Название: Электровакуумные приборы (Алексеев C. Н.)

Жанр: Военный

Просмотров: 3945


1.4 электронная эмиссия

 

В  металлах электроны  легко отделяются  от  атомов,  которые  при  этом оказываются заряженными положительно. Электроны, слабо связанные с ядром атома, называются полусвободными [5, 7]. Отделившись от атомов, они беспорядочно перемещаются между ними с различными скоростями и в

 

 

различных направлениях. Если между двумя точками внутри металла создать разность потенциалов, то движение электронов окажется направленным, и при замкнутой цепи в металле возникнет электрический ток проводимости.

В обычных условиях движущиеся внутри металла полусвободные элек-

троны не могут выйти за его пределы, так как они притягиваются положи- тельно заряженными атомами металла. Энергия, движущихся электронов, оказывается недостаточной, чтобы преодолеть силу этого притяжения. Элек- троны смогут вылетать за пределы металла лишь в том случае, если они по- лучат извне добавочное количество энергии. Следовательно, эмиссия (из- лучение) электронов с поверхности металла возможна лишь за счёт затраты энергии внешним источником. Сообщать электронам добавочную энергию можно различными способами.

Термоэлектронная эмиссия

Интенсивность хаотического движения полусвободных электронов в ме-

талле зависит от его температуры [4, 8].

При повышении температуры скорость движения электронов увели- чивается, растёт их кинетическая энергия. При определенной температуре некоторые электроны преодолевают силы притяжения со стороны положи- тельно заряженных атомов и «вылетают» за пределы металла.

При  «вылете»  электрон  должен

совершить некоторую работу против сил притяжения со стороны ядра атома. При нагревании металла элек- трон получает дополнительную энергию и за счёт этой энергии со- вершает работу выхода («вылета»). Излучение электронов с поверхности нагретого металла называют термо- электронной  эмиссией. Ток, создан- ный излучаемыми электронами, на- зывается током эмиссии. Повыше- ние температуры увеличивает эмис-

 

Рис. 1.6 Зависимость тока эмис- сии от температуры для воль- фрама

сию  электронов  с  поверхности  металла. На рис. 1.6 показана зависи- мость тока эмиссии от температуры для  вольфрама.  Поверхность  нагре-

того металла непрерывно излучает электроны. В результате этого вблизи по- верхности металла образуется скопление  электронов – электронное облачко. Электроны, излучаемые металлом, испытывают притяжение со стороны ядер

атомов и поэтому быстро теряют свою скорость. Электроны, потерявшие скорость, движутся в электронном облачке по случайным направлениям, а часть из них возвращается обратно на поверхность металла. Вследствие не- прерывного излучения электронов плотность электронного облачка увеличи

вается, а поэтому затрудняется вылет новых электронов с поверхности ме- талла. Плотность электронного облачка возрастает до тех пор, пока не насту- пит подвижное, динамическое равновесие. При динамическом равновесии количество электронов, поступающих в электронное облачко за единицу времени, равно количеству электронов, возвращающихся обратно на поверх- ность металла. Плотность электронного облачка, т. е. число электронов в единице объёма, с повышением температуры металла увеличивается, так как при этом увеличиваются скорости вылетающих из металла электронов. Элек- тронное облачко вблизи поверхности нагретого металла иногда называется объёмным зарядом.

