Типы эмиссии электронов

где Je – плотность тока эмиссии, А/см²; А – эмиссионная постоянная, которая зависит от свойств излучающей поверхности и равна для большинства чистых металлов – 40…70 А/(см²-К²’) Т – абсолютная температура катода; е – основание натуральных логарифмов (e = 2,718); eφo – работа по выходу электронов из металла, J κ = 1,38-10‾²³ Дж/К – постоянная Больцмана.

Виды эмиссии электронов

Специальный металлический или полупроводниковый электрод, так называемый катод, используется для генерации потока свободных электронов в электронных устройствах. Это называется катодом..

Для того чтобы электроны покинули катод, к нм должна быть подведена внешняя энергия, достаточная для преодоления противодействующих сил. В зависимости от того, как дополнительная энергия передается электронам, можно выделить следующие типы эмиссии электронов

• термоядерныйТермоионная эмиссия, когда электронам передается дополнительная энергия за счет нагрева катода;
• фотоэлектронныйв котором электромагнитное излучение подается на поверхность катода;
• вторичный электронВторичная электронная бомбардировка, возникающая в результате бомбардировки катода потоком электронов или ионов, движущихся с большой скоростью
• электросамокатВторой – электростатический, когда сильное электрическое поле на поверхности катода создает силы, заставляющие электроны вылетать из катода.

Рассмотрим каждый из перечисленных типов эмиссии электронов более подробно.

Термоядерная электронная эмиссия. Явление термоионной эмиссии было известно уже в конце 18 века. Ряд качественных закономерностей этого явления был установлен В.В. Петровым (1812), Т.Л. Эдисоном (1889) и др. К 1930-м годам были определены основные аналитические соотношения термоэлектронной эмиссии.

При нагревании металла изменяется распределение энергии электронов в полосе проводимости (рис. 1, кривая 2). Появляются электроны с энергией выше уровня Ферми. Эти электроны могут выходить из металла, вызывая эмиссию электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, пластической работы и свойств поверхности (уравнение Ричардсона-Дэшмана):

где Je – плотность тока эмиссии, А/см²; А – постоянная излучения, зависящая от свойств излучающей поверхности, которая для большинства чистых металлов составляет 40…70 А/(см²-К²’); Т – абсолютная температура катода; е – основание натуральных логарифмов (e = 2,718); eφo – работа по выходу электронов из металла, J κ = 1,38-10‾²³ Дж/К – постоянная Больцмана.

Приведенное выше уравнение термоэлектронной эмиссии справедливо для металлов. Для полупроводников с примесями существует несколько иная зависимость, но качественно зависимость величины тока эмиссии от температуры и работы КПД остается той же. Это уравнение показывает, что величина тока эмиссии наиболее сильно зависит от температуры катода. Однако при повышении температуры скорость испарения материала катода быстро увеличивается, а срок службы катода уменьшается. Поэтому катод должен работать в четко определенном диапазоне рабочих температур. Нижний предел температуры определяется способностью производить требуемое излучение, а верхний – испарением или плавлением излучающего материала.

Внешнее ускоряющее электрическое поле, действующее на поверхность катода, оказывает существенное влияние на величину тока эмиссии. Это явление называется эффектом Шоттки. В присутствии внешнего электрического поля на электроны, покидающие катод, действуют две силы: сила электрического притяжения, возвращающая электрон, и сила внешнего поля, ускоряющая электроны от поверхности катода. Таким образом, внешнее ускоряющее поле понижает потенциальный барьер, работа электронов, покидающих катод, уменьшается, а эмиссия электронов увеличивается.

Фотоэлектронная эмиссия. Явление фотоэлектронной эмиссии (или внешнего фотоэффекта) впервые наблюдал Г. Герц в 1887 г. Экспериментальные исследования, позволившие установить количественные соотношения для фотоэлектронной эмиссии, были проведены А. Г. Столетовым в 1888 г. Основные закономерности фотоэлектронного эффекта были объяснены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. Согласно этой теории, лучистая энергия может передаваться и поглощаться не непрерывным потоком, а только определенными порциями (квантами), причем каждый квант имеет количество энергии hvгде h – постоянная Планка и v – частота излучения. Таким образом, электромагнитное излучение (видимый и невидимый свет, рентгеновские лучи и т.д.) представляет собой поток отдельных квантов энергии, называемых фотонами. Падая на поверхность фотокатода, энергия фотонов используется для передачи дополнительной энергии электронам. За счет этой энергии электрон с массой мневыполняет работу по выходу Во и приобретает начальную скорость Vo, которая математически выражается уравнением Эйнштейна:

Электрон может покинуть катод, если работа выхода меньше энергии кванта, поскольку только при этих условиях начальная скорость Voи, следовательно, кинетическая энергия электрона:

Отметим основные особенности явления фотоэффекта:

• При облучении поверхности фотокатода потоком излучения постоянного спектрального состава ток фотоэлектронной эмиссии пропорционален интенсивности потока (закон Столетова):

где Если – фототок; Ф – значение потока излучения; К – коэффициент пропорциональности, характеризующий радиационную чувствительность поверхности фотокатода.

