RU89709U1

RU89709U1 - INSTALLATION FOR DETERMINING THE ELECTRON OUTPUT OPERATION

Info

Publication number: RU89709U1
Application number: RU2009127362/22U
Authority: RU
Inventors: Радик Рафикович МУЛЮКОВ; Юлай Мухаметович Юмагузин; Константин Сергеевич Назаров
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2009-12-10

Abstract

1. Установка для определения работы выхода электрона, включающая расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения контактной разности потенциалов, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном, отличающаяся тем, что установка снабжена также расположенными в вакуумной камере газоразрядной диодной ячейкой и механизмом перемещения держателя с закрепляемым на нем образцом для осуществления возможности установки последнего как в положение коллектора ячейки для измерения контактной разности потенциалов, так и в положение катода газоразрядной диодной ячейки. ! 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве устройства для создания вакуума в камере использован вакуумный пост, снабженный также системой напуска инертного газа в диодную ячейку. ! 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что термокатод с экраном и анод ячейки для измерения контактной разности потенциалов и колба диодной ячейки закреплены на общем плоском основании. ! 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что механизм перемещения держателя образован двумя связанными между собой и с держателем коленчатыми валами, оси которых параллельны между собой и лежат в плоскостях параллельных плоскости основания.1. Installation for determining the work function of an electron, including a cell located in a vacuum chamber for measuring the contact potential difference, consisting of a collector, which is used as a sample fixed on a holder and placed in an appropriate position, an anode with a collimating hole and a thermal cathode with a screen, which differs by the fact that the setup is also equipped with a gas-discharge diode cell located in the vacuum chamber and a mechanism for moving the holder with a sample fixed on it to enable the latter to be installed both in the position of the cell collector for measuring the contact potential difference and in the position of the cathode of the gas-discharge diode cell. ! 2. Installation according to claim 1, characterized in that a vacuum post is used as a device for creating a vacuum in the chamber, which is also equipped with an inert gas puffing system into the diode cell. ! 3. Installation according to claim 1, characterized in that the thermal cathode with a screen and the anode of the cell for measuring the contact potential difference and the bulb of the diode cell are fixed on a common flat base. ! 4. Installation according to claim 1, characterized in that the mechanism for moving the holder is formed by two crankshafts connected to each other and to the holder, the axes of which are parallel to each other and lie in planes parallel to the plane of the base.

Description

Полезная модель относится к области физики, более конкретно к области исследования эмиссионных свойств материалов, а именно к устройствам для определения работы выхода электрона из металлов и сплавов.The utility model relates to the field of physics, more specifically to the field of study of the emission properties of materials, namely, devices for determining the work function of an electron from metals and alloys.

Значение работы выхода электрона, как основной эмиссионной характеристики учитывается при создании устройств, работающих по принципу автоэлектронной эмиссии, фотоэлектронной эмиссии, вторично-электронной эмиссии, вторичной ионно-электронной эмиссии и т.д. К таким приборам относятся источники электронов различного типа, фотоэлектронные умножители, вторично-электронные умножители, фотоэлектрические сенсоры, газоразрядные лампы, газоразрядные ионные источники и другие подобного типа приборы, широко использующиеся в бытовой, научно-исследовательской, космической и военной технике. Металлы, такие как алюминий, медь, никель, магний, бериллий, железо, и их сплавы в этих устройствах используются в качестве эмитирующих элементов или подложек эмитирующих элементов.The value of the electron work function, as the main emission characteristic, is taken into account when creating devices operating on the principle of field emission, photoelectron emission, secondary electron emission, secondary ion electron emission, etc. Such devices include various types of electron sources, photoelectronic multipliers, secondary electron multipliers, photoelectric sensors, gas discharge lamps, gas discharge ion sources and other similar types of devices that are widely used in household, research, space and military equipment. Metals such as aluminum, copper, nickel, magnesium, beryllium, iron, and their alloys in these devices are used as emitting elements or substrates of emitting elements.

