Что такое эмиссия в физике
Перейти к содержимому

Что такое эмиссия в физике

  • автор:

Электронная эмиссия

Электронная эмиссия — Электронная эмиссия  явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Типы эмиссии Термоэлектронная эмиссия Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ… … Википедия

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов поверхностью конденсированной среды. Э. э. возникает в случаях, когда часть электронов тела приобретает в результате внеш. воздействия энергию, достаточную для преодоления потенц. барьера на его границе, или если внеш.… … Физическая энциклопедия

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание эл нов поверхностью конденсированной среды. Э. э. возникает в случаях, когда часть эл нов тела приобретает в результате внеш. воздействий энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на его границе, или если внеш.… … Физическая энциклопедия

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — ЭЛЕКТРОННАЯ эмиссия, испускание электронов твердым телом или жидкостью под действием электрического поля (автоэлектронная эмиссия), нагрева (термоэлектронная эмиссия), электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия), потока электронов… … Современная энциклопедия

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов твердым телом или жидкостью под действием электрического поля (автоэлектронная эмиссия), нагрева (термоэлектронная эмиссия), электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия), потока электронов (вторичная электронная… … Большой Энциклопедический словарь

Электронная эмиссия — ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание электронов твердым телом или жидкостью под действием электрического поля (автоэлектронная эмиссия), нагрева (термоэлектронная эмиссия), электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия), потока электронов… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

электронная эмиссия — Испускание электронов с поверхности материала в окружающее пространство. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

электронная эмиссия — [electron emission] испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Электронная эмиссия возникает в случаях, когда под влиянием внешних воздействий часть электронов тела приобретает энергию, достаточную для преодоления… … Энциклопедический словарь по металлургии

электронная эмиссия — испускание электронов твердым телом или жидкостью под действием электрического поля (автоэлектронная эмиссия), нагрева (термоэлектронная эмиссия), электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия), потока электронов (вторичная электронная… … Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ — испускание электронов в вом. В зависимости от способа возбуждения различают след. осн. типы Э. э.: термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия (см. Фотоэффект внешний), вторичная электронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия … Большой энциклопедический политехнический словарь

1.2. Виды электронной эмиссии

Для работы электронной лампы необходимо наличие электронов в междуэлектродном промежутке. Процесс выхода электронов из твердых или жидких тел называется электронной эмиссией. Причиной эмиссии могут быть нагрев тела, световое излучение, приложение электрического поля, бомбардировка тела заряженными частицами. В соответствии с характером воздействия на тело различают следующие виды электронной эмиссии:

–термоэлектронная эмиссия, обусловленная нагревом тела, испускающего электроны;

–вторичная электронная эмиссия (сокращенно вторичная эмиссия), обусловленная исключительно поглощением энергии падающих на эмигрирующую поверхность электронов;

–электростатическая (автоэлектронная) эмиссия, обусловленная наличием у поверхности тела сильного электрического поля;

–фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием светового излучения, поглощенного телом.

В электронной лампе электроны, необходимые для ее работы, возникают в результате термоэлектронной эмиссии. Работе лампы также сопутствует вторичная эмиссия. Остальные виды эмиссии либо отсутствуют вовсе, либо проявляются несущественно.

Термоэлектронная эмиссия

Для получения нужного количества электронов катоду сообщают тепловую энергию путем нагрева его до определенной температуры. Эта энергия затрачивается на преодоление сил, препятствующих выходу электрона из катода, и называется работой выхода.

Согласно выводам, полученным Ферми и Дираком, распределение электронов по энергетическим уровням внутри металла выражается дифференциальной кривой распределения энергии. Кривая, построенная на основании формулы

(1.1)

приведена на рис. 1.2. Здесь – число электронов в 1 см 3 металла, имеющих при абсолютной температуре энергию в интервале ; – постоянный коэффициент; – постоянная Больцмана; – уровень Ферми – максимальное значение энергии электронов в металле при температуре абсолютного нуля .

На рис. 1.2 сплошной кривой показано распределение электронов по энергетическим уровням при температуре абсолютного нуля. При этой температуре внутри металла имеются электроны с энергиями от нуля до максимальной . Значение называют внутренней работой выхода. Пусть полная работа выхода электрона равна . Тогда при разогреве металла до температуры распределение электронов по энергетическим уровням изменится и в соответствии с выражением (1.1) будет графически выражаться пунктирной линией. При этом количество электронов с энергиями, равными и меньшими , уменьшится, но появится значительное количество электронов с энергиями, большими и . Последние и образуют эмиссионный ток.

