Top.Mail.Ru

Физика жидкометаллического ионного источника

Физика жидкометаллического ионного источника

Форма поверхности жидкого металла в жидкометаллическом ионном источнике определяется совместным действием трех сил — электростатической, поверхностного натяжения и внутреннего давления в жидкости, определяемого ее течением. Первые две из этих сил действуют на любую проводящую жидкость в электростатическом поле: электростатическая сила стремится вырвать атомы из жидкости в направлении градиента электрического потенциала, а поверхностное натяжение стремится сделать поверхность жидкости плоской.

И электростатическая сила, и противодействующая ей нормальная к поверхности компонента сил поверхностного натяжения обратно пропорциональны радиусу кривизны поверхности жидкости. Чем острее вершина выпуклости поверхности жидкости, тем сильнее стремится электростатическая сила вытянуть ее еще больше, но и тем сильнее силы поверхностного натяжения стремятся втянуть ее обратно.

Сэр Дж. Тейлор, который исследовал поведение жидкостей в сильных электрических полях в начале 60-х годов, показал, что лишь немногие формы поверхности могут обеспечить равновесие электростатических сил и сил поверхностного натяжения. Наиболее важной считается так называемая форма конуса Тейлора с половинным углом при вершине около 49,3°.

Электростатические и механические силы могут сохранять эту форму поверхности жидкости неограниченно долго.

У вершины идеализированного конуса Тейлора обе рассматриваемые силы обращаются в бесконечность. На практике у вершины конуса происходит отрыв атомов под действием электрического поля. Орбиты электронов у вытягиваемых электрическим полем атомов искажаются настолько сильно, что электроны могут туннелировать обратно в жидкость. В результате возникает поток положительных ионов с вершины конуса. Этот процесс, называемый полевым испарением, является основным механизмом образования ионов в ЖМИИ (жидкометаллические ионные источники).

Предполагается, что радиус округления вершины конуса составляет от 1 до 5 нм, но точно определить его трудно, поскольку на него влияет поток жидкого металла, восполняющий потери атомов в результате испарения. Кроме того, конфигурация электрического поля вблизи вершины конуса сильно искажается положительным объемным зарядом испарившихся ионов, скорости которых на первых нескольких нанометрах их траекторий довольно малы.

Конус Тейлора

Конус Тейлора. Форма этого конуса определяется равновесием между силами поверхностного натяжения и электростатическими силами, действующими на поверхность жидкости в ЖМИИ. Поток жидкости, обеспечивающий восполнение атомов, уносимых в результате полевого испарения, искажает форму вершины конуса. Темное облако, непосредственно над вершиной конуса — это струя металла.

Детальная форма поверхности жидкости у вершины острия ЖМИИ зависит от интенсивности полевого испарения, гидродинамики потока жидкого металла и конфигурации электрического поля над поверхностью проводника неизвестной геометрии в присутствии очень плотного объемного заряда. Д. Кингам и Л. Суонсон провели в Орегонском высшем институте моделирование процесса работы ЖМИИ, задавшись первоначальной геометрией острия иглы и соответствующей геометрией электрического поля и рассчитав скорость полевого испарения для выбранных условий. Затем при помощи уравнения Пуассона они рассчитали траектории ионов, определяющие распределение потенциала в присутствии объемного заряда этих ионов, которое в свою очередь, влияет на скорость испарения. Они изменяли геометрию поверхности жидкости до тех пор, пока расчеты не дали самосогласованных результатов.

Результаты моделирования показали, что поперечный размер эмитирующего участка конуса действительно составляет всего несколько нанометров, но его конкретное значение зависит от принятых приближений и от тока через конус. Плотность тока здесь составляет около миллиона ампер на квадратный сантиметр, или 1010 А/м2, так что нельзя быть уверенным в точности расчетов формы поверхности.

Атомы, теряемые с кончика острия источника в результате ионизации, восполняются атомами, поступающими к острию с потоком жидкого металла. При ионном токе в один микроампер к острию конуса должно поступать около 5 мкм3 жидкого металла в секунду. Острие конуса Тейлора характеризуется площадью всего около 10-5 мкм2: так что скорость потока металла вблизи острия должна достигать порядка 1 м/с.

Обратим внимание на это значение — 1 м превышает радиус округления вершины конуса примерно в 109 раз. Если бы теннисный мяч летел со скоростью 109 его радиусов в секунду, эта скорость была бы около 40 000 км/с.

Гидродинамические силы, создаваемые таким потоком, искажают геометрию конуса Тейлора, заостряя ее, так что в итоге жидкометаллический ионный источник приобретает вид малой струи, истекающей с вершины конуса.

22:20
225
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!