ф1 - Ф2.

Это соотношение справедливо как для металлов, так и для полупроводников. Поэтому, если работа выхода одного из проводников известна, то, измеряя Ui2, можно найти работу выхода другого проводника.

Недостатком этого способа является необходимость усиления измеряемого сигнала, а также наличие механических устройств, предназначенных для реализации данного способа, что является источником погрешности измерения. Для устранения этих недостатков необходимо использование высокочастотных электрических и электроизмерительных устройств, а также прецизионной механики.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оценочный способ определения работы выхода электрона из материала катода по величине нормального катодного падения потенциала в тлеющем разряда постоянного тока. При изменении тока плотность его остается приблизительно постоянной. Остается постоянным и катодное падение потенциала. До давлений в несколько десятков миллиметров ртутного столба нормальное катодное падение потенциала не зависит от давления газа, а определяется только материалом катода и составом газа. Приближенно нормальное катодное падение пропорционально работе выхода электрона из катода. Величина катодного падения потенциала лежит в пределах 100-300 В, что используется для устройства газосветных трубок, например неоновых ламп, в которых электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария для уменьшения работы выхода.

Недостатком такого спосба является его непригодность для точного измерения работы выхода электрона из-за нелинейного характера распределения потенциала по длине разрядной трубки. По этой причине данные по работам выхода электрона для различных материалов, полученные как оце

ночные, в справочной литературе не приводятся.

Цель изобретения - повышение точности измерения работы выхода электрона.

5Поставленная цель достигается тем, что

в способе определения работы выхода электрона путем зажигания тлеющего разряда, в качестве эталонного электрода - анода используют твердый электролит, обладаю10 щий ионной проводимостью по щелочным металлам, и работу выхода электрона определяют по формуле

15

А и/Уэ (Аэ - Аме) + Аме,

(2)

где А - работа выхода исследуемого вещества:

Аме работа выхода щелочного металла:

U - потенциал зажигания тлеющего разряда при исследовании вещества с неизвестной работой выхода электрона;

Us - потенциал зажигания, измеренный предварительно в системе с катодом, работа выхода которого (Аэ) принята за второй эталон.

Причинно-следственная связь, позволяющая перейти от поибилизительного соотношения ик.п С-А. где ик.п - величина

катодного падения потенциала нормального тлеющего разряда: С - константа, характерная для данного газа; А - неизвестная работа выхода электрона, к предлагаемой формуле состоит в том, что в изобретении

используется особый вид разряда, инициируемый и поддерживаемый ионной эмиссией с анода, а не электронной эмиссией с катодов. Явление эмиссии ионов с поверхности анода именуется испусканием гнодных

лучей. В данном случае образование анодных лучей состоит в электропереносе ионов натрия сквозь стекло. При этом клтодное падение потенциала, имеющее место при горении разряда между металлическими катодом и анодов, смещается в толщу стекла, формируя линейное распределение потенциала по длине разрядной трубки. Данный тип разряда может быть отнесен к линейным явлениям, в которых многие задачи решаются путем составления пропорций. Для составления пропорций производят два опыта; в первом из которых измеряют потенциал зажигания тлеющего разряда Кэ между электродами с известными работами

выхода:

иэ С(АЭ - АМе),(3)

а во втором измеряют потенциал закигания U между анодом и катодом с неимзестной работой выхода:

U С(А - Аме).(4)

Стационарность о параметров двух опытов обеспечивается постоянство константы С, исключаемой при почленном делении уравнений (3) и (4), с получением выражения пропорции, которую разрешают относительно неизвестной работы выхода А, т.е. получают формулу (2).

На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит анод в виде стакана 1 с расплавом чилийской селитры №МОз, в которую погружена анодная часть 2 разрядной трубки 3 из стекла С49-1: в состав стекла входит 8,7 мас.% Na20. Так как все стекла, содержащие в своем составе щелочные металлы, обладают ионной проводимостью, для реализации способа можно использовать литиевые, калиевые, цезие- вые и другие стекла при замене нитрата натрия на нитрат применяемого в качестве эталона щелочного металла. Торец катодной части 4 разрядной трубки вместе с держателем 5 образца, выполненного из нержавеющей стали, взаимно пришлифованы с целью осуществления разъемного вакуумно-плотного соединения. Исследуемый образец 6, гальванически контактирующий с держателем 5, образует выступающую часть катода в виде механического соединения держателя с образцом для локализации силовых линий поля на его поверхности. Разрядная трубка 3 имеет патрубок 7 для откачки; патрубок 8 предназначен дя напуска рабочего газа. Для определения потенциала зажигания в цепь разрядного контура включен вольтметр 9 с делителем напряжения 10. Для зажигания тлеющего разряда использован высоковольтный источник питания 11.