• Скорость электронов, испускаемых фотокатодом, тем больше, чем выше частота v начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты v.
• Фотоэлектрический эффект наблюдается только при облучении пучком с частотой V ≥ Vcrгде Vcr – критическая частота, называемая “пределом красного смещения” фотоэлектрического эффекта. Критическая длина волны:

где c – скорость распространения электромагнитных волн. Когда λ > λcне происходит фотоэлектронной эмиссии.

• Фотоэлектрический эффект является практически инерционным, т.е. отсутствует задержка между началом освещения и появлением фотоэлектронов (время задержки не превышает 3-10∧-9 с).

Подобно термоионной эмиссии, увеличение напряженности внешнего электрического поля на фотокатоде также увеличивает фотоэлектронную эмиссию за счет уменьшения потенциального барьера катода. Это приводит к смещению фотоэлектрического порога в сторону более длинных волн.

Чем ниже работа выхода металла, из которого изготовлен фотокатод, тем ниже значение пороговой частоты для данного фотокатода. Например, чтобы фотокатод был чувствителен к видимому свету, материал, из которого он изготовлен, должен иметь выходную эффективность менее 3,1 эВ. Такая работа выхода характерна для щелочных металлов и щелочноземельных металлов (цезий, калий, натрий). Для повышения чувствительности фотокатода к другим диапазонам потоков излучения используются более сложные типы полупроводниковых фотокатодов (щелочно-водородные, кислородные, сурьмяные и т.д.).

Эмиссия вторичных электронов. Механизм вторичной электронной эмиссии отличается от механизма термоионной и фотоэлектронной эмиссии. Если при термоионной и фотоэлектрической эмиссии электроны в основном находятся на уровнях полосы проводимости, то при бомбардировке поверхности катода первичными электронами или ионами их энергия также может поглощаться электронами заполненных зон. Поэтому вторичная эмиссия возможна как из проводников, так и из полупроводников и диэлектриков.

Наиболее важным параметром, характеризующим вторичную эмиссию электронов, является коэффициент вторичной эмиссии σ. Это отношение числа вторичных электронов, испускаемых с поверхности катода n2количество первичных электронов, падающих на катод n1, или отношение тока эмиссии вторичных электронов I2 к первичному электронному току I1:

Вторичная электронная эмиссия используется в некоторых электронных устройствах – фотоумножителях, телевизионных вещательных трубках, некоторых типах электронных ламп. Однако во многих случаях, особенно в большинстве электронных ламп, он нежелателен, и предпринимаются усилия по его уменьшению.

Электростатическая эмиссия. Если внешнее электрическое поле на поверхности катода имеет достаточную интенсивность, чтобы полностью компенсировать тормозящий эффект потенциального барьера, то значительная эмиссия электронов может быть достигнута даже при низких температурах катода. Рассчитано, что для уравнивания потенциалов барьерное напряжение на поверхности катода должно составлять около 10∧8 В/см. Однако уже при напряженности поля 10∧6 В/см наблюдается значительная эмиссия электронов с холодных поверхностей.

Получение напряженности поля, достаточной для возникновения электростатической эмиссии, технически сложно. Поэтому электростатическая эмиссия в основном используется в ионных приборах с жидким ртутным катодом. В этом случае достаточная напряженность поля может быть получена путем создания слоя ионизированных паров ртути вблизи поверхности катода.

Источник – Б.С. Гершунский, Основы электроники (1977)

Термоэлектронная эмиссия

Какой электрод используется для испускания электронов

Уже отмечалось, что при пересечении границы раздела между проводником и вакуумом напряженность электрического поля и индукция изменяются скачком. С этим связаны определенные явления. Электрон свободен только на границе металла. Когда электрон пытается пересечь границу вакуума, между электроном и избыточным положительным зарядом, созданным на поверхности, возникает кулоновская притягательная сила (рис. 6.1).

Вблизи поверхности образуется электронное облако, а на границе раздела образуется двойной электрический слой с разностью потенциалов (). Скачки потенциала на границе раздела металлов показаны на рисунке 6.2.

В объеме, занимаемом металлом, образуется колодец потенциальной энергии, поскольку в металле электроны свободны и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W₀. Это энергия притяжения. Чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу

Эта работа называется работа электрона, покидающего металл. Чтобы совершить эту работу, электрону должна быть предоставлена достаточная энергия

Термоэлектронная эмиссия

Значение работы убегания зависит от химической природы материала, его термодинамического состояния и состояния границы раздела. Если электроны получают энергию, достаточную для совершения работы убегания, при нагревании, то Процесс, когда электроны покидают металл, называется термоионная электронная эмиссия.

