[科普中国]-热离子发射

概念

热离子发射现象的效应，表现为物质受热之后一些电子的能量超过物质本身的功函数，接着又突破电离能之后跑到物质的外部并摆脱了原子核的束缚飞向远处。这时在受热物质附近放一个金属搜集板，就可以产生电能。这个现象可以用来做热电子发电。

不同金属带的非还原热离子发射特性在石墨存在下，从Cs2B4O7发射的Cs2BO2+离子能得到极大的增强，从而极大地提高了硼同位素的测定精度。石墨的这种非还原热离子发射特性还成功地用来进行氯和溴同位素的高精度测定。这些研究表明，只有在石墨存在下才能从CsCl或RbCl获得强的Cs2Cl+或Rb2Cl2+离子流。随后，Xiao等对石墨的这种非还原热离子发射特性进行了更深入的研究，并广泛地应用在硼、氯同位素地球化学的研究中。在以往的研究中绝大多数都采用Ta金 属带，因为Ta带容易获得且价格便宜。在热电离质谱中，除了钽以外，铼、钨、铂等金属箔也常用做电离带。这四种金属材料中，Pt具有最高的功函数（6.27eV），而W具有最高的熔点（3410℃）。

金属带加热去气后放置时间的长短对氯同位素测定精度稍有影响，即放置时间越长，同位素比值测定精度越高。但是，在长时间放置中，防止产生新的污染是非常重要的，最好能采用通有纯洁氧气的密封箱。

在Cs2BO2+、Cs2Cl+离子的非还原热离子的发射中，Ta、Re、W、Pt四中金属带均能获得强的离子流，进行硼、氯同位素组成的测定，Cs2BO2+、Cs2Cl+离子的非还原热离子的发射与金属带的功函数大小无关。但相比之下，Ta带和Re带以及Ta带和W带分别更适合于基于Cs2BO2+、Cs2Cl+离子的硼、氯同位素组成的高精度测定。金属带表面的氧化程度对测定精度稍有影响，带表面氧化程度越高，同位素测定精度越高。1

碳纳米材料的非还原热离子发射特性的比较氯的两种稳定同位素，35Cl和37Cl，有较大的相对质量差异，导致了氯同位素在自然界中存在同位素分馏现象。通过测定氯同位素的比值，来研究其同位素分馏。对氯同位素测定最常使用的方法是基于CH3Cl+离子的气体质谱法和基于Cs2Cl+离子的正热电离质谱法。A. Long报道，使用基于CH3Cl+离子气体质谱法测定氯同位素比值的精度已达到0.009%。 Xiao使用正热电离质谱法测定国际一级标准物质SRM 975 NaCl，测得的氯同位素比值的精度也达到0.009%。由于这两种高精度氯同位素测定方法的出现，使得氯同位素广泛应用到对蒸发盐、地下水、热液矿床以及盐湖卤水等方面的研究。

Xiao等使用石墨和CsCl溶液共同涂样，利用石墨的非还原热离子特性，获得了强而稳定的Cs2Cl+离子流。石墨的存在极大地增强了Cs2Cl+离子流的发射，强度可达到1×10-11A以上，并且能稳定的发射数小时以上，以此创建了高精度氯同位素测定方法，使得氯同位素测定精度大大提高。作为其基础领域之一的碳纳米材料科学，由于其独特的光、电、热的传导性对碳纳米材料的研究具有重大的理论意义和广泛的、潜在的应用价值。

使用三种纳米碳材料测定氯同位素时，纳米石墨、纳米碳黑和纳米碳管都具有非还原性的热离子发射特性，都能够获得较强的Cs2Cl+离子流，但是相对普通石墨测定氯同位素时的离子流强度来说，离子流强度比较弱。从测定的比值和结果的精度比较，使用三种碳纳米材料不如使用标准CA石墨，它们不适合作为氯同位素测定的发射剂。2