Работа выхода у различных металлов неодинакова. Количество дополнительной энергии, которое нужно сообщить электрону, чтобы он мог совер- шить работу выхода, зависит от свойств данного металла. Поэтому темпера- тура, при которой начинается термоэлектронная эмиссия, у разных металлов не одинакова. Эмиссионная способность металла зависит от примесей, нахо- дящихся в нём, и от состояния поверхности металла. Например, вольфрам с небольшой примесью тория обладает значительно большей эмиссионной способностью, чем чистый. Это объясняется тем, что при нагревании вольф- рама происходит диффузия тория изнутри металла к его поверхности. На по- верхности вольфрама образуется одноатомный слой тория. Работа выхода электронов у тория меньше, чем работа выхода электронов у вольфрама. В месте соприкосновения электроны переходят из металла с малой работой вы- хода (из тория) в металл с большей работой выхода (в вольфрам). В  резуль- тате торий заряжается положительно, а поверхность вольфрама – отрица- тельно (рис. 1.7). Образуется двойной электрический слой. Поле этого слоя направлено от поверхности металла внутрь и для электронов, движущихся изнутри наружу, является ускоряющим. За счёт этого облегчается вылет электронов из вольфрама. Слой тория в данном случае называют активным слоем. Кроме тория, можно использовать и другие щелочные и щелочно- земельные металлы. За счёт активирования металла можно во много раз уве- личить эмиссию электронов с его поверхности при той же температуре нака- ливания. Для получения одинаковой эмиссии температура накаливания акти- вированного металла должна быть ниже, чем неактивированного.

 

 

Рис. 1.7 Диффузия тория при нагревании вольфрама

 

 

Холодная (автоэлектронная) эмиссия

Излучение  электронов  с  поверхности  холодного  металла  возможно  за

счёт действия внешнего электрического поля. Если между двумя металличе- скими электродами приложена разность потенциалов, то между ними возни- кает электрическое поле, направленное от положительного электрода к отрицательному. Свободные электроны, находящиеся в металле отрицательного  электрода,  окажутся  под  действием  этого  поля  и  при

определенной его напряжённости будут вылетать с поверхности этого электрода. Этот вид эмиссии называется холодной эмиссией [4, 9].

Холодная эмиссия используется в некоторых газоразрядных приборах с холодным катодом. В электровакуумных приборах с накаленным катодом за счёт действия электрического поля эмиссия с поверхности катода увеличива- ется.

Выход электронов при нормальной (комнатной) температуре происходит с помощью электрических полей напряжённостью не менее 105 В/см.

Электростатическая эмиссия значительно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняется концентрацией поля у микроскопических вы- ступов этой поверхности. При наличии активирующих, особенно оксидных покрытий, электростатическая эмиссия также усиливается.

Помимо  уменьшения  работы  выхода,  свойственного  оксидному  слою,

здесь воздействуют внешнее поле на полупроводниковый оксидный слой и шероховатость поверхности оксида.

Вторичная эмиссия

Получить эмиссию с поверхности холодного металла можно за счёт бом-

бардировки его другими электронами или ионами [1, 4, 9].

Если электрон или ион (например, ион газа), двигаясь с большой скоро- стью, ударяется о поверхность металла, то часть его кинетической энергии превращается в тепло, а часть передаётся электронам металла. Электроны, получившие дополнительную энергию, вылетают с поверхности металла.

Электроны (или ионы), бомбардирующие металл, называют первичными,

а электроны, вылетающие из металла, – вторичными.

При достаточно больших скоростях каждый первичный электрон (или ион) может выбить несколько вторичных. Поэтому число электронов, выле- тающих из металла, получается больше, чем число электронов, падающих на его поверхность. Это явление называется вторичной эмиссией.

Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов

10-15 эВ и выше. Если энергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов.

Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии φ, который равен отношению числа вторичных электронов n2  к числу пер- вичных электронов n1

 

Этот коэффициент зависит от вещества тела, структуры его поверхности, энергии первичных     электронов, угла падения и некоторых других факто- ров. Для чистых металлов максимальное значение φ бывает в пределах

0,5-1,8. При наличии активирующих покрытий φ достигает 10 и более. Для интенсивной вторичной эмиссии применяют сплавы магния с серебром, алюминия с медью, бериллия с медью и др. У них коэффициент φ может быть в пределах 2-12 и больше. Вторичные электроны вылетают в различных направлениях и с различными энергиями.

Если они не отводятся ускоряющим полем, то образуют  около поверхно-

сти тела объёмный заряд (электронное облачко). Энергии большинства вто-

ричных электронов значительно выше, нежели энергии термоэлектронов.

Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц имеет сходство с вто- ричной эмиссией. В большинстве случаев  испускание электронов происхо- дит от бомбардировки тела ионами. Фотоэлектронная  эмиссия – эмиссия под действием излучений.