Эмиссия электронов с поверхности металла
Электроны проводимости в металлах образуют своеобразный электронный газ и участвуют в тепловом движении. Но поскольку они удерживаются в объеме металла, а не разлетаются из него, значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Для того чтобы электрон вывести за пределы металла необходимо совершить определенную работу против удерживающих его сил.
Работой выхода А электрона из металла называется работа, которую нужно совершить при удалении электрона из металла в вакуум.
Электрон – заряженная частица и сила, препятствующая его выходу из металла, имеет электрическую природу. Существуют две наиболее вероятные причины возникновения этой силы, а следовательно, и работы выхода.
Электрон, обладая достаточной кинетической энергией, может покинуть поверхность металла. На поверхности металла в результате этого индуцируется положительный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Работа этой силы представляет часть работы выхода.
Электроны вследствие хаотического движения способны пересекать поверхность металла и удаляться от нее на малые расстояния. При этом число электронов, покидающих поверхность металла, равно числу электронов, возвращающихся в металл и на границе металл-вакуум поддерживается динамическое равновесие электронов.
Над поверхностью металла, таким образом, существует электронная “атмосфера “ т.е. у поверхности образуется как бы двойной электрический слой (напоминающий плоский заряженный конденсатор. Рис.97)
Электрическое поле такого двойного электрического слоя заключено в малом зазоре над поверхностью металла, и прохождение электрона через этот двойной электрический слой сопровождается совершением определенной работы, связанной с разностью потенциалов А = е φ. Величину φ называют потенциальным барьером. Полная работа выхода электрона обуславливается обеими этими причинами.
Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию
то он может покинуть объем металла. Работа выхода для металлов имеет порядок величины несколько эВ. Энергия же теплового движения электронов в металле при комнатной температуре (Т ≃ 300 0 К) имеет величину порядка ∼ 0,03 эВ. Поэтому подавляющее большинство электронов будет связано в пределах металла. Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, то часть из них получает возможность покинуть металл и мы наблюдаем явление испускания электронов, называемое электронной эмиссией. Различают различные типы электронной эмиссии. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии при повышении температуры, то такая эмиссия называется термоэлектронной.
При подведении энергии светом наблюдается фотоэмиссия, при бомбардировке поверхности какими-либо частицами наблюдается вторичная электронная эмиссия. Эмиссия под действием сильного электрического поля называется автоэлектронной.Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать на электронной лампе – электровакуумном диоде (рис. 98), состоящим из анода А и накаливаемого катода К, включенных в электрическую цепь. Ток диода (анодный ток) имеет зависимость “степени 3/2”
I = c· U 3/2 , где U – анодное напряжение; с – const.
Плотность тока насыщения, когда все вылетающие с катода электроны (при данной температуре катода) достигают анода, определяют по формуле Ричардсона-Дэшмана
где А – постоянная Ричардсона-Дэшмана =6,02·10 5 А/м 2 ·К 2 , Т – абсолютная температура катода, – работа выхода материала катода, k – постоянная Больцмана.
Электрический ток в газах
Газы, состоящие из нейтральных молекул и атомов, не проводят электрический ток. Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы.
Ионизацией молекулы или атома называется процесс отщепления или отрыва от них одного или нескольких электронов в результате чего возникают положительный ион и электроны. Если нейтральный атом и молекула присоединяют электрон, то возникает отрицательный ион. Процесс, обратный ионизации, т.е. такой, при котором электроны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтральную молекулу или атом, называется рекомбинацией.
Для ионизации молекулы (атома) небходимо совершить работу ионизации Аi против сил притяжения между вырываемым электроном и атомным остатком. Эта работа зависит от вида атома, кратности ионизации, энергетического состояния. Потенциалом ионизации φi называется разность потенциалов в ускоряющем поле, которую должна пройти заряженная частица, чтобы накопить энергию, равную работе ионизации
Ионизация газов вызывается бомбардировкой его атомов и молекул заряженными частицами (электронами, ионами, α-частицами), нейтронами, электромагнитным излучением.
Газовым разрядом называется процесс прохождения электрического тока через газ. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Предположим, что на газовый промежуток действует какой-либо ионизатор (например, ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, падающие на катод и выбивающие из него фотоэлектроны), в результате чего газ становится электропроводящим и в цепи потечет ток (рис. 99а). Увеличение анодного напряжения приведет к изменению тока в цепи. Вольтамперную характеристику можно разделить на 4 участка (рис. 99б). На первом участке кривой при небольших напряжениях выполняется закон Ома. Плотность тока в газовом промежутке равна
где n0 – число пар противоположно заряженных частиц в единице объема; u+ и u- - подвижность этих частиц;
е – заряд электрона;
Е – напряженность поля.