В классической термодинамике металл представляется в виде ионной решетки, содержащей электронный газ. Считается, что сообщество свободных электронов подчиняется законам идеального газа. Поэтому, согласно разложению Максвелла, при температурах, отличных от 0 К, в металле имеется некоторое количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Именно эти электроны покидают металл. При повышении температуры количество этих электронов также увеличивается.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется тепловой эмиссией электроновтермоионная эмиссия. Нагрев необходим для того, чтобы энергия теплового движения электрона была достаточной для преодоления кулоновских сил притяжения между отрицательно заряженным электроном и положительным зарядом, который он индуцирует на поверхности металла по мере удаления от поверхности (рис. 6.1). Кроме того, при достаточно высоких температурах над поверхностью металла образуется отрицательно заряженное электронное облако, которое препятствует выходу электронов с поверхности металла в вакуум. Эти две, а возможно и другие причины, определяют величину работы выхода электронов из металла.

Явление тепловой эмиссии электронов было открыто в 1883 году Эдисоном, известным американским изобретателем. Он наблюдал это явление в вакуумной трубке с двумя электродами – анодом с положительным потенциалом и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может быть нить из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена, тантала и т.д.), нагретая электрическим током (рис. 6.3). Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, в цепи катод-анод практически не течет ток. Когда температура катода повышается, в цепи катод-анод возникает электрический ток, и чем выше температура катода, тем больше ток. При постоянной температуре катода ток в цепи катод-анод увеличивается по мере увеличения разности потенциалов U между катодом и анодом и достигает определенного установившегося значения, известного как ток насыщения I_н. В этот момент все термоионные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Анодный ток не пропорционален Uи поэтому Закон Ома не выполняется для вакуумного диода.

На рисунке 6.3 показана схема вакуумного диода и кривая вольт-амперной характеристики (VAC). I_a(U_a). Здесь U_з – это напряжение удержания, при котором I = 0.

Холодный и взрывоопасный выброс

Эмиссия электронов в результате действия сил электрического поля на свободные электроны в металле называется холодная эмиссия или автоэмиссия. Для этого напряженность поля должна быть достаточной, а условие

здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела. На практике холодное излучение наблюдается при интенсивностях порядка величины. Это несоответствие связано с тем, что классические представления не подходят для описания процессов на микроуровне.

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо накачанной вакуумной трубке с острым пятном в качестве катода и простым электродом с плоской или слегка изогнутой поверхностью в качестве анода. Напряженность электрического поля на поверхности наконечника с радиусом кривизны r и потенциал U относительно анода составляет

При i , что приведет к слабому току из-за эмиссии автоэлектронов с поверхности катода. Ток эмиссии резко возрастает с увеличением разности потенциалов U. Катод специально не нагревается, поэтому эмиссия называется холодной.

С помощью автоэлектронной эмиссии в принципе можно получить плотность тока, но для этого необходимо иметь эмиттеры в виде набора большого числа точек, одинаковых по форме (рис. 6.4), что практически невозможно, а кроме того, увеличение тока до 10 8 А/см 2 вызывает взрывное разрушение точек и всего эмиттера.

Плотность тока AEE при объемном заряде равна (закон Чайлда-Ленгмюра)

где – коэффициент, определяемый геометрией и материалом катода.

Проще говоря, закон Чайлда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех секунд).

Ток автоэлектронной эмиссии при концентрации энергии в микрообъеме катода до 10 4 Дж×м -1 и более (при общей энергии 10 -8 Дж) может инициировать качественно иной тип эмиссии за счет на катоде. (рис. 6.4).

В этом случае возникает электронный ток, который на порядки превышает начальный ток. взрывная эмиссия электронов (VEE). ВЭЭ был открыт и изучен в Томском политехническом институте в 1966 году группой ученых под руководством Г.А. Месяца.

VEE – это уникальный тип электронной эмиссии, позволяющий получать потоки электронов мощностью до 10 13 Вт при плотности тока до 10 9 А/см2.

Рисунок 6.4	Рисунок 6.5

Ток VEE имеет необычную структуру. Она состоит из отдельных порций 10 11 ¸ 10 12 электронов, имеющих характер электронных лавин, называемых эктоны (начальные буквы “эктоны“) (рис. 6.5). Время образования лавин составляет 10 -9¸ 10 -8 с.

Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микрочастицы катода и по существу является разновидностью термоионной эмиссии электронов. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Прекращение эмиссии электронов в эктоне вызвано охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшением плотности тока и испарением атомов.

Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых газах и газах высокого давления, в микропространствах, т.е. там, где на поверхности катода имеется электрическое поле высокой напряженности.

Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские приборы, мощные релятивистские генераторы сверхвысоких частот. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 10 13 Вт и выше с длительностью импульса 10 -10 ¸ 10 -6 с, током электронов 10 6 А и энергией электронов 10 4 ¸ 10 7 эВ. Эти пучки широко используются для исследований в области физики плазмы, радиационной физики и химии, для накачки газовых лазеров и т.д.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (Фотоэлектрический эффект) Он заключается в “выбивании” электронов из металла под воздействием электромагнитного излучения.

Устройство фотоэлектрического эффекта и CVC аналогичны тем, что показаны на рисунке 6.3. В этом случае вместо нагрева катода на него направляется поток фотонов или γ-квантов (рис. 6.6).

Законы фотоэффекта еще больше не согласуются с классической теорией, чем в случае холодной эмиссии. По этой причине мы будем рассматривать теорию фотоэлектрического эффекта при обсуждении квантовых представлений в оптике.