Существует множество методов определения работы выхода электрона: термоэлектронный, фотоэлектронный, автоэлектронный, контактной разности потенциалов (КРП), калориметрический, а также множество устройств, основанных на этих методах [1]. Наиболее распространенным методом определения работы выхода является метод КРП. В свою очередь наиболее распространенными способами, реализующими метод КРП являются способ Кельвина, Зисмана, основанный на использовании вибрирующего электрода и способ Андерсона, основанный на использовании электронного пучка.There are many methods for determining the electron work function: thermionic, photoelectronic, field-effect, contact potential difference (CRP), calorimetric, as well as many devices based on these methods [1]. The most common method for determining the work function is the CIR method. In turn, the most common methods that implement the CIR method are the Kelvin, Zisman method, based on the use of a vibrating electrode and the Anderson method, based on the use of an electron beam.

Известно основанное на первом способе устройство для определения работы выхода электрона. Устройство состоит из вибрирующего электрода, присоединенного к пневмовибратору, системы напуска газа в область измерений, металлического корпуса и размещенного в нем блока измерений. Вибрирующий конденсатор образован поверхностью образца и вибрирующим электродом [2].A device for determining the electron work function based on the first method is known. The device consists of a vibrating electrode connected to a pneumatic vibrator, a gas inlet system in the measurement area, a metal case and a measurement unit located in it. The vibrating capacitor is formed by the surface of the sample and the vibrating electrode [2].

Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от имеющихся окислов и загрязнений, хотя среда защитного газа защищает поверхность от дальнейшего загрязнения и окисления в процессе измерения. Проблема очистки особо остро стоит в том случае, когда исследуются металлы и сплавы, которые очень быстро окисляются на воздухе, например, такие как алюминий и некоторые из его сплавов, в частности алюминиево-магниевый сплав. Наличие окислов и загрязнений не позволяет достоверно определить работу выхода электрона непосредственно из металла или сплава.The disadvantage of this device is that it does not provide for the cleaning of the investigated surface from existing oxides and contaminants, although the protective gas medium protects the surface from further pollution and oxidation during the measurement process. The cleaning problem is especially acute when metals and alloys are studied that oxidize very quickly in air, for example, aluminum and some of its alloys, in particular aluminum-magnesium alloy. The presence of oxides and contaminants does not allow to reliably determine the work function of the electron directly from the metal or alloy.

Известна также основанная на первом способе установка для определения работы выхода электрона, в которой предусмотрена очистка исследуемой поверхности. Установка предназначена для измерения контактной разности потенциалов в различных контролируемых средах или в вакууме на свежеприготовленной поверхности образцов. Установка включает расположенные в цельнометаллической камере ячейку для измерения КРП и съемный стол, в резьбовые гнезда которого ввернуты специальные держатели с образцами. Вибрирующий конденсатор образован поверхностью исследуемого образца и вибрирующим золотым электродом, приводимым в движение якорем электромагнита. Камера смонтирована на металлической плите, являющейся основанием бокса, выполненного из оргстекла. В боковой стенке бокса имеются гнезда для перчаток, что позволяет проводить необходимые манипуляции с образцом в среде инертного газа внутри бокса непосредственно перед измерениями, в том числе очистку образца путем механического снятия сверхтонкого слоя металла или его скола. Причем скол дает более чистую исследуемую поверхность. После очистки стол с образцами устанавливается в измерительную ячейку, которая закрывается крышкой и герметизируется. В дальнейшем производится либо откачка до заданного вакуума, либо подача контролируемой среды в камеру с последующим измерением КРП [3].Also known is a setup based on the first method for determining the electron work function, which provides for the cleaning of the test surface. The setup is designed to measure the contact potential difference in various controlled environments or in vacuum on a freshly prepared surface of the samples. The installation includes a cell for measuring the KRP located in the all-metal chamber and a removable table, in which special holders with samples are screwed into the threaded sockets. A vibrating capacitor is formed by the surface of the test sample and a vibrating gold electrode, driven by an electromagnet armature. The camera is mounted on a metal plate, which is the base of the box made of plexiglass. There are glove sockets in the side wall of the box, which allows the necessary manipulations with the sample in an inert gas inside the box immediately before measurements, including cleaning the sample by mechanical removal of the ultrathin layer of metal or its cleavage. Moreover, the chip gives a cleaner investigated surface. After cleaning, the table with the samples is installed in the measuring cell, which is closed by a lid and sealed. In the future, either pumping to a predetermined vacuum is performed, or a controlled medium is supplied into the chamber with subsequent measurement of the KRP [3].

