Эмиссия электронов, ионов и нейтральных частиц под действием лазерного излучения

Большие плотности потоков, высокие поверхностные температуры, колоссальные приповерхностные температурные градиенты и давления приводят к интенсивной эмиссии частиц различных сортов как в вакуум, так и непосредственно в воздух. Последнее связано с высокими скоростями вылетающих частиц – электронов, ионов различной кратности ионизации, нейтралов, молекул и молекулярных блоков.

Эмиссия электронов.

До порога разрушения поверхности мишени различают два механизма эмиссии электронов под действием лазерного излучения:

а) термоэлектронная эмиссия;

б) нелинейный (многофотонный) фотоэлектрический эффект.

Обычно вклад второго механизма в эмиссионный ток мал и его обнаружение до сих под является проблемой. Мы будем обсуждать только первый механизм. Известно имеющее как теоретическое, так и экспериментальное обоснование соотношение, связывающее плотность тока термоэлектронной эмиссии с температурой эмиссионной поверхности:

,

где j_е – работа выхода электрона, A _е – постоянная термоэлектронного эффекта (постоянная Ричардсона). Это – так называемое формула Ричардсона–Дёшмана. Значение A _е для различных материалов различно. Элементарная теория дает для этой постоянной следующее соотношение:

где m, e - соответственно масса покоя и заряд электрона, h – постоянная Планка.

Попутно заметим, что данный эффект очень перспективен для создания лазерных источников (инжекторов) электронов, поскольку принципиального ограничения на величину тока такого источника нет.

Термоионная эмиссия.

Ионный ток при лазерном облучении до порога разрушения (кипения) можно оценить на основе уравнения Ричардсона-Смита, аналогичного:

где A _i - постоянная термоэмиссии ионов, j_i - работа выхода положительного иона. Ее можно вычислить эмпирически из следующих соображений. На разделение пары i+e затрачивается энергия на заброс электрона в зону проводимости плюс затраты по удалению нейтральной частицы. С учетом работы по удалению пары j₀ (суммарная кинетическая энергия вылетающих частиц, равна кинетической энергии вылетающего нейтрала) можно написать уравнение баланса составляющих энергий:

j_i + j_e = J + j₀,

где J - потенциал ионизации атома. j_e и J обычно известны. j₀ можно оценить исходя из рассмотренной нами кинетики испарения материала мишени следует, что в процессе разлета вполне вероятна рекомбинация ионов в нейтральные атомы. Кроме того возможна и наиболее вероятна прямая эмиссия нейтралов. Этот процесс обычно описывается уравнением Лэнгмюра-Саха:

,

где i _i и i _н - соответственно потоки положительных частиц и нейтралов с поверхности, g _i и g _н - соответствующие статистические веса. Уравнение (1-31) описывает температурную зависимость степени ионизации вещества, уходящего с поверхности. Т.к. J > j_i, то доля ионизованных частиц возрастает при увеличении T.

Необходимо помнить, что эти соотношения получены для равновесных физических ситуаций. Если для нейтралов характерны малые по сравнению с процессами, приводящими к эмиссии, времена релаксации, то для ионов все зависит от условий конкретной задачи. При длительности импульсов < 10^-8 с может возникать ошибка, и тогда необходимо решать нестационарную и неравновесную задачу.

Эмиссия нейтральных частиц.

Эмиссия заряженных частиц всегда сопровождается эмиссией нейт­ральных частиц. исследование нейтралов всегда представляет собой трудную экспериментальную задачу. Их нельзя ни ускорить, ни сфокусировать, ни отклонить электрическими или магнитными методами. Один из наиболее применяющихся в этой ситуации методов спектрометрических исследований – предварительная селективная ионизация потока частиц электронным ударом с последующим анализом данных. Однако здесь существуют большие трудности. Поток нейтралов легко конденсируется на любой, в т.ч. и боковой поверхностях. Эффективность ионизации не превышает 1¸2 %. В результате удается получить данные только на пределе разрешения аппаратуры. Другой метод заключается в определении массы выброшенного вещества за счет его конденсации. Как видим, методы весьма несовершенные.

Известны следующие данные. При эмиссии ионов их количество составляет 1¸2 %, остальные - нейтралы. При этом энергия нейтралов может достигать 500 эВ при I ~ 1,4×10⁸ Вт/см². Это соответствовало бы T = 10⁵ K, что маловероятно. Объяснение появления столь энергичных частиц связано с неупругими столкновениями ионов с нейтралами, сопровождающимися перезарядкой.

Дата добавления: 2015-06-27