Фотоумножители используются в устройствах регистрации физических γ-лучей фотоэлектронные умножители (ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ). Схема устройства показана на рисунке 6.7.

В нем используются два эффекта эмиссии: Фотографический эффект и вторичная электронная эмиссиякоторый заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке его другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ПК). Ускорение между ПК и первый эмиттер (KC₁), они получают достаточно энергии, чтобы выбить больше электронов из следующего эмиттера. Поэтому размножение электронов происходит путем увеличения их числа по мере последовательного прохождения разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называется коллектором. Регистрируется ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, PEU служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, достигающему фотокатода, что используется для оценки радиоактивности.

Например, заряженные частицы появляются в атмосферном воздухе при облучении ультрафиолетовым светом. Это происходит потому, что электроны отнимаются от атомов газа, и вместо нейтральных атомов в воздухе появляются положительные ионы и электроны. Часть электронов вскоре будет захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме будут присутствовать и отрицательные ионы.

Эмиссия электронов, ионизация воздуха и электрическая искра

Электрон имеет наименьший отрицательный электрический заряд. Протон имеет положительный электрический заряд, который по абсолютной величине равен заряду электрона. Отрицательный заряд обозначается знаком минус, а положительный – знаком плюс.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через электрическое поле, в котором проявляются электрические силы, связанные с зарядами. Электрическое поле – это пространство вокруг электрического заряда (заряженного тела).

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Поэтому известно, что в металлах существуют электроны проводимости. Хотя они постоянно находятся в тепловом движении, они удерживаются внутри металла силами, направленными от поверхности металла – в него, и не позволяющими электронам произвольно покидать металл. Эти силы являются силами притяжения, действующими на электроны со стороны положительно заряженных ионов металлической решетки.

В результате на поверхности внутри металла возникает электрическое поле E, которое определяет разность потенциалов φ при переходе из пространства вне металла – внутрь его. Это означает, что потенциальная энергия электронадолжно уменьшиться на eφ, чтобы оно проникло извне в металл.

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Он показывает: W0 – энергия электрона, покоящегося вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Существует потенциальный колодец, глубина которого в точности равна eφ = W0 – Ec. Эта величина называется сродством к электрону и характеризует рассматриваемое вещество. Поэтому, если электрон внутри металла имеет энергию W1, которая меньше W0, этот электрон просто не имеет достаточно энергии, чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-то образом придать дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов может покинуть металл, и мы будем наблюдать явление эмиссии электроновт.е. эмиссия электронов с поверхности рассматриваемого металла.

Одним из частных случаев эмиссии электронов является Эмиссия электронов – испускание электронов через поверхность металла под действием достаточно сильного электрического поля.

Рассмотрим, например эвакуационная трубавнутри которого по обе стороны припаяны два электрода, один из которых (т.е. катод) имеет заостренную форму, а другой – относительно большую площадь поверхности.

Катод, как следует из названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод – к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E вблизи катода будут более плотными по сравнению с пространством вблизи анода.

Давайте проанализируем эту ситуацию подробнее. Предположим, что у нас есть анод в виде сферы радиуса b и катод в виде маленькой сферы радиуса a, где b>>a, и катод расположен точно в центре сферы. В этом случае напряженность электрического поля будет равна в точке с расстоянием r от центра сферы:

Если мы примем r = a, то найдем напряженность поля E на поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

Таким образом, уже при напряжении 1000 В между катодом и анодом и при радиусе катода 0,01 мм напряженность электрического поля на поверхности катода составит 100 МВ/м! В этих условиях в вакуумной трубке появляется слабый электрический ток (измеряемый в микроамперах), поскольку электроны начинают покидать катодный наконечник и становятся носителями тока. Чем выше напряжение между катодом и анодом, тем выше будет ток.

Катод может быть холодным, поэтому такой тип эмиссии называется холодная эмиссия или автоэлектронная эмиссия. При дальнейшем увеличении напряжения катод нагревается до тех пор, пока металл не испарится, и в трубке возникает газовый разряд.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия происходит просто потому, что сильное электрическое поле вблизи катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла – высота барьера уменьшается, и поэтому необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер также становится тоньше, что означает, что в целом вероятность того, что электрон проникнет через барьер и покинет поверхность металла, увеличивается.

При высокой напряженности электрического поля на катоде эмиссия собственных электронов может происходить, даже если его температура достаточно низка; в этих условиях для получения эмиссии нет необходимости нагревать катод или облучать его ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами. Напомним, что здесь мы рассматривали процесс излучения в вакууме.

Саморазряд в газе на примере воздуха

В нормальном состоянии газы не проводят электричество. Однако если газ подвергается определенным внешним воздействиям, он может стать проводником электричества.

Например, заряженные частицы появляются в атмосферном воздухе при облучении ультрафиолетовым светом. Это происходит потому, что электроны отнимаются от атомов газа, и вместо нейтральных атомов в воздухе появляются положительные ионы и электроны. Часть электронов вскоре будет захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся и отрицательные ионы.

Для газообразных ионов верно, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, и подвижности ионов b:

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую ионы газа достигают в электрическом поле 1 В/м. Кроме того, подвижность отрицательных и положительных ионов различна:

Вышеприведенное утверждение верно, когда число столкновений достаточно велико, а средняя длина свободного пробега ионов газа намного меньше расстояния между катодом и анодом. В обычных условиях это положение практически всегда выполняется, поскольку давление в газе уже достаточно, иначе процесс считался бы происходящим в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению газа в широком диапазоне давлений.

Следует отметить, что природа движения ионов в газах гораздо сложнее, чем движение электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе часто неравномерно распределены между электродами, поэтому между электронами существует определенный градиент концентрации ионов, в результате чего возникает поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны, в газе создаются массовые заряды, что усложняет картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того, носители заряда могут также создаваться здесь в результате ионизация электронным удароми, следовательно, концентрация ионов может зависеть от напряженности электрического поля. Все это приводит к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

В условиях ионизации в газе можно самостоятельный разряд может произойти по принципу лавины. Предположим, что электрон вылетает из катода. Во время своего свободного пути он движется, ускоряясь под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если эта энергия больше или равна энергии ионизации атомов в газе, то атом ионизируется, становится положительным ионом, в результате чего уже есть движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны будут двигаться к аноду, а положительные ионы – к катоду.

После столкновений электроны получат энергию, и в следующих столкновениях будут созданы четыре электрона. Потом восемь, потом шестнадцать и так далее. Это вызывает лавину электронов, движущихся к аноду (и соответствующее количество положительных ионов, движущихся к катоду).

Количество пар ионов и электронов, образующихся на единицу расстояния от одного электрона, называется объемный коэффициент ионизации α. А поскольку энергия электронов тем больше, чем выше напряженность электрического поля E, объемный коэффициент ионизации α также зависит от напряженности электрического поля E.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд стал самостоятельным, электронная лавина должна поддерживаться процессом подачи новых электронов взамен уходящих к аноду.

Один из этих процессов может быть Эмиссия вторичных электроновВторичная электронная эмиссия – это процесс, во время которого некоторые особенно быстрые положительные ионы выбивают ряд электронов из катода.

При определенных гипотетических условиях (при определенном напряжении) оба процесса вместе приводят к самостоятельная выписка.

Но в действительности бесконечного увеличения электронной лавины не произойдет, потому что разрядная цепь имеет сопротивление, при значительном увеличении тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит, уменьшится и электрическое поле. Поэтому величина тока конечна и зависит как от ЭДС источника, так и от сопротивления цепи.

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Давайте постепенно увеличивать напряжение между катодом и анодом, которые имеют форму больших сфер. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В какой-то момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, возникает электрическая искра – тонкий, изогнутый, светящийся канал, соединяющий электроды.

Это происходит, когда электрическая интенсивность E достигает определенного критического значения, Ek. Для воздуха при нормальных условиях это 3 МВ/м. Когда на воздух воздействует внешний ионизатор, пробивное напряжение, очевидно, падает.

Казалось бы, процесс образования искры можно объяснить электронной лавиной, в соответствии с приведенной выше схемой. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только столкновительная ионизация электронами, то время образования искры составляло бы порядка 10 – 100 мкс, но практически оно не превышает 100 нс – в сотни раз меньше!

На самом деле, процесс образования искры хорошо объясним по теории стримеров. Согласно теории стримеров, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц со слабым свечением. Эти частицы проникают в зазор между катодом и анодом, создавая многочисленные каналы проводимости, через которые проходят более мощные потоки электронов. В игру вступают не только лавины ионизации от удара электронов, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Таким образом, помимо первой электронной лавины, возникающей непосредственно на катоде, в точках, расположенных далеко впереди “головы” начальной лавины, возникают новые лавины, которые являются результатом появления затравочных электронов вследствие фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигают друг друга и образуют русло потока с высокой проводимостью. Поэтому общий путь потока “искры” в несколько раз больше, чем путь самой первой лавины. Параллельно с потоками, движущимися от катода к аноду (отрицательные потоки), существуют также положительные потоки, движущиеся от анода к катоду.

Сварочные дуги можно условно разделить на три типа в зависимости от характера процессов, происходящих в катодной области.

Анодная область

В процессах дуговой сварки явления, происходящие в анодной области дуги, играют чрезвычайно важную роль, поскольку они в значительной степени определяют долю энергии дуги, передаваемой аноду, и, следовательно, нагрев и плавление материнского металла. За исключением сварки угольной дугой, анод не излучает положительных ионов. Поэтому анодный ток является чисто электронным.

Одним из наиболее важных интегральных параметров, характеризующих работу анодной области дуги, является анодное падение потенциала. U _а который может быть как положительным, так и отрицательным. Его величина зависит от энергии, затраченной на образование положительных ионов в анодной области, и в большинстве случаев меньше, чем падение катодного потенциала. U _K .

