Идеальная жидкость

Вид материалаДокументы

Содержание


Ионизирующее излучение
Г. Б. Радзеевский.
Ионная эмиссия
Ионное внедрение
Ионно-звуковые колебания
Ионно-ионная эмиссия
Ионно-электронная эмис­сия
Ионные кристаллы
Ионные приборы
Ионные пучки
Ионный источник
Ионный микроскоп
ИОННЫЙ ПРОЕКТОР (полевой ионный микроскоп, автоионный микро­скоп)
Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 — жид­кий водород; 2 — жид­кий азот; 3 — остриё; 4 — проводящее коль­цо; 5 — экран.
Рис. 2. Изображения поверхности вольфра­мового острия радиусом 950 Å при увеличе­нии в 10
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Ионизация в твёрдом теле — про­цесс превращения атомов тв. тела в заряж. ионы, связанный с переходом эл-нов из валентной зоны кристалла в проводимости зону. Энергия И. W в тв. теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны ξg (см. также Твёрдое тело). В кристаллах с узкой запрещённой зоной эл-ны могут при­обретать W за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая И.); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются эл-нам проходя­щими через тв. тело (или поглощае­мыми в нём) фотонами. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (эл-ны, протоны) или нейтральных (нейтроны) ч-ц.

Особый интерес представляет И. в сильном электрич. поле, наложенном на тв. тело. В таком поле эл-ны в зоне проводимости могут приобрести ки­нетич. энергии, большие, чем ξg, и «выбивать» эл-ны из валентной зоны (т. н. ударная И.). При этом в валентной зоне образуются дырки, а в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» эл-на появляются два «мед­ленных», к-рые, ускоряясь в поле,

могут также стать «быстрыми» и выз­вать И. Вероятность ударной И. воз­растает с ростом напряжённости элек­трич. поля. При нек-рой критич. на­пряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрич. пробою тв. тела (см. Пробой диэлектриков).

• Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Месси Г., Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958; Э н г е л ь А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Федоренко Н. В., Ионизация при столкновениях ионов с атомами, «УФН», 1959, т. 68, в. 3; В и л е с о в Ф. И., Фотоионизация газов и паров вакуумным ультрафиолетовым излу­чением, там же, 1963, т. 81, в. 4.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, потоки ч-ц и эл.-магн. квантов, вз-ствие к-рых со средой приводит к ионизации её атомов и молекул. И. и. явл. рентгеновское и -излучение, потоки -частиц, эл-нов, позитронов, протонов, нейтронов.

Заряж. ч-цы ионизуют среду не­посредственно при столкновениях с её атомами и молекулами (первичная ионизация). Выбиваемые при этом эл-ны, если они обладают достаточно большой энергией, также могут иони­зовать (вторичная ионизация). В слу­чае быстрых нейтронов ионизация обу­словлена ядрами отдачи или др. ч-цами, возникающими при вз-ствии нейтронов со средой. Ионизация фото­нами рентгеновского и -излучений может быть непосредственной — пер­вичной (фотоионизация), а также, в большей степени, вторичной — обус­ловленной эл-нами, образующимися при вз-ствии фотонов с в-вом (см., напр., Гамма-излучение, Комптона эффект).

• ГОСТ 15484—74. Ионизирующие излуче­ния, М., 1974.

Г. Б. Радзеевский.

ИОННАЯ СВЯЗЬ (электровалентная связь), химическая связь, обусловлен­ная переносом валентных эл-нов с одного атома на другой (образовани­ем положит. и отрицат. ионов) и электростатическим (кулоновским) вз-ствием между ними. Характерна для соединений металлов с наиб. ти­пичными неметаллами, напр. для мо­лекулы NaCl и соответствующего ион­ного кристалла. См. Межатомное взаимодействие.

В. Г. Дашевский.

ИОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание по­ложит. и отрицат. ионов поверхно­стью тв. тела (э м и т т е р а) под воздействием теплового возбуждения (термоионная эмиссия), или облучения поверхности потоком ч-ц (ионно-ионная и электронно-ионная эмиссии), или фотонов (фотодесорбция). При облучении поверх­ности тел мощными импульсами ла­зерного излучения также наблюда­ется И. э., к-рая имеет более сложный хар-р и может быть объяснена как оптическим, так и тепловым возбужде­нием поверхностных атомов. И. э. ис­пользуется в разл. приборах для ис­следований св-в и состава поверхно­сти тв. тел.

230


• Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., По­верхностная ионизация, М., 1969.

Н. И. Ионов.

ИОННОЕ ВНЕДРЕНИЕ (ионное леги­рование, ионная имплантация), введе­ние посторонних атомов внутрь тв. тела бомбардировкой его поверхно­сти ионами. Ср. глубина проникнове­ния ионов в мишень тем больше, чем больше энергия ионов (ноны с энер­гиями ξи~10—100 кэВ проникают на глубину 0,01—1 мкм). При бомбарди­ровке монокристаллов глубина про­никновения ч-ц вдоль определ. кристаллографич. осей может быть во много раз больше, чем в др. направле­ниях (каналирование частиц). При интенсивной бомбардировке И. в. пре­пятствует катодное распыление мише­ни, а также диффузия внедрённых ионов к поверхности и их вы­деление с поверхности (ионно-ионная эмиссия). Существует макси­мально возможная концентрация вне­дрённых ионов, к-рая зависит от хим. природы иона и мишени, а также от темп-ры мишени. И. в. позволяет вводить в полупроводниковые материа­ла точно дозированные кол-ва почти любых хим. элементов.

ИОННО-ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, низкочастотные акустические про­дольные волны, распространяющиеся в плазме с независящей от частоты скоростью



где Z —

заряд ионов, Те и Тi — темп-ры эл-нов и ионов, е и i — отношения уд. теплоёмкостей электронного и ион­ного газов. И.-з. к. слабо затухают лишь в случае бесстолкновительной (частота колебаний много больше ча­стоты столкновений) и неизотермиче­ской (Te>>Ti) плазмы. При выполне­нии этих условий инерция среды опре­деляется ионами, а упругая возвра­щающая сила — давлением электрон­ного газа. Если условие Те>>Тi не выполнено (напр., TеТi, изотермич. плазма), то волна не распростра­няется вследствие сильного Ландау затухания.

• См. лит. при ст. Плазма.

Б. А. Трубников.

ИОННО-ИОННАЯ ЭМИССИЯ, ис­пускание ионов (вторичных) поверх­ностью тв. тела при облучении её по­током ионов (первичных). В составе вторичных ионов наблюдаются отра­жённые первичные ионы, изменившие при отражении знак заряда (конверсия ионов), а также ионы примесных в-в облучаемой мишени. Количеств. хар-ка И.-и. э.— коэфф. И.-и. э., равный отношению потоков вторичных ионов к первичным. Его величина зависит от материала и темп-ры мишени, её хим. состава, кинетич. энергии и угла падения первич. ионов.

• См. лит. при ст. Ионная эмиссия.

Н. И. Ионов.

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИС­СИЯ, испускание эл-нов поверхностью тв. тела в вакуум при бомбардировке поверхности ионами. Коэфф. И.-э.э.  равен отношению числа эмиттированных эл-нов nе к числу падающих на поверхность ионов ni. Для И.-э.э. характерно отсутствие энергетич. по­рога. Для медленных ионов  прак­тически не зависит от их энергии ξi и массы mi, но зависит от их заряда (для однозарядных ионов ~0,2—0,3, для многозарядных  может превы­шать единицу). И.-э. э. зависит также от энергий ионизации и возбуждения ионов и от работы выхода в-ва мишени. Когда скорость ионов vi достигает (6—7) 106 см/с, хар-р И.-э. э. резко изменяется (для диэлектриков при меньших энергиях). Вначале  растёт пропорц. ξi, затем как ξi, при vi~108 109 см/с достигается мак­симум, после чего начинается спад. Энергетич. спектр эмиттированных эл-нов имеет максимум при энергиях ξi~1—3 эВ, положение к-рого не зависит от ξi.

