Gasdetektion auf der Basis thermischer Emissionsströme von Festkörperoberflächen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Mechanismus der thermischen Elektronenemission als Methode zur Gasdetektion an Raumluftuntersucht. Die dabei entscheidende Material-Austrittsarbeit ist eine oberflächensensitive Größe, die durch Verunreinigung oderGasadsorption moduliert wird. Der thermische Elektronen-Emissionsstrom ist dabei exponentiell von der Austrittsarbeit beeinflußt, so daßbereits geringe Austrittsarbeitsänderungen eine merkliche Stromänderung hervorrufen. Damit stellt der Emissionsstrom eine sensitiveMeßgröße zur Erfassung der Oberflächenkonfiguration dar. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand emittierender Proben, dieanschließend mit einer Vielzahl von Gasen beaufschlagt werden, ob eine Gasdetektion auf Basis der thermischen Emission an Raumluftmöglich ist. Nach dem Aufbau einer speziellen Meßmimik die es erlaubt, Ströme oberhalb von 100 fA definiert nachzuweisen, werden auf Basis derOxide des Bariums, des Scandiums und des Cer sowie aus Mischungen von Barium- und Scandium-Oxid selbstbeheizte Probenpräpariert. Sie zeigen im Temperaturbereich zwischen 500 und 1050 Grad Celsius einen stabilen negativen Emissionsstrom. Mit einer Gasmischeinheit, die die definierte Proben-Beaufschlagung mit relevanten Gasen (Wasserstoff, Propan, Methan, Kohlenmonoxid,Kohlendioxid etc.) erlaubt, werden die emittierenden Schichten hinsichtlich ihrer gassensitiven Eigenschaften charakterisiert. Es zeigt sich,daß der negative Emissionssstrom bei Gasangeboten im ppm Bereich materialspezifisch um Größenordnungen schwanken kann und dieGas-Schicht Wechselwirkung meist reversibel erfolgt. Diese Wechselwirkung ist materialspezifisch noch durch die Oberflächentemperaturmoduliert. Aufgrund der Meßergebnisse kann gezeigt werden, daß die thermische Elektronen-Emission prinzipiell zur Gasdetektiongeeignet ist. Desweiteren wird die Emission positiv geladener Teilchen von den präparierten Probenoberflächen bei Temperaturen über 500 GradCelsius an Raumluft untersucht. Die nach SIMS Analysen wahrscheinlich durch Alkali-Ionen verursachten Ladungsträger zeigen imGegensatz zu den negativen thermischen Emissionsströmen keine Stabilität in der Zeit. Eine starkes Ansprechen auf die angebotenenGase wird nicht festgestellt. Versuche mit der Kelvin-Schwinger Methode als weitere Methode zum Nachweis gasinduzierter Austrittsarbeitsänderungen an Raumluftzeigen bei Meßtemperaturen über 500 Grad Celsius gasinduzierte Änderungen, die neben den chemischen Oberflächeneigenschaften derProbe noch wesentlich durch deren Oberflächentemperatur moduliert sind.