Разность энергий называется внешней работой выхода или просто работой выхода. Это значение энергии определяет необходимую температуру нагрева катода. Электроны, покидая катод, оставляют его заряженным положительно (рис. 1.3) с величиной заряда . Положительный заряд ионизированного атома в соответствии с принципом зеркального отображения располагают по нормали к линии раздела катод – вакуум на таком же расстоянии, как и электрон. Электрон и положительный заряд движутся в разные стороны. Взаимодействие между ними определяется законом Кулона. Кулонова сила будет постоянной и наибольшей на междуатомном расстоянии, а затем будет ослабляться обратно пропорционально квадрату расстояния. Можно считать, что энергия выхода расходуется на преодоление потенциального барьера , а работа – на преодоление потенциального барьера . Потенциальный барьер объясняется наличием у катода облака электронов, образующих поверхностный пространственный заряд.

Количественная оценка эмиссионного тока для металлических катодов дана Дэшманом, который рассматривал термоэлектронную эмиссию как процесс испарения электронов с поверхности металла и использовал в своих выводах классические законы термодинамики. Проверка его вывода на основании статистики Ферми дает близкие, подтверждающие результаты.

Формула Дэшмана для плотности эмиссионного тока имеет следующий вид:

, (1.2)

где — плотность эмиссионного тока; — постоянная, зависящая от типа металла и его химической чистоты; — работа выхода, — постоянная Больцмана.

На рис. 1.4 изображена теоретическая эмиссионная характеристика, построенная для вольфрамового катода (; ). Она показывает изменение плотности тока эмиссии в зависимости от температуры катода. При температурах, меньших 2000К, ток эмиссии пренебрежимо мал, а после 2000К он резко возрастает. При T = 2500К можно получить удельную эмиссию порядка 0,5 А с одного квадратного сантиметра поверхности.

Теоретическая эмиссионная характеристика дает представление о максимальном отборе тока с поверхности катода без учета влияния электрического поля в междуэлектродном пространстве.

Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию ранее в расчет не принималось. Однако такое поле увеличивает электронную эмиссию. Увеличение термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля, приложенного к катоду, называется эффектом Шоттки. Сущность этого эффекта поясняется рис. 1.5, на котором кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой , где – потенциал, соответствующий полной работе выхода , а линия 2 – внешнее ускоряющее поле, приложенное к катоду. Если алгебраически сложить ординаты кривой 1 и линии 2, то получим результирующую кривую 3.

Из нее видно, что следовательно, и . Таким образом, приложение внешнего ускоряющего поля уменьшает работу выхода и, значит, при неизменной температуре ток термоэлектронной эмиссии возрастает.

Вторичная электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия может осуществляться как с нагретых, так и с холодных катодов. Катод, эмигрирующий ток вторичной электронной эмиссии, принято называть вторично-электронным катодом или эмиттером. Поверхность такого катода, подвергнутого бомбардировке заряженными частицами, обладающими значительной кинетической энергией, эмитирует электроны, которые называются вторичными; бомбардирующие электроны называются первичными. На рис. 1.6 показана возможная схема образования электронных потоков. Допустим, что первичные электроны в количестве получены с катода с помощью термоэлектронной эмиссии. Под действием разности потенциалов эти электроны направляются к вторично-электронному катоду и в ускоряющем электрическом поле получают энергию . Падая на вторично-электронный катод, они выбивают из него вторичных электронов. Ускоряющее поле отводит их на анод. Первичные электроны образуют ток , а вторичные — ток . Важнейшим параметром вторично-электронной эмиссии является коэффициент вторичной эмиссии

, (1.3)

который показывает, сколько вторичных электронов выбивается из поверхности катода одним первичным электроном. Коэффициент вторичной эмиссии равен отношению вторичного тока к первичному; он может принимать значения от близких к нулю до 10 и более раз в зависимости от материала эмиттера и ряда других причин, влияющих на эмиссию .

Вторичные электроны возникают благодаря обмену энергией между первичными электронами и электронами кристаллической решетки катода. Первичный электрон может терять свою энергию внутри эмиттера и поглощаться атомами решетки. Вторичные электроны также могут поглощаться атомами решетки до того, как они достигнут поверхности. Часть первичных электронов не входит в катод, а испытывает упругое отражение от его поверхности. Доля таких электронов по экспериментальным данным составляет 10 – 40%. Вторичные электроны, вылетевшие из катода, имеют малые значения энергии, т. е. являются медленными. Однако в общем потоке вторичного тока наблюдаются и быстрые электроны. Это – отраженные первичные электроны.

