本文介紹了熱表面電離法監測鋰(Li)原子蒸氣密度的實驗研究。制作了熱表面電離計，分析了離子流與鋰蒸氣密度的關系，驗證了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。對原子與金屬表面作用的機制、電荷交換的各種情況以及金屬表面的物理化學性質進行了分析。

　　在金屬冶煉、真空鍍膜等工業過程中，靶材金屬原子蒸氣密度決定著靶材的供料速率及其他一些重要參數，直接影響著工作效率和產品質量。所以對靶材金屬原子蒸氣密度進行實時監測有著非常重要的意義。

　　本研究根據實際應用需要，自行設計并制作了熱表面電離計，并開展了用熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的實驗研究。分別測量離子流與收集場電壓、加熱燈絲功率以及鋰蒸發源溫度的關系，分析了鋰原子與金屬表面作用的機制，驗證了用熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。

1、實驗原理

　　金屬原子打在熱金屬表面上會發生電荷交換(被電離)產生正離子，如果在熱金屬表面附近放置適當的離子收集極，該收集極相對于熱金屬表面處于負電位，這樣被電離產生的離子就會被收集極捕獲，形成一個離子流電流，通過測量該電流的大小可以得到與金屬原子蒸氣密度有關的信息。

　　低能原子打在金屬表面，當金屬表面溫度較低時，表面吸附作用起主要作用;當金屬表面溫度達到一定程度時，原子吸收熱量便有可能掙脫吸附。表面吸附對入射原子和被吸附金屬都會產生重要影響。一方面，吸附原子的價電子能級將發生移動;另一方面，被吸附金屬的表面功函數也會發生改變。在此過程中，吸附原子與金屬之間還存在電荷交換效應。對于堿金屬原子，如果其電離能小于金屬的功函數，則堿金屬原子非常容易正離子化;反之則離子化和中性化的可能都存在。

　　堿金屬原子在熱金屬表面上被電離的電離效率可寫成：

　　3、實驗過程與分析

　　3.1、離子流與收集場電壓的關系

　　用直流恒流源保持電離計熱絲電流0.7 A，用加熱蒸發電源保持鋰蒸發源溫度500℃。調節穩壓源提供的收集場電壓，從4 V 增加到25 V。測量得到離子流與收集場電壓的關系曲線，如圖4 所示。圖中前半部分變化趨勢較明顯。隨著收集場電壓的升高，離子流電流明顯增大。這表明電離產生的離子受收集場的影響，被收集極捕獲，并隨著收集場的增強，捕獲率也相應提高。但是從15 V 到25 V 這一區間內離子流大小基本保持穩定，分析此現象認為熱絲在此工作狀態下，鋰原子被電離產生的離子幾乎全部被收集場收集，達到飽和狀態，此時即為飽和電壓。在隨后的實驗中我們調高熱絲的電流，增大其功率，則飽和電壓相應提高，也證實了這一判斷。

圖4 離子流與收集場電壓關系

　　3.2、離子流與熱絲電流的關系

　　用穩壓電源保持收集場電壓為11 V，保持鋰蒸發源蒸發溫度800℃。調節直流恒流源，使電離計熱絲電流從0.6 A 增加到1.7 A。測得離子流與電離計熱絲功率的關系曲線，如圖5 所示。觀察圖5 離子流與熱絲功率的變化曲線，可將整個變化過程分為三個階段，第一階段離子流隨熱絲功率增大緩慢增大，第二階段變化較快，第三階段又趨于平緩。據分析這應該是受到了金屬表面對堿金屬的吸附作用的影響。

圖5 離子流與熱絲功率關系

　　固體表面上的吸附按其作用力的本質來分，可分為物理吸附和化學吸附兩類。物理吸附的機理是由于分子間作用力的作用，吸附勢相對較低，約為1 千卡/ 克分子。化學吸附則由吸附物與固體表面分子(原子)之間的化學作用引起，在吸附過程中將發生電子的轉移或公有，原子重排和化學鍵的斷裂與形成等過程。化學吸附勢相對較高，大約為5~100 千卡/ 克分子。分子(原子)趨近于金屬表面時，一般先發生物理吸附，隨著距離的縮短，會發生化學吸附。

　　離子流與熱絲功率關系的三個階段中：第一階段，當金屬表面溫度較低時，堿金屬原子與金屬表面既存在熱表面電離現象，又存在較強烈的表面吸附現象，所以導致離子流隨熱絲功率增大緩慢增大;隨后熱絲功率增大，金屬表面溫度增高，表面吸附現象逐漸消失，第二階段反映的是正常的離子流與熱絲溫度的變化關系;第三階段曲線變化趨于平緩，說明熱絲溫度足夠高，以至于熱絲表面的熱離子功函數達到飽和狀態，觀察飽和點大約在熱絲功率為8 W (電流1.6 A 電壓5 V)附近得到。

　　3.3、離子流與鋰蒸發源溫度的關系

　　用直流恒流源保持電離計熱絲電流為1.6 A(電壓5 V)，用穩壓電源保持收集場電壓為11 V，用PID 自整定加熱電源調節鋰蒸發源蒸發溫度，從450℃增加到780℃，測得離子流與鋰蒸發源溫度關系(如圖6)。圖6 中的點■為實驗數據點;實線為根據公式(2)、(3)計算得出的鋰原子蒸氣密度與蒸發源溫度的關系曲線。通過比較發現，實驗結果與理論計算符合的較好，離子流大小基本上可間接反映出鋰原子蒸氣密度的大小。

圖6 離子流、鋰原子蒸氣密度與蒸發溫度關系

圖7 離子流與鋰原子蒸氣密度關系

　　為了進一步分析兩者的關系，圖7 給出了離子流與鋰原子蒸氣密度的關系曲線(▲為實驗數據點，實線為線性擬合后的曲線)。從中可看出，在實驗范圍內離子流與理論計算得到的鋰原子蒸氣密度存在明顯的線性關系，進一步確定了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。

4、結論

　　本實驗利用自制的熱表面電離計，開展了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的相關實驗研究，通過對實驗結果的分析，證實了熱表面電離法監測鋰原子蒸氣密度的可行性。熱表面電離技術不僅可用于堿金屬元素，還可用于對堿土金屬、第三族元素、堿金屬鹵化物和中性分子進行監測與測量，使用該方法可方便、簡潔、快速的實現原子蒸氣密度的實時監測，對金屬冶煉、真空鍍膜等工業有著很高的實用價值。