На 2-м участке кривой наблюдается отклонение от закона Ома, вызванное убыванием концентрации ионов в газе и ток достигает насыщения IН при некотором значении UН. Увеличение напряжения на участке 3 кривой не приводит к увеличению тока, т.е. все образующиеся в газе электроны и ионы достигают анода и катода.
Газовый разряд, который поддерживается вследствие действия внешнего ионизатора, получил название несамостоятельного.
Если в одном из режимов разряда на участках кривой 1-2-3 действие внешнего ионизатора прекратить, то разряд прекратится. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к резкому возрастанию анодного тока. Это происходит вследствие того, что электроны под действием поля приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул и атомов газа. Процесс такой ионизации носит лавинный характер.
За время свободного пробега в сильном электрическом поле электрон(e) успевает приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой(M), вызвать ее ионизацию.
При этом образуется положительный ион и добавочный электрон.
Эти два электрона в свою очередь набрав нужную энергию ионизируют два атома, а образовавшиеся (2+2) электрона ионизируют следующие 4 атома и удвоят количество электронов и т.д. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока как показано на рис. 100.
Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс, непрерывно воспроизводящий новые электроны взамен ушедших на анод.
Такими могут быть процессы вторичной электронной эмиссии с катода в результате его бомбардировки ускоренными положительными ионами, фотоэффект, соударения положительных ионов с нейтральными молекулами и атомами.
Виды газовых разрядов:
Тлеющий – наблюдаемый при давлениях 0,1 – 0,01 мм. рт. ст., применяется в газовых трубках, лампах дневного света ( красное свечение у неона, синевато-зеленое – у аргона, желтоватые – у натрия).
Искровой разряд – возникает между электродами при сильных полях – на воздухе Екрит ≃ 3·10 6 В/м или 30 кВ/см, в вакууме Екрит выше.
Коронный разряд – когда вследствие высокой напряженности на острие электрода начинает развиваться лавинный процесс, но вследствие снижения напряженности поля по мере удаления от острия эта лавина не достигает анода.
Молния – вид искрового разряда. Токи 10 4 - 5 ·10 5 А. ΔU 10 8 - 10 9 В, длительность мкс., заряд 0,1 – 200 Кл. Сильное разогревание воздуха приводит к возникновению ударной звуковой волны – грому.
Дуговой разряд – при низком сопротивлении цепи искровой разряд переходит в дуговой, который протекает при высоких токах в десятки и сотни ампер.
Эмиссия электронов с поверхности металла
Уже отмечалось, при переходе границы раздела между проводником и вакуумом скачком изменяются напряженность и индукция электрического поля. С этим связаны специфические явления. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом (рис. 6.1).
Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов (). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке 6.2.
В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма, так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W0. Это энергия притяжения Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу
Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию
Термоэлектронная эмиссия
Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией.
В классической термодинамике металл представляют в виде ионной решетки, заключающей в себе электронный газ. Считают, что сообщество свободных электронов подчиняется законам идеального газа. Следовательно, в соответствии с распределением Максвелла при температуре, отличной от 0 К, в металле есть какое-то количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.
Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую средуназываетсятермоэлектронной эмиссией. Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности (рис.6.1). Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Этими двумя и, возможно, другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.
Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. Эдисоном, знаменитым американским изобретателем. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током (рис. 6.3). Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения Iн. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.
На рисунке 6.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua). Здесь Uз – задерживающее напряжение при котором I = 0.
Холодная и взрывная эмиссия
Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной. Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие
здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно у чистых металлов и При получим На практике же холодная эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение относят на счет несостоятельности классических представлений для описания процессов на микроуровне.
Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна
При и , что приведет к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U. При этом катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной.
С помощью автоэлектронной эмиссии принципиально возможно получение плотности тока но для этого нужны эмиттеры в виде совокупности большого числа острий, идентичных по форме (рис. 6.4), что практически невозможно, и, кроме того, увеличение тока до 10 8 А/см 2 приводит к взрывообразному разрушению острий и всего эмиттера.
Плотность тока АЭЭ в условиях влияния объемного заряда равна (закон Чайльда-Ленгмюра)
где – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода.
Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).
Током автоэлектронной эмиссии при концентрации энергии в микрообъемах катода до 10 4 Дж×м –1 и более (при общей энергии 10 -8 Дж) может инициироваться качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде (рис. 6.4).
При этом появляется ток электронов, который на порядки превосходит начальный ток – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.
ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2 .
 |  |
| Рис. 6.4 | Рис. 6.5 |
Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 10 11 ¸ 10 12 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre») (рис. 6.5). Время образования лавин 10 -9 ¸ 10 -8 с.
Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.
Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.
Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 10 13 Вт и более при длительности импульсов 10 -10 ¸ 10 -6 с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов 10 4 ¸ 10 7 эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.
Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.
Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны изображенным на рисунке 6.3. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или γ-квантов (рис. 6.6).
Закономерности фотоэффекта еще в большей степени не согласуются с классической теорией, чем в случае холодной эмиссии. По этой причине мы рассмотрим теорию фотоэффекта при обсуждении квантовых представлений в оптике.
В физических приборах, регистрирующих γ – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке 6.7.
В нем используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. Таким образом, умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.
Когда на поверхность металла в вакууме падает ток электронов, то, как показал Ланге (1925 г.), не все электроны поглощаются металлом — часть их отражается поверхностью металла. Наряду с этим при достаточно большой скорости электронов, бомбардирующих поверхность металла, из металла вышибаются электроны, образующие вместе с отраженными электронами встречный поток, в котором число электронов иногда в несколько раз превышает число электронов первичного потока, направленного на поверхность металла. Это явление носит название вторичной электронной эмиссии. Аналогичное вышибание электронов (вторичная эмиссия) наблюдается также при бомбардировке электронами диэлектриков, например стекла.
Максимум вторичной электронной эмиссии из металлов имеет место в том случае, когда электроны, бомбардирующие поверхность металла, имеют скорость порядка 0,04 скорости света (такую скорость электроны приобретают, пробегая падение потенциала в несколько сотен вольт). При дальнейшем увеличении скорости электронов, бомбардирующих поверхность металла, число вышибаемых электронов уменьшается.
Величину вторичной эмиссии характеризуют коэффициентом представляющим собой отношение числа вышибленных и отраженных электронов к числу первичных электронов. Для большинства металлов вторичная электронная эмиссия не очень велика, для хорошо обезгаженных металлов адсорбированный газ увеличивает вторичную эмиссию до (рис. 207).
Рис. 207, Характерная для металлов зависимость вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов
Рис. 208. Зависимость вторичной эмиссии от энергии первичных электронов для кислородно-цезиевого катода и активированного кислородом серебряно-магниевого катода.
У некоторых полупроводников и диэлектриков вторичная электронная эмиссия больше, чем у металлов (зависимость же ее от энергии первичных электронов приблизительно такая же, как и у металлов). Для германия (с примесью таллия) для стекла и слюды а для кристаллов галоидных соединений щелочных металлов и ряда других)
Особенно большую величину вторичная эмиссия имеет для кислородно-цезиевых и аналогичных им катодов, применяемых в фотоэлементах; в этом случае (рис. 208).
Тонкие пленки некоторых полупроводников на металле иногда дают аномально большую вторичную электронную эмиссию. Впервые это было установлено в 1936 г. Молтером для пленки окиси алюминия, обработанной в парах цезия. Коэффициент 6 вторичной электронной эмиссии оказался достигающим значения
нескольких тысяч. Позже были исследованы случаи аномально большой вторичной электронной эмиссии для пленок хлористого калия, окиси магния и др. Эти опыты подтвердили, что коэффициент при небольшой толщине активированных пленок полупроводника может иметь (неустойчиво) значения сотен и тысяч. По-видимому, здесь происходит следующее. Вследствие вторичной эмиссии сначала небольшого числа электронов, которое соответствует нормальным величинам коэффициента внешняя поверхность полупроводниковой пленки заряжается положительно до потенциала по отношению к металлу под пленкой в несколько десятков вольт. Поскольку толщина пленки мала, (порядка см), это создает в пленке электрическое поле большой напряженности (несколько? миллионов вольт на сантиметр). Такое поле является достаточным, чтобы вызвать автоэлектронную эмиссию (стр. 222) из металла, на который нанесена полупроводниковая пленка. Ток этой эмиссии в итоге и сказывается в аномальном увеличении
Рис. 209, Схема электронного умножителя,
Явление вторичной эмиссии использовано в устройстве электронного умножителя — прибора, предназначенного для многократного усиления электронных потоков, в частности для усиления слабых фототоков. Схема электронного умножителя фототока показана на рис. 209. На этом рисунке цифрами обозначены электроды. Лучи света, фокусируемые линзой, падая на электрод О, вырывают из него вследствие фотоэффекта электроны, которые, приобретая ускорение в электрическом поле, бомбардируют фотокатод 1 и вышибают из него в 8 раз большее число электронов вторичной эмиссии. Эти электроны, приобретая ускорение в электрическом поле, бомбардируют электрод свою очередь вышибают из него электроны вторичной эмиссии в количестве, которое в раз превышает число первичных фотоэлектронов. Последний электрод, служащий анодом, называют коллектором. Если это по счету электрод, то умножитель усиливает фототок до величины по закону
Такое усиление может быть получено только в том случае, если все электроны вторичной эмиссии направлены на следующий
электрод (сфокусированы на нем). Для управления с указанной целью траекториями электронов применяют электрическое поле или магнитное, или же оба поля совместно.
Промежуточные электроды (на рис 209 электроды 1—6), называемые эмиттерами, должны удовлетворять иным требованиям, чем фотокатод (сохранять высокие значения коэффициента при повышенной плотности тока, при разогреве, не изменять свойств при длительной бомбардировке электронами и т. п.). Этим требованиям лучше всего удовлетворяют кислородно-магниевые, сурьмяно-цезиевые и медно-бериллиевые эмиттеры; способы их изготовления были установлены в итоге очень большого числа опытов.
Рис. 210. Схема электронного умножителя Кубецкого.
Начиная с 1934 г. рядом исследователей (Л. А. Кубецким, В. К. Зворыкиным и др.) были сконструированы электронные умножители различных систем. На рис. 210 представлена схема прибора, сконструированного Кубецким. Электродам здесь придана форма колец; между соседними кольцами накладывается разность потенциалов около 200 в; поперечное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, искривляет траектории электронов так, что электроны, вышибленные из кольца, попадают на соседнее кольцо. Зворыкину удалось найти для эмиттеров такую форму (в виде ковшей-полуцилиндров, рис. 211), при которой потоки электронов, испускаемых фотокатодом, и вторичных электронов правильно фокусируются: пучок электронов в умножителе в каждом каскаде все более сжимается. При указанной форме эмиттеров только в последних каскадах умножителя сказывается влияние пространственного заряда, нарушающего сжатие пучка.
Такая же форма эмиттеров принята и в некоторых наших отечественных фотоэлектронных умножителях, например (рис. 212). В этом -каскадном приборе эмиттеры изготовлены из никеля с сурьмяно-цезиевым слоем. На каждый каскад подается рабочее напряжение в 50—75 в (общее рабочее напряжение 650—950 в). Предельный ток, не вызывающий заметного нарушения параметров прибора («утомления» эмиттеров в последних каскадах), равен,
по измерению в анодной цепи, приблизительно Интегральная чувствительность достигает
В фотоумножителях ВЭИ (тоже -каскадных) применены кислородно-магниевые эмиттеры. Это позволяет доводить выходной ток до (причем сохраняется линейность световой характеристики), а при меньших токах обеспечивает большой срок службы фотоумножителя: порядка часов.
Фотоэлектронные умножители дают усиление первоначального фототока в сотни тысяч и миллионы раз. Один такой прибор, напоминающий по внешнему виду радиолампу, нередко заменяет многокаскадный ламповый усилитель (например, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре без других усилительных устройств может возбуждать громкоговоритель мощностью 3 вт).
Рис. 211. Схема электронного умножителя Зворыкина ФК - фотокатод, Э - эмиттеры, А — анод.
Рис. 212. Схема и вид ФЭУ-17. 1 - фотокатод, 2 — эмиттеры, 3 — анод.
Применяются и однокаскадные фотоумножители (например, имеющие чувствительность они более чувствительны и более удобны, чем газонаполненные фотоэлементы.
В металле всегда имеется некоторое количество свободных электронов, обладающих повышенной кинетической энергией и потому способных вылететь за его пределы. Затем вылетевшие электроны будут вновь втянуты в металл (см. § 87), но на их место вырвутся другие свободные электроны. Между электронами, вылетающими из металла и влетающими в него, устанавливается подвижное равновесие, в результате которого над поверхностью металла образуется своеобразное электронное облако. Испускание электронов металлом называется электронной эмиссией. Это явление отчасти подобно испарению жидкости.