Если к поверхности твёрдого тела подходит медленный ион, то эл-н тв. тела может перейти к иону и нейтра­лизовать его. Такой переход сопро­вождается выделением энергии, и часть эл-нов, получивших её, может покинуть тело. При бомбардировке быстрыми ионами происходит интен­сивный электронный обмен, при к-ром эл-н может перейти из валентной зоны в зону проводимости, а затем и в ва­куум.

• Аброян И. А., Еремеев М. А., Петров Н. И., Возбуждение электронов в твердых телах сравнительно медленными атомными частицами, «УФН», 1967, т. 92, в. 1, с. 105.

ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллы с ионным (электростатическим) хар-ром связи между атомами. И. к. могут состоять как из одноатомных, так и многоатомных ионов. Примеры И. к. первого типа — кристаллы галогенидов щелочных и щёлочноземельных металлов, образованные положитель­но заряж. ионами металла и отрица­тельно заряж. ионами галогена (NaCl, CsCl, CaF2). Примеры И. к. второго типа — нитраты, сульфаты, фосфаты и др. соли металлов, где отрицат. ионы кислотных остатков состоят из неск. атомов. К И. к. относят также силикаты, в к-рых кремнекислородные радикалы SiO4 образуют цепи, слои или трёхмерный каркас, внутри ра­дикалов атомы связаны ковалентной связью (см. Межатомное взаимодейст­вие).

• Б е л о в Н. В., Структура ионных крис­таллов и металлических фаз, М., 1947. См. также лит. при ст. Кристаллохимия.

Б. К. Вайнштейн.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ, газоразрядные приборы, действие к-рых основано на использовании разл. видов электри­ческих разрядов в газе или в парах ме­талла. Св-ва И. п. определяются электрич. полем между электродами и вз-ствием электронного потока с газовой средой. При движении от катода в аноду эл-ны, соударяясь с атомами и молекулами газа, производят иони­зацию. Для управления моментом возникновения разряда в И. п. приме­няют дополнит. электроды. В И. п. можно получить очень большой ток при небольшом анодном напряжении благодаря компенсации объёмного электронного заряда ионами. Работа И. п. основана на использовании отд. св-в того или иного вида разряда, гл. обр. тлеющего разряда с холодным ка­тодом (декатроны и др.), дугового разряда (газотроны, тиратроны, ртут­ные вентили), искрового разряда (ис­кровые разрядники, тригатроны, ста­билитроны и др.), коронного разряда. Отд. группу И. п. составляют газо­разрядные источники света, в т. ч. газовые лазеры. Существует группа И. п. (фазовращатели, разрядники и др.), основанная на вз-ствии СВЧ поля и ионизиров. области газа.

• Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960; Каганов И. Л., Ионные приборы, М., 1972.

ИОННЫЕ ПУЧКИ, направленные по­токи ионов, имеющие определ. форму. Обычно И. п. имеют малые попереч­ные размеры по сравнению с длиной. И. п. впервые наблюдал нем. физик Э. Гольдштейн (1886) в опытах с газо­разрядной трубкой, в катоде к-рой были проделаны отверстия. Ускорен­ные в межэлектродном пр-ве ионы проходили через эти отверстия, созда­вая за катодом по ходу образованных ими пучков слабое свечение (т. н. каналовые лучи).

И. п. используются в разл. физ. экспериментах и в технике. При про­хождении И. п. через газы они рас­сеиваются вследствие столкновений (см. Столкновения атомные) ионов с атомами газа. Чтобы уменьшить этот эффект, И. п. получают в условиях достаточно высокого вакуума. Опре­деление параметров ионного пучка в разл. его сечениях значительно облег­чается путём использования Лиувилля теоремы (см. Электронные пучки).