Недостатком установки является ее значительные сложность, габариты и наличие электромагнитного привода, создающего помехи. Кроме того, в случае использования механического снятия слоя металла не гарантируется достаточная достоверность определения работы выхода электрона исследуемой поверхности.The disadvantage of the installation is its significant complexity, dimensions and the presence of an electromagnetic drive that creates interference. In addition, in the case of using mechanical removal of the metal layer, a sufficient reliability of determining the electron work function of the surface under study is not guaranteed.

Менее сложной в исполнении и громоздкой является установка, основанная на втором способе измерения КРП - способе Андерсена. Установка предназначена для измерения КРП в вакууме. Установка включает измерительный блок и расположенные в вакуумной камере элемент для закрепления исследуемого образца, являющегося коллектором, анод с коллимирующим отверстием, термокатод с экраном. Коллимированный при помощи отверстия в аноде пучок электронов малых энергий падает на поверхность коллектора, который находится за этим отверстием вблизи анода. Подавая на коллектор отрицательный потенциал относительно анода, строят зависимость тока коллектора от потенциала на нем - вольт-амперную характеристику (ВАХ) коллектора. Затем таким же образом строят ВАХ эталонного коллектора. По относительному смещению по оси напряжений полученных таким образом ВАХ определяет КРП между материалами, из которых выполнены коллекторы. Зная работу выхода эталонного коллектора, определяют работу выхода исследуемого образца [1].Less complicated to perform and cumbersome is the installation, based on the second method of measuring the CRP - Andersen's method. The installation is designed to measure the KRP in a vacuum. The installation includes a measuring unit and an element located in the vacuum chamber for fixing the test sample, which is a collector, an anode with a collimating hole, a thermal cathode with a screen. A beam of low-energy electrons collimated by means of a hole in the anode falls onto the surface of the collector, which is located behind this hole near the anode. By applying a negative potential to the collector relative to the anode, the dependence of the collector current on the potential on it is built — the current-voltage characteristic (I – V) of the collector. Then, in the same way, the I – V characteristics of the reference collector are built. According to the relative displacement along the axis of the voltages obtained in this way, the I – V characteristic determines the CRP between the materials from which the collectors are made. Knowing the work function of the reference collector, determine the work function of the test sample [1].

Недостатком установки является то, что в ней не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от окислов и загрязнений в процессе измерения, что не позволяет достоверно определить работу выхода электрона непосредственно из металла или сплава.The disadvantage of the installation is that it does not provide for the cleaning of the investigated surface from oxides and contaminants during the measurement process, which does not allow to reliably determine the work function of the electron directly from the metal or alloy.

Данная установка выбрана за прототип полезной модели.This installation is selected for the prototype utility model.

Задачей полезной модели является создание установки для определения работы выхода электрона, обеспечивающей достоверность определения работы выхода электрона исследуемого образца за счет очистки его поверхности непосредственно перед измерениями, при сохранении всех отмеченных достоинств прототипа.The objective of the utility model is to create an installation for determining the electron work function, which ensures the reliability of determining the electron work function of the sample under study by cleaning its surface immediately before measurements, while maintaining all the noted advantages of the prototype.