Обычно наблюдается два основных режима горения на аноде:

а) С противодействующей (сжатой) анодной зоной,

б) Диффузионный (распространяется на большую площадь) зона контакта дуги с анодом .

На форму контактной зоны между плазмой и поверхностью анода влияет ряд факторов, таких как интенсивность дуги, давление, тип плазмообразующего газа, скорость плазмы и т.д.

При низком давлении ( р ≤ 10 4 Па), переход от рассеянной дуги к встречной происходит с увеличением тока, как только превышается определенное значение тока, называемое критическим. Однако при атмосферном давлении и выше переход от диффузной дуги к противодуговой наблюдается, когда ток падает ниже определенного порогового значения.

В зоне контакта между диффузионной дугой и анодом (диффузная связь) плотность тока на аноде сравнима или меньше плотности тока в столбе дуги. В этом режиме нет необходимости увеличивать ток в анодной области дуги, иногда может потребоваться уменьшить электронный ток. В этом случае анод под воздействием потока электронов может приобрести отрицательный заряд и начинает тормозить избыточные электроны из столба дуги. Поэтому в режиме диффузии U _a принимает от отрицательных до положительных значений, обеспечивая необходимый поток электронов из плазмы.

В режиме антидиффузионной дуги плотность тока на аноде значительно выше, чем в плазме столба дуги. В этом случае происходит усиление ионизационного тока в анодном слое, что возможно при дополнительном энергетическом вкладе в поток электронов. Поскольку электроны получают энергию от электрического поля, можно предположить, что усиление тока ионизации происходит при положительном падении потенциала анода U _a . Так, для дуги с непотребляющим катодом в среде аргона при переходе к встречной дуге U _a увеличивается до 7 В. Для дуг со встречной связью в молекулярных газах (азот и воздух) U _a может достигать 12 В. Создание условий для перехода от диффузионной дуги к встречной дуге можно рассматривать как один из способов увеличения удельного теплового потока к поверхности анода, т.е. увеличения проникающей способности дуговой сварки.

В анодной области дуги энергия выделения тепла намного выше, чем в катодной области. Технологи учитывают это при выборе полярности электрода и изделия.

Тепло, выделяемое в столбе дуги, зависит от длины дуги и напряженности электрического поля. Е . В свою очередь, Е зависит от тепловых свойств среды и тока, и его максимум наблюдается при сварке водяным паром ( Е = 60 – 80 В/см), его минимум в вакуумной дуге ( Е = 2 – 4 В/см).

В течение многих лет использование вторичной эмиссии сдерживалось тем, что не была обеспечена ее стабильность. Позже были получены стабильные катоды вторичных электронов из металлических сплавов, и стало возможным создание более совершенных устройств с вторичной эмиссией.

Какой электрод используется для эмиссии электронов

Эмиссия электронов

Первичным электродом любой вакуумной лампы является катод, который испускает электроны.

Эмиссия электронов – это процесс, при котором электроны покидают твердое тело или жидкость и переходят в вакуум или газ. Чтобы вызвать эмиссию электронов, электронам необходимо придать дополнительную энергию, которая называется побег. Этот показатель варьируется от металла к металлу и составляет несколько электронвольт. Металлы, у которых межатомные расстояния больше, чем у других, совершают меньшую работу по улетучиванию. К ним относятся щелочные металлы и щелочноземельные металлы, такие как цезий, барий и кальций.

Если атомы веществ, отдающих электроны металлу, находятся на поверхности основного металла, наблюдается увеличение эмиссии. Эти вещества называются активирующие вещества. Также можно уменьшить работу эмиссии путем покрытия поверхности металла слоем оксидов щелочных металлов и щелочноземельных металлов.

Рассмотрим основные типы эмиссии электронов.

Тепловая электронная эмиссия возникает в результате нагрева излучающего электроны тела и широко используется в электронных устройствах. При повышении температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике увеличивается, что может быть достаточным для их выхода. Если вылетающие электроны не оттягиваются ускоряющим полем от излучающей поверхности, то вблизи поверхности образуется скопление электронов (“электронное облако”). Энергии электронов различны, и средняя энергия обычно составляет несколько десятых долей электронвольта.

“Электронное облако находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а те, что вылетели раньше, попадают обратно. Это явление напоминает испарение жидкости в закрытом сосуде. Насыщенный пар над такой жидкостью находится в динамическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие достаточную энергию при нагревании, вылетают из жидкости.

В устройствах с нагретыми активированными катодами (например, оксидными катодами) под воздействием внешнего ускоряющего поля наблюдается сильное увеличение термоэлектронной эмиссии (эффект Шоттки). (эффект Шоттки). Если бы катод не был накален, то эмиссии не было бы. При высокой температуре и в присутствии внешнего ускоряющего поля испускается много дополнительных электронов, которые не смогли бы вырваться в отсутствие поля. Когда сильное поле приложено на короткое время, выход электронов из оксида накала и других активированных катодов очень велик. Такое излучение в виде импульсов тока малой длительности используется в некоторых электронных и ионных устройствах.