Для образования И. п. необходимо получить достаточное кол-во ионов, ускорить их и соответствующим обра­зом направить их движение. В ионных источниках ионы получают путём ио­низации атомов и молекул электрон­ным ударом (см. Ионизация), поверх­ностной ионизации, фотоионизации, автоионизации и т. п. Мощным источ­ником ионов явл. электрич. разряд в вакууме (низковольтный ду­говой разряд, высокочастотный разряд). Ускорение и формирование ионов в лучок производится системой ионных линз (см. Электронные линзы). При большой интенсивности И. п. для предотвращения их расширения, свя­занного с образованием объёмного заряда, применяются ионные линзы спец. конструкций. В части И. п., на­ходящейся вне зоны воздействия элек­трич. полей, при определ. условиях может наступить компенсация поло­жительного объёмного заряда ионов

231


отрицат. зарядами вторичных эл-нов разл. происхождения.

Воздействуя электрич. и магн. поля­ми на И. п., можно определить массу и энергию ионов (см. Масс-спектро­метр), ускорить их до высоких и сверхвысоких энергий (см. Ускори­тели заряженных частиц), сепариро­вать их по массе (см. Изотопов разде­ление) и т. п. И. п. используются так­же для получения увеличенных изоб­ражений микрообъектов (см. Ионный проектор, Ионный микроскоп), т. к. при этом дифракц. явления, ограни­чивающие разрешение, играют зна­чительно меньшую роль, чем при ис­пользовании электронных пучков, что связано с большой массой ионов и соответственно уменьшенной дли­ной волн де Бройля для них.

• Молоковский С. И., С у ш к о в А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, Л., 1972; Л о у с о н Дж., Физика пучков заряженных частиц, пер. с англ., М., 1980. См. также лит. при ст. Ионный источник, Масс-спектрометр.

В. М. Кельман, И. В. Родникова,

ИОННЫЙ ИСТОЧНИК, устройство для получения в вакууме направлен­ных ионных потоков (пучков). И. и.— важная часть ускорителей заряж. ч-ц, масс-спектрометров, ионных микро­скопов, установок для термояд. синте­за и разделения изотопов и мн. др. устройств. В И. и. используются: ионизация атомов электронным ударом, поверхностная ионизация, ионизация в газовом разряде и др. (см. Ионная эмиссия). Наибольшее распростране­ние получили плазменные И. и., со­здающие интенсивный пучок ионов с заданными массой, зарядом, энерги­ей, током при мин. расходе рабочего в-ва и потреблении энергии, высоких стабильности и долговечности.

И. и. с высокой плотностью ионного тока явл. дуоплазмотрон, в к-ром плазма подвергается сперва «геом.» сжатию, а затем сжатию неод­нородным магн. полем. Распростране­ны И. и., в к-рых эл-ны, ионизирую­щие газ, осциллируют вдоль линий магн. поля между катодом и отража­телем. Ионы извлекаются через от­верстие в отражателе либо через щель в анодном цилиндре (поперёк магн. поля). Интенсивные импульсные пуч­ки отрицат. ионов получаются в поверхностно-плазменных И. и., где покрытый Cs электрод бом­бардируется потоком положит. ионов водорода, к-рые при этом преобразу­ются в отрицат. ионы. В инжекторах быстрых нейтр. ч-ц используются мощ­ные дуговые И. и. без магн. поля, позволяющие получать ионные пучки с током в десятки А. Импульсным сильноточным И. и. является спец. отражат. диод, состоящий из двух катодов и находящегося между ними тонкоплёночного анода, на к-рый по­даётся короткий импульс высокого напряжения. Образующиеся эл-ны

многократно пронизывают анод и ос­циллируют между катодами, испаряя и ионизируя в-во анода. Нейтрализуя объёмный заряд ионов, можно полу­чить ионные потоки с высокой плот­ностью и общим током порядка сотен кА. Иногда роль одного из катодов играет т. н. виртуальный катод. Осо­бенностью И. и. многоразрядных ионов явл. длит. удержание ионов в объёме, пронизываемом электронным пото­ком с большими энергией и плотно­стью. Плазма, образующаяся при облу­чении тв. тела лазерным излучением, также явл. эфф. источником много­зарядных ионов.