Поставленная задача решается в том случае, когда установка для определения работы выхода электрона, включающая расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения контактной разности потенциалов, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном, отличается от прототипа тем, что установка снабжена также расположенными в вакуумной камере газоразрядной диодной ячейкой и механизмом перемещения держателя для осуществления возможности установки образца как в положение коллектора ячейки для измерения контактной разности потенциалов, так и в положение катода газоразрядной диодной ячейки.The problem is solved in the case when the installation for determining the electron work function, including a cell located in a vacuum chamber for measuring the contact potential difference, consisting of a collector, which is used as a test sample fixed to the holder and installed in the corresponding position, an anode with a collimating hole and a thermal cathode with a screen, differs from the prototype in that the installation is also equipped with a gas-discharge diode cell located in a vacuum chamber and a mechanism ohm of moving the holder to enable the installation of the sample both in the position of the cell collector for measuring the contact potential difference, and in the position of the cathode of the gas-discharge diode cell.

Поставленная задача решается также в случаях когда:The task is also solved in cases when:

- в качестве устройства для создания вакуума в камере использован вакуумный пост, снабженный также системой напуска инертного газа в диодную ячейку.- as a device for creating a vacuum in the chamber, a vacuum post was used, also equipped with an inert gas inlet system into the diode cell.

- термокатод с экраном и анод ячейки для измерения контактной разности потенциалов и колба диодной ячейки закреплены на общем плоском основании.- the thermal cathode with the screen and the cell anode for measuring the contact potential difference and the bulb of the diode cell are mounted on a common flat base.

- механизм перемещения держателя образован двумя связанными между собой и с держателем коленчатыми валами, оси которых параллельны между собой и лежат в плоскостях параллельных плоскости основания.- the mechanism for moving the holder is formed by two crankshafts interconnected and with the holder, the axes of which are parallel to each other and lie in planes parallel to the base plane.

Особенностью установки является обеспечение возможности определения работы выхода электрона исследуемого образца с предварительной ионной очисткой его поверхности без извлечения из вакуумной камеры. Ионная очистка происходит при использовании образца в качестве катода в процессе работы газоразрядной диодной ячейки. Время работы газоразрядной диодной ячейки определяется эмпирически в зависимости от степени окисления и загрязнения образца. После того как образец отработал в качестве катода диодной ячейки его перемещают в положение коллектора в ячейку для измерения КРП. Ионная очистка обеспечивает высокую степень достоверности определения работы выхода электрона непосредственно металла или сплава.A feature of the setup is the ability to determine the electron work function of the test sample with preliminary ionic cleaning of its surface without extraction from the vacuum chamber. Ion cleaning occurs when a sample is used as a cathode during the operation of a gas-discharge diode cell. The operating time of a gas-discharge diode cell is determined empirically depending on the degree of oxidation and contamination of the sample. After the sample has worked as a cathode of the diode cell, it is moved to the collector position in the cell for measuring the CRP. Ion cleaning provides a high degree of reliability in determining the work function of an electron directly of a metal or alloy.

Общий вид установки показан на фиг.A general view of the installation is shown in FIG.