Электростатика (или автоэлектронная) эмиссия это выброс электронов сильным электрическим полем. Это излучение иногда называют “холодным” излучением, что не совсем точно, поскольку все типы излучения, за исключением термоионного, могут быть классифицированы как “холодные”.

Электроны испускаются при нормальной (комнатной) температуре электрическими полями с напряженностью не менее 10 5 В/см.

Электростатическая эмиссия значительно усиливается в случае шероховатой поверхности из-за концентрации поля на микроскопических выступах этой поверхности. В присутствии активирующих покрытий, особенно оксидных, электростатическая эмиссия также усиливается. Помимо снижения эффективности работы, присущего оксидному слою, свою роль играет проникновение внешнего поля в оксидный слой полупроводника и шероховатость поверхности оксида.

Вторичная электронная эмиссия вызывается ударами электронов о поверхность тела. В этом случае поражающие электроны называются первичные электроны. Они проникают в поверхностный слой и отдают свою энергию электронам вещества. Некоторые из них могут выходить из организма после получения достаточного количества энергии. Эти электроны называются вторичные электроны. Вторичная эмиссия обычно происходит при энергии первичных электронов 10-15 эВ и более. Если энергия первичного электрона достаточно высока, он может выбить несколько вторичных электронов.

Вторичная эмиссия характеризуется на коэффициент вторичных выбросов которая равна отношению числа вторичных электронов п₂ к количеству первичных n₁:

Коэффициент σ зависит от вещества тела, структуры его поверхности, энергии первичных электронов, угла падения и некоторых других факторов. Для чистых металлов максимальное значение a составляет от 0,5 до 1,8. В присутствии активирующих покрытий a достигает 10 и более. Для интенсивного вторичного излучения используются сплавы магния с серебром, алюминия с медью, бериллия с медью и т.д. Их σ-фактор может быть в диапазоне 2-12 и более, а эмиссия более стабильна, чем у других веществ. Вторичная эмиссия также наблюдается в полупроводниках и диэлектриках.

На рис. 15.5 показана зависимость σ от энергии первичного электрона W₁ На странице W₁ < 10 - 15 эВ вторичная эмиссия отсутствует. Тогда с увеличением W₁ увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Кривая 1 — зависимость для чистого металла, а кривая 2 – для металла с активирующим покрытием. Максимальная вторичная эмиссия обычно достигается при энергии W₁ в сотни электронвольт. Уменьшение σ при более высоких значениях W₁ Это связано с тем, что первичные электроны проникают глубже и передают энергию электронам, находящимся дальше от поверхности. Последние передают полученную энергию другим электронам и не могут достичь поверхности. Точно так же камень, падающий в воду с малой скоростью, вызывает сильный всплеск воды; тот же камень при большой скорости быстро падает в воду, не вызывая всплеска.

Вторичные электроны выбрасываются в разных направлениях и с разной энергией. Если они не уносятся ускоряющим полем, то образуют заряд массы (“электронное облако”) у поверхности тела. Энергия большинства вторичных электронов намного выше, чем энергия термоядерных электронов.

Рис. 15.5 Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов

В течение многих лет использование вторичной эмиссии сдерживалось тем, что не была обеспечена ее стабильность. Позже были получены стабильные катоды вторичных электронов из металлических сплавов, и стало возможным разработать более совершенные устройства вторичной эмиссии.

Выброс электронов при столкновении с тяжелыми частицами аналогична вторичной эмиссии. В большинстве случаев эмиссия электронов происходит в результате бомбардировки тела ионами. Чтобы охарактеризовать эту эмиссию коэффициент выбивания электронов δ, которая равна отношению числа выбитых электронов п_е к числу пораженных ионов n_i:

Значение δ зависит от вещества бомбардируемого тела, массы и энергии бомбардирующих ионов, состояния поверхности, наличия или отсутствия активационных оболочек на поверхности, угла падения ионов и других факторов. Обычно δ намного меньше единицы, но значения δ > 1 могут наблюдаться для полупроводников и диэлектрических тонких пленок. Наименьшая энергия ионов, необходимая для выбивания электронов, составляет порядка десятков электрон-вольт. При наличии активационных оболочек δ увеличивается. Большинство выбитых электронов имеют энергию от 1 до 3 эВ.

Термоионный катод Катод должен быть долговечным и обеспечивать постоянную (стабильную) эмиссию при минимально возможных затратах энергии. Поверхность катода не должна быть разрушена ионной бомбардировкой. Даже в высоком вакууме есть некоторые положительные ионы. Они ускоряются по направлению к катоду. Чем выше напряжение на аноде, тем сильнее ионы ударяются о катод.

Эффективность катода характеризуется его эффективность. Он показывает, сколько тока эмиссии может быть произведено на ватт мощности накала. При современной непрерывной работе эффективность катода может составлять от единиц до сотен миллионов ампер на ватт.

Различные катоды имеют рабочую температуру в диапазоне от 700 до 2300°C. Срок службы Время жизни катода определяется временем, после которого выход электронов уменьшается на 10%. Срок службы катодов составляет от сотен до десятков тысяч часов.

При повышении рабочей температуры КПД увеличивается, поэтому для увеличения эмиссии иногда немного увеличивают нить накала, но срок службы при этом сокращается.