• Габович М. Д., Физика и техника плазменных источников ионов, М., 1972; Семашко Н. Н., Инжекторы быстрых атомов водорода, М., 1981.

М. Д. Габович.

ИОННЫЙ МИКРОСКОП, электронно-оптич. прибор, в к-ром для получения изображений применяется ионный пу­чок, создаваемый термоионным или газоразрядным ионным источником. По принципу действия И. м. анало­гичен электронному микроскопу. Про­ходя через объект и испытывая в раз­личных его участках рассеяние и по­глощение, ионный пучок фокусиру­ется системой электростатич. или магн. линз и создаёт на экране или фотослое увеличенное изображение объекта.

Работы по усовершенствованию И. м. стимулируются тем, что он обладает более высокой разрешающей способ­ностью по сравнению с электронным микроскопом. Длина волны де Бройля для ионов в M/m раз меньше, чем для эл-нов (m — масса эл-нов, М — масса ионов) при одинаковом ускоря­ющем напряжении, вследствие чего в И. м. очень малы эффекты искажения, обусловленные дифракцией, к-рые ограничивают в электронном микро­скопе его разрешающую способность. Другие преимущества И. м.—меньшее влияние изменения массы ионов при больших ускоряющих напряжениях и лучшая контрастность изображения. Напр., контрастность изображения органич. плёнок толщиной в 50 А, вы­званная рассеянием ионов, в неск. раз превышает контрастность, вызван­ную рассеянием эл-нов.

К недостаткам И. м. относятся: за­метная потеря энергии ионов даже при прохождении их через очень тонкие объекты, что приводит к раз­рушению объектов; большая хроматич. аберрация; разрушение люмино­фора экрана ионами и слабое фотогр. действие ионов. Эти недостатки при­вели к тому, что, несмотря на пере­численные выше преимущества, И. м., по сравнению с электронным, не имеет пока широкого применения. Более эф­фективен И. м. без линз — ионный проектор.

ИОННЫЙ ПРОЕКТОР (полевой ионный микроскоп, автоионный микро­скоп), безлинзовый ионно-оптич. при­бор для получения увеличенного в неск. млн. раз изображения поверх­ности тв. тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2—3 Å, что даёт возможность наблю­дать расположение отд. атомов в крист. решётке. И. п. был изобретён в 1951 Э. В. Мюллером (Е. W. Miiller, США), к-рый ранее создал электрон­ный проектор.

Принципиальная схема И. н. показа­на на рис. 1. Положит. электродом и одновременно исследуемым объектом, увеличенная поверх­ность к-рого изо­бражается на экра­не, служит остриё тонкой проводящей иглы. Атомы (или молекулы) газа, за­полняющего внутр. объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхно­сти острия, отдавая ему свои эл-ны.



Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 — жид­кий водород; 2 — жид­кий азот; 3 — остриё; 4 — проводящее коль­цо; 5 — экран.


Возникшие положит. ионы приобре­тают под действием поля радиальное ускорение, устремляются к флуоре­сцирующему экрану (потенциал к-рого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорц. плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распреде­ление свечения на экране воспроизво­дит (в увеличенном масштабе) рас­пределение плотности возникновения ионов вблизи острия, отражающее структуру поверхности объекта. Мас­штаб увеличения m примерно равен отношению радиуса экрана R к ра­диусу кривизны острия r, т. е. m=R/r.