Коэффициент вторичной эмиссии зависит от материала эмиттера. Экспериментальные исследования показывают, что максимальный коэффициент вторичной эмиссии технически чистых металлов . Наибольшее значение />имеют благородные металлы: золото, серебро, платина. Прямой причиной связи коэффициента вторичной эмиссии с величиной работы выхода не установлено. Работа выхода сама по себе играет незначительную роль во вторичной эмиссии; гораздо более важными являются другие свойства, такие, например, как плотность металла, способность его к окислению. Перечисленные благородные металлы имеют значительную работу выхода, однако значения у них высоки из-за отсутствия окислов на их поверхности. Кислород окислов является элементом, способным давать электроотрицательные ионы за счет поглощения вторичных электронов. Полупроводниковые вторично-электронные катоды имеют . Коэффициент вторичной эмиссии диэлектриков близок к единице.

Причину того, что металлы имеют значения , близкие к единице, тогда как полупроводников возрастает и, наконец, диэлектриков падает, можно искать в концентрации электронов в зоне проводимости. У металлов концентрация электронов велика, у полупроводников при комнатной температуре – значительно ниже, а у диэлектриков – ничтожна. В металлах из-за большой концентрации электронов большая часть энергии, полученной от первичных электронов при многочисленных столкновениях вторичных электронов с электронами проводимости, теряется. В полупроводниках вероятность столкновения вторичных электронов с электронами проводимости меньше, и поэтому «выход» вторичных электронов облегчен. В диэлектриках условия для выхода еще более «свободные». Однако в последнем случае из-за ничтожной концентрации электронов проводимости передача энергии первичных электронов к вторичным – редкое событие. Отсюда малое количество вторичных электронов и, следовательно, небольшой коэффициент вторичной эмиссии.

Коэффициент вторичной эмиссии зависит от скорости первичных электронов. На рис. 1.7 представлен график зависимости от для никеля. Как видно из графика, кривая имеет максимум при . У металлических катодов максимум выражен слабо, а у полупроводниковых – резко. Происхождение максимума объясняется тем, что до значения с увеличением скорости первичных электронов возрастает их энергия и глубина диффузии в катод. Вместе с этим увеличивается и число вторичных электронов, вылетающих с данной глубины. При значениях энергии, соответствующих , глубина проникновения в катод первичных электронов превосходит некоторую предельную, характерную для данного вещества, и коэффициент вторичной эмиссии уменьшается. С глубины, большей предельной, выход вторичных электронов затруднен вследствие большего размена энергии при большом количестве столкновений с электронами проводимости. Коэффициент вторичной эмиссии зависит также от угла падения первичных электронов на поверхность катода. Максимум получается при угле = 70°, отсчитываемом от нормали к поверхности катода.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что процесс передачи энергии не зависит (или почти не зависит) от температуры вторично-электронного катода.

Вторичная электронная эмиссия широко применяется в фотоэлектронных умножителях, специальных лампах, приемных и передающих телевизионных трубках, осциллографических и индикаторных электронно-лучевых трубках, а также в запоминающих трубках и других приборах . Однако при работе электронных ламп в определенных условиях вторичная эмиссия является нежелательной.

Т. Электронная эмиссия

В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а между ними свободно движутся электроны. Они как бы плавают по всему объему проводника, так как силы притяжения к положительным ионам решетки, действующие на свободные электроны, находящиеся внутри металла, в среднем взаимно уравновешиваются. Действие сил притяжения со стороны положительных ионов на электроны мешает последним выйти за пределы поверхности металла. Лишь наиболее быстрые электроны могут преодолеть это притяжение и вылететь из металла. Однако совсем покинуть металл электрон не может, так как притягивается положительным поверхностным ионом и тем зарядом, который возник в металле в связи с потерей электрона. Равнодействующая этих сил притяжения не равна нулю, а направлена внутрь металла перпендикулярно его поверхности (рис. 1).

Через некоторое время электрон под действием этих сил может возвратиться в металл. Среди электронов, находящихся вблизи поверхности металла, найдется большое число таких, которые временно будут покидать металл, а затем возвращаться обратно. Этот процесс напоминает испарение жидкости. В конце концов устанавливается динамическое равновесие между покидающими и возвращающимися электронами. Таким образом, на границе металла с вакуумом возникает двойной слой электрических зарядов, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Электрическое поле этого слоя можно считать однородным (рис. 2). Разность потенциалов Δφкон в этом слое называется контактной разностью потенциалов между металлом и вакуумом.

Этот двойной электрический слой не создает поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу электронов из металла.

Как показывают расчеты и специально поставленные опыты, толщина этого слоя мала и равна примерно 10 -10 м.

Таким образом, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу Aв против сил притяжения со стороны положительного заряда металла и против сил отталкивания от отрицательно заряженного электронного облака. Она приблизительно равна Aв = eΔφкон, где e — заряд электрона. Для этого электрон должен обладать достаточной кинетической энергией.

Минимальную работу Aв, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла и не вернуться в него, называют работой выхода.

Работа выхода зависит только от рода металла и его чистоты. Работу выхода принято измерять в электронвольтах (эВ).

