Эмиссионные явления и их применение

Если сообщить электронам в метал­лах энергию, необходимую для преодо­ления работы выхода, то часть электро­нов может покинуть металл, в резуль­тате чего наблюдается явление испуска­ния электронов, или электронной эмис­сии. В зависимости от способа сообще­ния электронам энергии различают термо­электронную, фотоэлектронную, вторич­ную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия. Термо­электронной эмиссией называется испус­кание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследст­вие распределения электронов по скоро­стям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для пре­одоления потенциального барьера на гра­нице металла. С повышением темпера­туры число электронов, кинетическая энер­гия теплового движения которых больше

работы выхода, растет и явление термо­электронной эмиссии становится за­метным.

Исследование закономерностей термо­электронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы - вакуумного диода, представляю­щего собой откачанный баллон, содержа­щий два электрода - катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как это показано на рис.4, то при накали­вании катода и подаче на анод положи­тельного напряжения (относительно ка­тода) в анодной цепи диода возникает ток.

Рис.4

Если поменять полярность батареи Б_а, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, ка­тод испускает отрицательные частицы - электроны.

Если поддерживать температуру нака­ленного катода постоянной и снять зави­симость анодного тока I от анодного напряжения U — вольтамперную ха­рактеристику (рис.5), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для вакуумного диода закон Ома не выпол­няется.

Рис.5

Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений V опи­сывается законом трех вторых (получен русским физиком С. А. Богуславским (1883—1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 - 1957)):

,

где В — коэффициент, зависящий от фор­мы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максималь­ного значения I насназываемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыще­ния характеризует эмиссионную способ­ность материала катода.

Плотность тока насыщения определя­ется формулой Ричардсона - Дешмана выведенной теоретически на основе кван­товой статистики:

где A - работа выхода электронов из ка­тода. Т— термодинамическая температу­ра, С — постоянная, одинаковая для всех металлов. Таким образом, уменьшение работы выхода приводит к резкому уве­личению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочно-земельного металла), работа вы­хода которых равна 1 — 1,5 эВ.

На рис. 5 представлены вольтампер­ные характеристики для двух температур катода: T₁ и Т₂. причем T₂ > T₁,. С по­вышением температуры катода испуска­ние электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыще­ния. При U = 0 наблюдается анодный ток. т. е. некоторые электроны, эмиттируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы вы­хода и достижения анода без приложе­ния электрического поля.

Явление термоэлектронной эмиссии ис­пользуется в приборах, в которых необ­ходимо получить поток электронов в ва­кууме. например в электронных лампах, рентгеновских трубках. электронных микроскопах и т. д. Электронные лампы

широко применяются в электро- и радио­технике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменных токов, усиления электрических сигналов и переменных то­ков. оперирования электромагнитных ко­лебаний и т. д. В зависимости от наз­начения в лампах используются допол­нительные управляющие электроды.

2) Фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлек­тронной эмиссией называется эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рент­геновского). Основные закономерности и этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрическою эффек­та.

3) Вторичная электронная эмиссия. Вто­ричной электронной эмиссией называется испускание электронов поверхностью ме­таллов. полупроводников или диэлектри­ков при бомбардировке их пучком элек­тронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных по­верхностью (упруго и неупруго отражен­ные электроны), и «истинно» вторичных электронов - электронов, выбитых из эмиттера первичными электронами.

Отношение числа вторичных электро­нов n ₂ к числу первичных n ₁, вызвав­ших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

зависит от природы поверхности, энер­гии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность. У полупроводни­ков и диэлектриков больше чем у металлов. Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов

проводимости велика, вторичные электро­ны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектри­ках же из-за малой концентрации элек­тронов проводимости столкновения вто­ричных электронов с ними происходят гораздо реже и вероятность выхода вто­ричных электронов из эмиттера возра­стает в несколько раз.

Для примера на рис. 6 приведена качественная зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии от энер­гии Е падающих электронов для KCl.

Рис.6

С увеличением энергии электронов воз­растает, так как первичные электроны все глубже проникают в кристаллическую ре­шетку и, следовательно, выбивают боль­ше вторичных электронов. Однако при не­которой энергии первичных электронов начинает уменьшаться. Это связано с тем, что с увеличением глубины проникнове­ния первичных электронов вторичным все труднее вырываться на поверхность. Зна­чение для КС1 достигает ≈12 (для чистых металлов оно не превышает 2).

Явление вторичной электронной эмис­сии используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), применяемых для усиления слабых электрических токов. ФЭУ представляют собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов — эмиттеров (рис. 7).

Рис.7

Элек­троны, вырванные с фотокатода под дей­ствием света, попадают на эмиттер Э₁, пройдя ускоряющую разность потенци­алов между К и Э₁. Из эмиттера Э₁, выбивается электронов. Усиленный та­ким образом электронный поток направ­ляется на эмиттер Э₂, и процесс умно­жения повторяется на всех последующих эмиттерах. Если ФЭУ содержит и эмит­теров, то на аноде А, называемом кол­лектором, получается усиленный в раз фотоэлектронный ток.

4) Автоэлектронная эмиссия. Автоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов из поверхности металлов под действием сильного внешнего электри­ческого поля. Эти явления можно наблю­дать в откачанной трубке, конфигурация электродов которой (катод - острие, анод — внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях примерно В получать электрические поля напря­женностью примерно 10⁷ В/м. При посте­пенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности като­да примерно 10⁵ 10⁶ В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холод­ном катоде, поэтому описанное явление называется также холодной эмиссией. Объяснение механизма этого явления возможно лишь на основе квантовой теории.

 

Заключение.

В результате выполнения реферата были сделаны следующие выводы.

1)Термоэлектрические явления можно применять во множества областях человеческой деятельности, начиная от приборостроения и заканчивая роботостроением.

2) Автоэлектронная эмиссия - квантово-механическое явление. Ее эмиссионная способность в миллионы раз больше, чем у всех других известных видов эмиссии. Сейчас это явление переживает второе рождение в связи с его замечательными применениями в микроскопии, электронной голографии атомного разрешения, наноэлектронике.

3) При образовании замкну­той цепи из нескольких металлических проводников с одинаковой температурой спаев невозможно возникновение электро­движущей силы за счет только контакт­ных скачков потенциала.

4) Явление Зеебека используется для измерения температур. Для этого приме­няются термоэлементы, или термопары - датчики температур.

5) Эффект Пельтье используется в термо­электрических полупроводниковых холо­дильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством Д. Ф. Иоффе, и в не­которых электронных приборах.

6) Явление термоэлектронной эмиссии ис­пользуется в приборах, в которых необ­ходимо получить поток электронов в ва­кууме. например в электронных лампах, рентгеновских трубках. электронных микроскопах и т. д.

7) Явление вторичной электронной эмис­сии используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), применяемых для усиления слабых электрических токов.

 

 

Список использованной литературы.

1. Бажанова Н.П., Кораблев В.В., Кудинов Ю.А. Актуальные вопросы вторичноэмиссионной спектроскопии. Учебное пособие.- Л.: ЛПИ, 1985.- 88 с.

2. Бьюб Р.,Фотопроводимость твердых тел,М.,1962.

3. Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966

4. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия / Под ред. Д.В. Зернова. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1958. 272 с.

5. Модинос А., Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия: Пер. с англ. / Под ред. Г.Н. Фурсея. М.: Наука, 1990. 320 с.

6. Рывкин С.М., Фотоэлктрические явления в полупровод-
никах, М.,1963.

7. Савельев И. В., Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1979, с.213.

8. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1982.- 608 с.