Вероятность полевой ионизации (см. Автоионизация) газа в электрич. поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся па­дение потенциала порядка ионизацион­ного потенциала этой ч-цы. Это зна­чит, что напряжённость поля должна достигать ~(2—6)*108 В/см, т.е. (2—6) В/Å. Столь сильное поле можно создать у поверхности острия (на рас­стоянии 5—10 Å от неё) при доста­точно малом радиусе кривизны по­верхности — от 100 до 1000 А. Имен­но поэтому (наряду со стремлением к большим увеличениям) образец в И. п. изготовляют в виде тонкого острия.

Вблизи острия электрич. поле не­однородно — над ступеньками крист. решётки или над отдельными высту­пающими атомами его локальная на­пряжённость увеличивается: на та­ких участках вероятность полевой ионизации выше и кол-во ионов, обра­зующихся в ед. времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изобра­жения поверхности определяется на-

232


личием у неё локального микрорелье­фа. Другим фактором, влияющим на контраст, явл. электронная природа атома; так, напр., в сплаве Со и Pt более электроотрицательные атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны. Ионный ток и, следовательно, яр­кость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, к-рое в И. п., однако, обычно не превышает 10-3 мм рт. ст.

Разрешающая способность И. п.  находится в обратной зависимости от тангенциальной составляющей ско­рости иона, т. е., чем меньше кинетич. энергия ч-цы, превращающейся в ион, тем выше б. Поэтому остриё И. п. обычно охлаждают (до 4—78 К). При этом увеличивается аккомодация ч-ц изображающего газа. В сильном электрич. поле атомы газа адсорбиру­ются на участках с наибольшей ло­кальной напряжённостью поля (т. н. полевая адсорбция). Их присутствие даёт возможность получать высокодеталированное изображение (рис. 2), т. к. полевая ионизация изображаю­щих ч-ц облегчается при полевой ад­сорбции на уже ранее адсорбированных ч-цах.



Рис. 2. Изображения поверхности вольфра­мового острия радиусом 950 Å при увеличе­нии в 106 раз в электронном проекторе (о) и в гелиевом ионном проекторе (б) при темп-ре 22К. На первом изображении можно ви­деть только структуру крист. плоскостей, тогда как с помощью ионного проектора за счёт разрешения отд. атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочную структуру ступеней крист. решетки.


Чем выше потенциал иони­зации ч-ц, тем большее разрешение они обеспечивают. (Лучшими изобра­жающими газами явл. Не и Ne.) Однако при этом требуются более сильные электрич. поля, что ограничи­вает круг объектов И. п. из-за поле­вого испарения. Примесь к рабочему газу другого снижает величину изобра­жающего поля за счёт понижения по­рогового поля полевой адсорбции. Часто в И. п. применяют внутренний микроканальный умножитель (МКУ), к-рый конвертирует ионный ток в элек­тронный, многократно его усиливает и обеспечивает яркое изображение на экране. МКУ позволили использо­вать разнообразные рабочие газы, по­нижать их давление и тем самым зна­чительно , расширили возможности И. п.

И. п. широко применяется для ис­следования ат. структуры поверхно­сти металлов, сплавов и соединений. С его помощью определяются пара­метры поверхностной диффузии отд. атомов и их элем. ассоциатов, при этом выявляются механизмы переме­щения, что недоступно др. методам. С помощью И. п. наблюдаются и изу­чаются двухмерные фазовые превраще­ния; в ат. масштабе исследуются внутр. дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дис­локации, дефекты упаковки и др.); исследуются потенциалы межат. вз-ствия, электронные св-ва элемен­тарных поверхностных объектов. Ис­следования с использованием И. п. привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в по­ликристаллах.

Сочетание И. п. с масс-спектромет­ром, регистрирующим отд. ионы, при­вело к изобретению ат. зонда, рас­ширившего аналитич. возможности прибора.

• Мюллер Э. В., Ц о н г Т. Т., Поле­вая ионная микроскопия, полевая иониза­ция и полевое испарение, пер. с англ., М., 1980; их же, Автоионная микроскопия, пер. с англ., М., 1972.