Для чистых металлов Aв составляет несколько электронвольт. Так, например, для цезия ее значение равно 1,81 эВ, для платины 6,27 эВ.

Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов. При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо, так как средняя кинетическая энергия хаотического теплового движения большинства свободных электронов в металлах гораздо меньше работы выхода. Для повышения интенсивности эмиссии следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших значения работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (E

10 6 В/см), способного вырвать электроны из металла, — холодная эмиссия. Такая эмиссия используется в электронных микропроекторах. Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости, — вторичная электронная эмиссия. В-третьих, интенсивным освещением поверхности металла — фотоэмиссия На явлении фотоэмиссии основан внешний фотоэффект и устройство вакуумного фотоэлемента. В-четвертых, нагревание металла — термоэлектронная эмиссия. Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоэлектронами, а само это тело — эмиттером.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 293-294.

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

ЭДИСОН, ТОМАС АЛВА

Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое – подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами – ион-электронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана внутренними полями – эмиссия горячих электронов. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например – термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).

Второе условие – создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела испускаемых электронов, для этого, в частности, нужно к эмиттеру подвести электроны, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки – зависимость эмиссии от внешнего поля. В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней есть «пятна» с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие пятен. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).

Термоэлектронная эмиссия. В середине 19 в. было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух становится проводником электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. В результате проведенных опытов Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему приписывается открытие и самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, (т.е. энергией электронов) и работой выхода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода (т.е. сроком службы).

Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов), при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для каждого вещества существует порог – минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, ниже которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Фотоэмиссия чувствительна к работе выхода поверхности. Увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), снижающих работу выхода для большинства металлов до 1,4–1,7 эв. Фотоэмиссия была открыта Густавом Герцем (1887), обнаружившим, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает пробой. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, lоказали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).

Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения.

Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности, ее открыл Р.Вуд (1897) при исследовании вакуумного разряда. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения (как при термоэлектронной эмиссии), а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем.

Автоэмиссия существенно зависит от поля и работы выхода и слабо зависит от температуры. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т.к. уходящие электроны уносят энергию, в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через «температуру инверсии», соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10 7 А/см 2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10 9 А/см 2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом «режиме взрывной эмиссии».

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Чаще всего применяемый материал – вольфрам – хорошо сорбирует газы. Это вызвало многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, однако, большое сопротивление. Предлагалось покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом, для стабильной работы современных автокатодов требуется вакуум, на один-три порядка более высокий, чем тот, который нужен для термокатодов.

Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия – напряженность электрического поля на эмиттере, которая, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, «острые» формы – выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы – пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т.п. То, что в качестве эмиттеров используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода, может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.

Вторичная электронная эмиссия (открытая Л.Остин и Г.Штарке, 1902) – испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны). В тонких пленках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется «коэффициентом вторичной эмиссии» (КВЭ) – отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, вероятность того, что образовавшиеся вторичные электроны могут выйти наружу, мала. В диэлектриках с малой концентрацией электронов вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.

В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щелочноземельных металлов, щелочногалоидные соединения) КВЭ > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже) КВЭ >> 1, у металлов и полупроводников обычно КВЭ < 2. С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается. Аналогично объясняется зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения, поэтому для них зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов становится сложной.

Создание в диэлектрике сильного электрического поля (10 5 –10 6 в/см) приводит к увеличению КВЭ до 50–100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации КВЭ начинает зависеть от пористости слоя – наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электроны, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с КВЭ > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.

Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии КВЭ в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый энергией, при которой КВЭ = 1, максимальной величиной КВЭ и энергией первичных электронов, когда КВЭ достигает максимума.

Ион-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальный – вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетический – выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.

При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает – для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.

Кинетической ионно-электронной эмиссии практически нет при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.

Эмиссия горячих электронов – это эмиссия за счет «нагрева» электронов, т.е. передачи электронам энергии или воздействии электрическим полем. Если термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией преодолевающих его электронов и для ее получения твердое тело нагревают (простейший способ нагреть электроны), то можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву тела. Поскольку электроны – заряженные частицы, то наиболее простой способ их «нагрева» – воздействие на них электрическим полем. Создание катода с эмиссией горячих электронов – это, прежде всего, создание в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо «испортить», уменьшив их проводимость, т.к. иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток и катод выйдет из строя.

Один из способов «испортить» металл – это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 10 ммк, электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются «островковые», т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Для облегчения выхода электронов катод часто покрывают тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO2, BaO. Лучшие полученные параметры таковы – токоотбор 1 А/см 2 в течение длительного времени и 10 А/см 2 – кратковременно. При этом эффективность (отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку) может приближаться к 100%.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *