13-4. Электронная эмиссия

Под вакуумом понимают газ или воздух, находящийся в состоянии найвысщего разрежения (давление порядка ). Вакуум является непроводящей средой, так как в нем содержится ничтожное количество электрически нейтральных частиц вещества.

Для получения в вакууме электрического тока необходим источник заряженных частиц — электронов, причем движение электронов в вакууме происходит практически без столкновений с частицами газа.

Источником электронов служит обычно металлйческий электрод — катод. При этом используется явление выхода электронов с поверхности катода в окружающую среду, называемое электронной эмиссией.

Свободные электроны в металле при отсутствии внешнего электрического поля беспорядочно перемещаются между ионами кристаллической решетки.

Рис. 13-6. Двойной электрический слой на поверхности металла.

При комнатной температуре выхода электронов из металла не наблюдается вследствие недостаточной величины их кинетической энергии. Часть электронов, обладающих наибольшей кинетической энергией, при своем движении выходит за поверхность металла, образуя электронный слой, который вместе с расположенным под ним в металле слоем положительных ионов кристаллической решетки образует двойной электрический слой (рис. 13-6). Электрическое поле этого двойного слоя противодействует электронам, стремящимся выйти из проводника, т. е. является для них тормозящим.

Для выхода электрона за пределы поверхности металла электрону необходимо, сообщить энергию, равную работе, которую он должен совершить по преодолению тормозящего действия поля двойного слоя. Эта работа называется работой выхода Отношение энергии выхода к заряду электрона называется потенциалом выхода, т. е. .

Работа (потенциал) выхода зависит от химической природы металла.

Значения потенциала выхода для некоторых металлов даны в табл. 13-1.

Таблица 13-1

В зависимости от того, каким способом сообщается электронам дополнительная энергия, необходимая для выхода из металла, различают виды эмиссии: термоэлектронную, электростатическую, фотоэлектронную, вторичную и под ударами тяжелых частиц.

Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода, обусловленное исключительно нагревом катода. При нагревании металла скорости движения электронов и Их кинетическая энергия увеличиваются и число электронов, покидающих металл, возрастает. Все электроны, вылезающие из катода в единицу времени, если Они удаляются от катода внешним полем, образуют электрический ток эмиссии . При повышении температуры катода ток эмиссии растет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На рис. 13-7 даны кривые плотности тока эмиссии, т. е. тока эмиссии, отнесенного к единице поверхности катода, выраженной в А/см2, в зависимости от температуры Т для различных катодов.

Рис. 13-7. Кривые плотности тока эмиссии в зависимости от температуры для различных катодов: а — оксидный; б — вольфрамовый, покрытый торием; в - вольфрамовый без покрытия.

Зависимость плотности эмиссионного тока от температуры и работы выхода выражается уравнением Ричардсона—Дэшмана:

где А — постоянная эмиссии; для металлов она равна ; Т — абсолютная температура катода, К; — основание натуральных логарифмов; — работа выхода, эВ; — постоянная Больцмана.

Таким образом, плотность тока эмиссии увеличивается пропорционально и так что для получения большого тока эмиссии необходим катод из материала с малой работой выхода и высокой рабочей температурой.

Если электроны, вылетевшие из катода (эмиттированные электроны), не удаляются от него внешним ускоряющим полем, то они скапливаются вокруг катода, образуя объемный отрицательный заряд (электронное облако), который создает вблизи катода тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электронов из катода.

Электростатической электронной эмиссией называется явление выхода электронов из поверхности катода, обусловленное исключительно наличием у поверхности катода сильного электрического поля.

Сила, действующая на электрон, находящийся в электрическом поле, пропорциональна заряду электрона и напряженности поля F — её. При достаточно большой напряженности ускоряющего поля силы, действующие на электрон, находящиеся у поверхности катода, становятся достаточно большими для преодоления потенциального барьера и вырывания электронов из холодного катода.

Электростатическая эмиссия находит применение в ртутных вентилях и некоторых других приборах.

Фотоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно действием излучения, поглощаемого катодом, и не связанное с его нагреванием. При этом электроны катода получают дополнительную энергию от частиц света — фотонов.

Лучистая энергия испускается и поглощается определенными порциями — квантами. Если энергия кванта, определяемая произведением постоянной Планка частоты излучения v, т. е. , больше работы выхода для материала данного катода то электрон может покинуть катод., т. е. будет иметь место фотоэлектронная эмиссия.

Фотоэлектронная эмиссия применяется в фотоэлементах.

Вторичной электронной эмиссией называется явление выхода вторичных электронов, обусловленное исключительно ударами первичных электронов о поверхность тела (проводника, полупроводника). Летящие электроны, называемые первичными, встречая на пути проводник, ударяются о него, проникают в его поверхностный слой и отдают часть своей энергии электронам проводника. Если дополнительная энергия, получаемая электронами при ударе, будет больше работы выхода, то эти электроны могут выйти за пределы проводника.

Первичный электрон, обладающий значительной энергией, может отдать ее или одному или нескольким электронам, следовательно, число вторичных электронов может быть больше первичных.

Вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии , равным отношению числа вторичных электронов к числу первичных

(13-10)

а ток вторичной эмиссии

Величина коэффициента вторичной эмиссии зависит от свойств эмиттера, а также от скорости и направления первичных электронов.

В электронных приборах с несколькими электродами вторичные электроны летят к электроду с более высоким положительным потенциалом.

Вторичная электронная эмиссия используется, например, в фотоэлектронных умножителях для усиления тока.

Вторичная эмиссия может наблюдаться в электронных лампах, в которых анод подвергается воздействию электронов, летящих от катода. В этом случае вторичные электроны могут создать поток, встречный «рабочему», ухудшающий работу лампы.

Электронной эмиссией под ударами тяжелых частиц называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно ударами ионов или возбужденных атомов (молекул) о поверхность тела — электрода. Этот вид эмиссии аналогичен рассмотренной выше вторичной электронной эмиссии.