Установка включает расположенные в камере вакуумного поста (на фиг. не показана) ячейку для измерения КРП цилиндрической формы, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на торце цилиндрического держателя 1 и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец в виде диска (положение образца показано пунктирной линией, сам образец на фиг. не показан), анод 2 с коллимирующим отверстием 3 и V-образный термокатод 4 с экраном 5. Термокатод и экран выполнены в виде пушки Пирса. Тоководы 6 термокатода закреплены на держателе 7 через стеклянные изоляционные кольца 8. Коллимирующее отверстие анода закрыто сеткой (на фиг. не показана). Экран 5 с термокатодом 4 и анод 2 установлены на основании 9. На этом же основании установлена колба 10 с отверстием 11 для напуска газа газоразрядной диодной ячейки с анодом 12 и катодом, в качестве которого использован закрепляемый на держателе 1 и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец. Образец закреплен на держателе 1 с помощью прижимного элемента 13. Позицией 14 обозначено уплотнительное кольцо колбы 10. Механизм перемещения держателя 1 выполнен в виде двух коленчатых валов 15, 16, соответствующие колена которых 17, 18 связаны с держателем 1. Валы 15, 16 установлены в отверстия двух пластин, одна из которых обозначена позицией 19 (вторая платина на фиг. не показана). Пластины закреплены на основании 9. Позициями 20, 21 обозначены щеки коленчатых валов. Ручка механизма перемещения образца вынесена за пределы камеры вакуумного поста (на фиг. не показана). Установка также включает находящиеся за пределами камеры вакуумного поста блоки питания термокатода и анода ячейки для измерения КРП, а также высоковольтный блок питания анода диодной ячейки (на фиг. не показаны). Кроме того, установка включает находящуюся за пределами камеры вакуумного поста измерительную аппаратуру, в том числе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), драйвер USB 2.0 и персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением (на фиг. не показаны).The installation includes a cylindrical-shaped measuring cell located in the chamber of a vacuum post (not shown in Fig.), Consisting of a collector, which is used to study the sample in the form of a disk mounted on the end face of the cylindrical holder 1 and installed in the corresponding position (the position of the sample is shown in dotted line, the sample itself in Fig. not shown), anode 2 with a collimating hole 3 and a V-shaped thermal cathode 4 with a screen 5. The thermal cathode and the screen are made in the form of a Pierce gun. The current leads 6 of the thermal cathode are mounted on the holder 7 through glass insulating rings 8. The collimating hole of the anode is closed by a grid (not shown in Fig.). A screen 5 with a thermal cathode 4 and anode 2 is installed on the base 9. On the same base, a flask 10 with an opening 11 for gas inlet of a gas-discharge diode cell with an anode 12 and a cathode is used, which is used as a test sample fixed on the holder 1 and installed in the corresponding position . The sample is mounted on the holder 1 using the clamping element 13. The position 14 indicates the O-ring of the bulb 10. The mechanism for moving the holder 1 is made in the form of two crankshafts 15, 16, the corresponding elbows of which 17, 18 are connected to the holder 1. The shafts 15, 16 are installed in holes of two plates, one of which is indicated by 19 (the second platinum in Fig. not shown). The plates are fixed on the base 9. Positions 20, 21 indicate the cheeks of the crankshafts. The handle of the sample transfer mechanism is moved outside the chamber of the vacuum post (not shown in Fig.). The installation also includes power units for the thermal cathode and the anode of the cell located outside the chamber of the vacuum post for measuring the CRP, as well as a high-voltage power supply for the anode of the diode cell (not shown in Fig.). In addition, the installation includes measuring equipment located outside the vacuum chamber, including an analog-to-digital converter (ADC), a digital-to-analog converter (DAC), a USB 2.0 driver, and a personal computer with appropriate software (not shown in FIG.) .

Установка для определения работы выхода электрона работает следующим образом. Исследуемый образец в виде диска толщиной 1 мм и диаметром 12 мм закрепляется на держателе 1 с помощью прижимного элемента 13. Далее установка помещается в камеру вакуумного поста, в которой производится откачка до заданного вакуума. Поворотом вынесенной за пределы камеры ручки механизма перемещения держателя 1 образец устанавливается в положение катода газоразрядной диодной ячейки для проведения ионной очистки его поверхности. В диодную ячейку напускается газ аргон до достижения давления 10^-2 мм. рт.ст. Затем на анод 12 диодной ячейки подается потенциал с высоковольтного блока питания, до возникновения самостоятельного газового разряда при котором происходит ионная очистка поверхности катода, т.е. исследуемого образца. Высоковольтный блок питания управляется с компьютера через ЦАП. Как было уже отмечено, время работы газоразрядной диодной ячейки определяется эмпирически в зависимости от степени окисления и загрязнения образца, в среднем оно составляет 20-30 минут. После очистки образец поворотом ручки механизма перемещения держателя образца переводится в положение коллектора ячейки для измерения КРП. Далее с блоков питания термокатода и анода подают ток накала на термокатод 4 и ускоряющий потенциал на анод 2. Сформированный пушкой Пирса пучок электронов малых энергий коллимируется при помощи отверстия в аноде 2 и падает на поверхность коллектора. С помощью компьютера и ЦАП на коллектор подается изменяемый отрицательный потенциал относительно анода 2. В процессе изменения потенциала на коллекторе снимается его ВАХ. При этом ток коллектора регистрируется посредством АЦП, данные с которого через драйвер USB подаются на компьютер.Installation for determining the work function of the electron works as follows. The test sample in the form of a disk with a thickness of 1 mm and a diameter of 12 mm is mounted on the holder 1 with the help of the clamping element 13. Next, the installation is placed in the chamber of the vacuum post, in which the pump is pumped to a predetermined vacuum. By turning the handle of the mechanism for moving the holder 1 that has been extended outside the chamber, the sample is installed in the position of the cathode of the gas-discharge diode cell for ionic cleaning of its surface. Argon gas is introduced into the diode cell until a pressure of 10 ^-2 mm is reached. Hg Then, the potential is supplied to the anode 12 of the diode cell from a high-voltage power supply, until an independent gas discharge occurs in which ionic cleaning of the cathode surface occurs, i.e. test sample. The high-voltage power supply is controlled from a computer through the DAC. As already noted, the operating time of a gas-discharge diode cell is determined empirically depending on the degree of oxidation and contamination of the sample, on average it is 20-30 minutes. After cleaning, the sample by turning the handle of the mechanism for moving the sample holder is transferred to the position of the cell collector for measuring the CRP. Then, the heating current from the thermal cathode and anode is supplied to the thermal cathode 4 and the accelerating potential to the anode 2. The low-energy electron beam formed by the Pierce cannon is collimated by the hole in the anode 2 and falls onto the collector surface. Using a computer and a DAC, a variable negative potential relative to anode 2 is applied to the collector. In the process of changing the potential, the I – V characteristic of the collector is removed. In this case, the collector current is recorded by means of the ADC, the data from which is fed to the computer via the USB driver.

Затем исследуемый образец меняется на эталонный образец, работа выхода которого известна, строится его ВАХ и по смещению ВАХ обоих образцов относительно друг друга определяется КРП между образцами и работа выхода исследуемого образца. Для большей достоверности определения работы выхода исследуемого образца эталонный образец также должен пройти выше описанную процедуру ионной очистки поверхности.Then, the test sample is changed to a reference sample, the work function of which is known, its I – V characteristic is constructed, and the CVC between the samples and the work function of the test sample are determined from the shift in the I – V characteristics of both samples. For greater reliability of determining the work function of the test sample, the reference sample must also pass the above-described procedure for ionic surface cleaning.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕSOURCES OF INFORMATION TAKEN INTO ACCOUNT

1. Ибрагимов X.И., Корольков В.А. Работа выхода электрона в физико-химических исследованиях. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 526 с.1. Ibragimov X.I., Korolkov V.A. The electron work function in physical and chemical research. - M .: Intermet Engineering, 2002 .-- 526 p.

2. А.С. СССР 853514, МПК G01N 27/62, 1981.2. A.S. USSR 853514, IPC G01N 27/62, 1981.

3. Онищенко А.В., Малов Ю.И., Корольков В.А. // Метрология. -1979. -№5. С.49-53.3. Onishchenko A.V., Malov Yu.I., Korolkov V.A. // Metrology. -1979. -№5. S.49-53.

Claims

1. Installation for determining the work function of the electron, including a cell located in the vacuum chamber for measuring the contact potential difference, consisting of a collector, which is used to study the sample fixed on the holder and installed in the corresponding position, an anode with a collimating hole and a thermal cathode with a screen, characterized the fact that the installation is also equipped with a gas-discharge diode cell located in the vacuum chamber and a mechanism for moving the holder with a sample d mounted on it I have the possibility of setting the latter in the position of the collector cell for measuring the contact potential difference, and the position of the cathode of the diode discharge cell.

2. Installation according to claim 1, characterized in that a vacuum post is also used as a device for creating a vacuum in the chamber, also equipped with an inert gas inlet system into the diode cell.

3. The installation according to claim 1, characterized in that the thermal cathode with a screen and the anode of the cell for measuring the contact potential difference and the bulb of the diode cell are mounted on a common flat base.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the mechanism for moving the holder is formed by two crankshafts interconnected and with the holder, the axes of which are parallel to each other and lie in planes parallel to the base plane.