Работу выхода электрона определяют следующим образом. Исследуемый образец 6 помещают в катодную часть 4 разрядной трубки 3. Через патрубок 7 откачивают газ из разрядной трубки 3. затем через патрубок 8 вводят рабочий газ (аргон или гелий) до давления 0,5-1 Торр. После напуска рабочего газа включают истчоник питания 11, напряжение которого контролируют с помощью вольтметра 9. Производят два последовательных определения с помощью вольтметра значений 11Э и U.

Пример. Измеряют работу выхода вакуумно-плавленой меди, образец которой представляет собой цилиндр диаметром 2 мм и высотой 4 мм. Образец закрепляют на держателе 5 в вертикальном положении. Систему откачивают до давления 1 Торр. Напряжение подают с помощью высоковольтного источника питания 11 постоянного тока ВУ-50-50. Потенциал зажигания фик- сируют вольтметром S марки В-16А, включенным в цепь с помощью делителя

напряжения 10. Размеры разрядной трубки при получении данных составляют: длина 400 мм. диаметр 20 мм. толщина стенки стекла С-49 0.5 мм. Для образца потенциал зажигания определяют 10 раз. По данным

0 измерений находят среднее значение потенциала зажигания и ошибку в одно стандартное отклонение. Потенциал зажигания определен равным 4925 В. Для исключения параметров среды в качестве эталона вы5 бран графит. Работа выхода графита принята равной 4.7 эВ. Для определения потенциала зажигания для катода из графита выполняют те же операции, что и для образца меди. Среднее значение потенциа0 ла зажигания для него составляет 5525 В. стандартное отклонение среднего - 16 В. В обоих опытах анодом служит образующаяся на внутренней поверхности погруженной в расплав части разрядной трубки пленка на5 трия, как результат заряда межэлектродной емкости катод - анод. Пленка натрия является вторым эталонным электродом с известной работой выхода, равной 2.35 эВ. Значение работы выхода вакуумнс-плавле0 ной меди, вычисленное по формуле (2). равно 4,435 +/- 0,065 эВ. Эти же операции проделаны и для других материалов. Значения работ выхода для ряда металлов, определенные предлагаемым способом.

5 сопоставлены с рекомендуемыми в таблице. При удлинении трубки до 600 мм или укорочении до 250 мм при давлении рабочего газа в интервале 1-5 Торр данные таблицы воспроизводятся, так как эти вариации, изменяя

0 значения потенциалов зажигания, не влияют на величину их отношения, т.э. U /1)э сохраняется постоянным, равным 4925 В/ /5525 В 0,887.

Из данных таблицы видно, что в преде5 лах ошибки в два стандартных отклонения результаты исследования совпадают с рекомендуемыми значениями.

Таким образом, предлагаемый способ обладает высокой степенью достоверности.

0 обеспечиваемой тем что в способе использован электролизный закон Фарадся. относящийся к одному из фундаментальных законов природы.

Формула изобретения

5Способ определения работы выхода

электрона путем зажигания тлеющего разряда в среде инертного газа при пониженном давлении между электродами газоразрядной стеклянной трубки, отличающийся тем. что. с целью повышения

точности измерения работы выхода электрона, в качестве эталонного электрода-анода используют твердый электролит, обладающий ионной проводимостью по щелочным металлам, и работу выхода электрона определяют по потенциалу зажигания тлеющего разряда по формуле

А и/иэ-(Аэ - Аме) + Аме, где А - работа выхода исследуемого вещества;

Аме - работа выхода щелочною металла:

U - потенциал зажигания тлеющего разряда, при исследовании вешества с неизвестной работой выхода электрона:

иэ - потенциал зажигания, измеренный в системе с катодом, работа выхода которого (Аэ) принята за второй эталон.

у- f t. V г f ./ ../f.-JT7i.

Л # Л.& ft Г f I Л ГГ Ф JU-Д

J

гОО-ттН

ЧУ E

%777 77 /У /7 7 -7777.77777