При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо. Для повышения ее интенсивности следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (порядка ), способной вырывать электроны из металла (холодная эмиссия). Такая эмиссия используется, например, в электронных микропроекторах (см. § 102). Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости. Каждый из бомбардирующих электронов может вырвать из металла несколько новых электронов (вторичная эмиссия). -третьих, интенсивным освещением поверхности отрицательно заряженного металла (фотоэмиссия). На фотоэмиссии основано явление внешнего фотоэффекта и устройство вакуумного фотоэлемента (см. § 136). -четвертых, нагреванием металла. Эмиссия электронов, обусловленная нагреванием металла, называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия как источник интенсивных электронных потоков (лучей, токов) широко
используется во многих электронно-вакуумных приборах: электронных осциллографах (см. § 102), электронных микроскопах (см. § 102), рентгеновских трубках (см. § 125), электронных лампах и т. д.
С основными закономерностями термоэлектронной эмиссии мы познакомимся при рассмотрении принципа устройства и действия электронной лампы. Простейшими электронными лампами являются трехэлектродная лампа — триод (рис. 184) и двухэлектродная лампа — диод. Триод состоит из стеклянного баллона 4, внутри которого соосно укреплены три металлических электрода: тонкая нить 1 (катод или накал), тонкостенный цилиндр 2 (анод) и помещенная между ними редкая «спираль» 3 (сетка). Воздух из баллона откачан. Диод отличается от триода только отсутствием сетки. На электротехнических схемах электронные лампы изображаются так, как показано на рис. 185 (а — триод, б - диод).
Принцип действия электронной лампы рассмотрим сначала на примере диода. Включим диод в электрическую цепь, схематически изображенную на рис. 186 (Бп - батарея накала, анодная батарея). Вокруг катода, разогреваемого током накала образуется электронное облако. Под действием электрического поля, создаваемого анодным напряжением (приложенным между катодом и анодом), электроны из этого облака устремятся к аноду и создадут в цепи анодный ток (анодное напряжение измеряется вольтметром V, анодный ток — амперметром А).
Очевидно, что анодный ток можно усиливать, повышая анодное напряжение (с помощью потенциометра так как при этом будет возрастать скорость движения электронов в лампе. Однако возможности этого способа усиления тока ограничены. При некотором значении напряжения сила анодного тока достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении напряжения останется постоянной, равной Это явление называется насыщенным, а ток током насыщения. Насыщение обусловлено тем, что все электроны, испускаемые за некоторый промежуток времени катодом, достигают анода за этот же промежуток времени.
При токе насыщения электронное облако полностью рассасывается. Описанная зависимость анодного тока от напряжения графически изображена на рис. 187. Аналитически эта зависимость (для участка кривой при условии выражается формулой Лэнгмюра — Богуславского
где В — коэффициент, зависящий от формы, размеров и взаимного расположения электродов.
Чтобы повысить ток насыщения, необходимо увеличить число электронов, испускаемых катодом в единицу времени. Для этого следует повысить температуру катода, увеличив ток накала. Кривая 2 на рис. 187 относится к более высокой температуре, чем кривая 1. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается теоретической формулой Ричардсона
где площадь катода, абсолютная температура катода, А — работа выхода электронов из катода, основание натуральных логарифмов, постоянная Больцмана, С — эмиссионная постоянная, теоретическое значение которой одинаково для всех металлов и равно
График (рис. 188), построенный на основании формулы (24), показывает, что (при высоких температурах) ток насыщения резко возрастает с повышением температуры.
Подчеркнем, что ток через электронную лампу может идти только в одном направлении, т. е. только в том случае, когда анод соединен с положительным, а катод — с отрицательным полюсами анодной батареи (см. рис. 186). Если анод соединить с отрицательным полюсом батареи, то испускаемые катодом электроны отталкиваются анодом и возвращаются на катод; тока в цепи не будет — лампа «заперта». Таким образом, электронная лампа обладает односторонней (вентильной) проводимостью. На этом основано применение лампы в качестве выпрямителя переменного тока. Предназначенные для этой цели диоды называются кенотронами.
