Эмиссия электронов

Чтобы сформировать поток свободных электронов, перемещающихся в вакууме или газе, необходимо обеспечить выход электронов из твердого тела.

Эмиссия – это испускание электронов твердым телом, осуществляемое путем подведения к телу энергии от внешнего источника. Как было показано ранее (см. п.1.5.1, рис. 1.14), работа выхода электронов рассчитывается из выражения

χ=W₀ – W_F, эВ,                                        (7.1)

где W₀ – энергия электрона в свободном пространстве вблизи поверхности катода; W_F – энергия уровня Ферми электронов в материале катода.

Величина работы выхода χ для различных материалов составляет 2…5 эВ.

При выходе электронов за пределы катода вблизи поверхности остается положительно заряженные ионы в узлах кристаллической решетки материала катода, эмитирующего электроны. Поэтому вблизи поверхности катода образуется двойной электрический слой, образующий тормозящее электрическое поле Е для электронов, вылетающих с поверхности катода (рис. 7.2). Сила F_д..э.с. , с которой тормозящее поле Е действует на электроны, равна F_д..э.с=qE, где q – заряд электрона.

При удалении от поверхности тела на электрон действует тормозящая сила зеркального изображения

, Н,                                          (7.2)

где r – расстояние от поверхности, м; ε₀ =0,086·10^-10 Ф/м– электрическая постоянная.

Это кулоновская сила, возникающая между удаляющимся электроном и наведенным в теле катода зеркально расположенным положительным электрическим зарядом, быстро убывает с увеличением расстояния r от поверхности катода.

 В качестве материала катода часто используют материалы с небольшой работой выхода, такие, как цезий, барий, торий, рений.

Виды эмиссии

Различают четыре вида эмиссии электронов из материалов.

Термоэлектронная эмиссия осуществляется за счет нагрева катода. Плотность тока термоэлектронной эмиссии рассчитывается из выражения

 А/см²,                     (7.3)

где χ – работа выхода, эВ; k=8,6·10^-5 эВ/K – постоянная Больцмана;   А₀=10³…3·10⁴ А/(м·К)² – константа Ричардсона; Т – абсолютная температура, К.

Для создания термоэлектронной эмиссии применяют термоэлектронные катоды (термокатоды). Основные параметры термокатодов следующие.

1. Т_раб=700…2000 ^оС – рабочая температура катода.

2. Р_н – мощность энергии, потребляемой катодом, Вт.

3. I_e – эмиссионный ток, мА.

4. =5…200 мА/Вт – эффективность катода.

5. Срок службы, час.

Классификация термокатодов осуществляется по двум признакам.

По способу нагрева термокатоды подразделяются на прямонакальные и подогревные.

Прямонакальные катоды изготавливаются из тонкой проволоки или ленты и подогреваются постоянным током.

Подогревные катоды – это катоды косвенного накала, которые содержат изолированную нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, выполненный в виде металлического цилиндра с активированной внешней поверхностью. Могут подогреваться переменным током.

По используемым материалам различают две группы катодов.

Активированные металлические катоды представляют собой металлическую основу (керн), изготовленную из пористых тугоплавких металлов (вольфрама или молибдена). На поверхность керна нанесены материалы с небольшой работой выхода 2…3 эВ (барий, торий, стронций).

Характеристики активированных металлических катодов: эмиссионный ток I_e»10⁵ A/м², Т_раб= 1500…1700 ^оС.

Оксидные полупроводниковые и металлополупроводниковые катоды представляют оксиды BaO, ThO, CaO, SrO, нанесенные на керн из W или Ni. Работа выхода электронов из таких катодов гораздо ниже и составляет величину около 1 эВ. Поэтому эффективность работы таких катодов гораздо выше и характеризуется следующими показателями: эмиссионный ток I_e»1,5·10⁶ A/м²,  а рабочая температура Т_раб  не превышает  1000 ^оС.

Фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов под действием сета, рентгеновского излучения. Для создания фотоэлектронной эмиссии применяют фотокатоды. Эффект фотоэлектронной эмиссии  наблюдается, когда энергия падающих квантов электромагнитного излучения больше работы выхода электронов χ из материала катода:

hν>χ,                                                       (7.4)

где h=4,13·10^-15 эВ·с – постоянная Планка; ν»10¹⁴…10¹⁵ Гц – частота  электромагнитного излучения.

Пороговая энергия фотоэлектронной эмиссии определяется из выражения  hν_кр=χ, где ν_кр – пороговая частота фотоэлектронной эмиссии (известная, как красная граница фотоэффекта).

Вторичная электронная эмиссия – это эмиссия происходящая при бомбардировке поверхности тел потоком электронов или ионов. Характеристикой вторичной электронной эмиссии является коэффициент вторичной эмиссии σ, представляющий отношение количества испускаемых электронов n₂ к количеству падающих на поверхность электронов n₁:

.

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия – это эмиссия, происходящая под действием сильного электрического поля Е, воздействующего на поверхность катода. Для этого вблизи катода, выполненного в форме острия,  располагается второй электрод – анод, на который подается положительный потенциал, создающий напряженность поля вблизи поверхности катода около 10⁶ В/см. При этом работа выхода электронов из катода резко снижается. В результате возникает ток эмиссии за счет туннельного перехода электронов с поверхности катода через узкий потенциальный барьер (см. ниже п. 8.1).