Прямые катоды, Катоды из чистого металла изготавливаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и подвергаются прямому обжигу. Рабочая температура вольфрамовых катодов составляет 2100 – 2300 °С, что соответствует яркому желтому или белому свечению. Долговечность этих катодов определяется подавлением эмиссии из-за уменьшения толщины катода, вызванного напылением вольфрама.

Преимуществом вольфрамового катода является стабильность эмиссии. Он не уменьшается после временного перерасчета. Устойчивость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно подходящим для мощных ламп, работающих при высоких анодных напряжениях. Вольфрамовые катоды также используются в специальных электрометрических лампах, где важна стабильность эмиссии. Основным недостатком вольфрамового катода является его низкая эффективность (миллиампер на единицу ватт). Из-за высокой температуры интенсивно выделяется тепло и световые лучи, и почти вся энергия нити накаливания расходуется.

Многие типы составные катоды На поверхности чистого металла осаждается активационный слой, который обеспечивает интенсивное излучение при относительно низких температурах.

1 – распределение энергии электронов в металле; 2 – потенциальный барьер без внешнего электрического поля; 3 – энергия, переданная электронам внешним однородным электрическим полем; 4 – потенциальный барьер в присутствии ускоряющего электрического поля.

Тепловая эмиссия электронов из металлов

Эмиссия электронов это процесс выхода электронов из твердых тел или жидкостей.
Тепловая эмиссия электронов – Эмиссия электронов обусловлена тепловым состоянием (температурой) тела, испускающего электроны.
На рисунке 3-1 показана энергетическая диаграмма металла. Косая штриховка указывает на энергетические уровни валентных электронов, полностью заполненные при T=0 K. Горизонтальная заштрихованная линия показывает свободные при T=0 K разрешенные энергетические уровни.
Кривая 1 показывает распределение энергии электронов в металле при температуре, отличной от 0 K.
Кривая 2 показывает (схематически) потенциальный барьер на границе металл-вакуум, который препятствует выходу электронов. Здесь Wo – общая высота потенциального барьера, который характеризует потерю энергии электроном при выходе из металла; – Уровень Ферми (уровень электрохимического потенциала); – это работа по убеганию электрона (φ – работа по убеганию, выраженная в вольтах).
Термоэлектронная эмиссия чистых металлов описывается уравнением Ричардсона-Дешмана:

Здесь j e – плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/м2; T – температура металла, K; A – постоянная для металла, A/(m2 K2); k – постоянная Больцмана; φ – работа выхода электрона, V.
Значения предела текучести φ и постоянной A для некоторых материалов приведены в таблице 3-1.

Рисунок 3-1: Энергетическая диаграмма металла и потенциального барьера на границе раздела металл-вакуум.

1 – распределение энергии электронов в металле; 2 – потенциальный барьер без внешнего электрического поля; 3 – энергия, переданная электронам внешним однородным электрическим полем; 4 – потенциальный барьер в присутствии ускоряющего электрического поля.

Таблица 3-1 Значения работы текучести и постоянной A для некоторых материалов
Материал
Cs Va Th Th Mo W С Fe Ni Pt Hg	1,89 2,29 3,41 4,12 4,27 4,54 4,39 4,36 4,84 5,29 4,52	1620000 600000 700000 600000 550000 750000 300000 260000 – 320000 –

Таблица 3-2 Константы для катодов из фольги
Тип катода
Вольфрамовая дорожка Торий на основе молибдена Дорожка из карбида вольфрама Барий на вольфраме Цезий на вольфраме	2,63 2,59 1,5 1,56 1,36	30000 15000 150 15000 32000

Наиболее распространенным катодом из чистого металла является вольфрамовый катод.
Внешнее ускоряющее электрическое поле на поверхности катода уменьшает потенциальный барьер (см. Рисунок 3-1, кривая 4) и, следовательно, увеличивает ток термоэлектронной эмиссии.
Увеличение эмиссии описывается уравнением Шоттки:

где А/см2, j e – плотность тока эмиссии в отсутствие внешнего поля, определяемая по уравнению Ричардсона-Дешмана; T – температура катода, К; Ek – напряженность внешнего электрического поля на поверхности катода, В/м.
Образование мономолекулярных пленок электроположительных веществ на поверхности металла сопровождается поляризацией или ионизацией атомов пленки и, таким образом, возникновением ускоряющего электрического поля, которое уменьшает работу электронов, покидающих катод φ. В то же время меняется константа A уравнения тепловой эмиссии.
Наиболее распространенными пленочными катодами, используемыми в технике, являются торированные вольфрамовые и молибденовые катоды.
В таблице 3-2 приведены константы φ и A для некоторых пленочных катодов.

Читайте далее:

• Фотоэлементы. Типы и позиционирование. Эксплуатация и применение.
• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Электричество в газах.
• Что такое электродный потенциал; Школа для инженеров-электриков: электротехника и электроника.
• Как работают атомы.
• История изобретения электронной лампы.
• Триод: конструкция и работа трехэлектродной лампы.