Одна из возможных схем кенотронного выпрямителя изображена на рис. 189. Являющийся обычно синусоидальным (см. § 106), переменный ток периода подается в первичную обмотку трансформатора Во вторичной обмотке возбуждается ток такого же периода. График этого тока представлен на рис. сила тока, время). Цепь вторичной обмотки трансформатора состоит из двух контуров 1421 и 3423. Крайние точки вторичной обмотки 1 и 3 попеременно, через каждый полупериод, приобретают положительный потенциал. Поэтому лампы будут «запираться» и «открываться» попеременно через каждый полупериод.
В результате на участках возникают токи противоположных направлений. Эти токи являются пульсирующими, имеющими полупериодные перерывы (рис. и в). На участке же ток идет все время и притом в одном направлении (используются оба полупериода). График этого выпрямленного тока представлен на рис. Описанный выпрямитель называется двухполупериодным. Каждый из контуров в отдельности представляет собой однополупериодный выпрямитель.
Рассмотрим теперь действие триода. Анодным током триода можно управлять посредством сетки, изменяя напряжение между сеткой и катодом (при неизменных анодном напряжении и токе накала). Для этого триод включается в цепь по схеме, изображенной на рис. 191. Сеточное напряжение создает между катодом и сеткой
дополнительное электрическое поле, которое, накладываясь на основное поле (между анодом и катодом), будет ускорять или замедлять (в зависимости от знака заряда на сетке) движение электронов, испускаемых катодом, т. е. увеличивать или уменьшать анодный ток
В связи с тем что сетка расположена близко к катоду (ближе, чем анод), влияние сеточного напряжения на анодный ток преобладает над влиянием анодного напряжения Поэтому незначительное изменение сеточного напряжения вызывает значительное изменение анодного тока. При достаточно большом отрицательном заряде на сетке ее электрическое поле может оказаться сильнее анодного поля. В этом случае электроны, испускаемые катодом, не смогут попасть на анод и анодный ток прекратится (сетка «запирает» лампу).
График зависимости анодного тока от сеточного напряжения, называемый сеточной характеристикой лампы, представлен на рис. 192. Ордината верхнего конца характеристики соответствует току насыщения. Отрицательная абсцисса соответствует сеточному напряжению, запирающему лампу. Средняя часть характеристики относится к диапазону анодных токов, соответствующих нормальной работе лампы (рабочая часть характеристики). В этом диапазоне изменение анодного тока связано с изменением сеточного напряжения приблизительно линейно. Чем больше крутизна рабочей части характеристики, тем резче возрастает анодный ток при повышении сеточного напряжения.
Одним из важных применений триода является использование его в качестве усилителя слабых колебаний тока и напряжения. Принципиальная схема такого усилителя была дана на рис. 191. Если сеточное напряжение и сеточный ток претерпевают слабые колебания, то анодный ток будет совершать синхронные (одновременные) колебания такого же характера, но значительно усиленные (по амплитуде). Эти колебания можно еще раз усилить, подавая их на сетку второй лампы, затем на сетку третьей лампы и т. д. (многоступенчатое усиление). На рис. 193 изображены сильные колебания анодного тока воспроизводящие слабые колебания сеточного тока (по оси абсцисс отложено время
Другое важное применение триода — генерирование электромагнитных волн будет рассмотрено в § 112.
Эмиссионные явления и их применение
1. Термоэлектронная эмиссия — это 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 по мощью 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. 152, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи БЛ) 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 Iа от анодного напряжения Uа — вольт-амперную характеристику (рис. 153), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока / от анодного напряжения в области малых положительных значений U описывается законом трех вторых (установлен 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 IM, называемого 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 А — работа выхода электронов из катода, Т -— термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1—1,5 эВ.
На рис. 153 представлены вольт-амперные характеристики для двух температур катода: T1и T2причем Т2 > Т1.С повышением температуры катода испускание электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При Uа=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, генерирования электромагнитных колебаний и т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.
2. Фотоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновcкого). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.
3. Вторичная электронная эмиссия — это 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 металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами.
Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:
Коэффициент dзависит от природы материала поверхности, энергии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность. У полупроводников и диэлектриков dбольше, 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. 154 приведена качественная зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии dот энергии Епадающих электронов для KCl. С увеличением энергии электронов dвозрастает, так как первичные электроны все глубже проникают в кристаллическую решетку и, следовательно, выбивают больше вторичных электронов. Однако при некоторой энергии первичных электронов dначинает уменьшаться. Это связано с тем, что с увеличением глубины проникновения первичных электронов вторичным все труднее вырваться на поверхность. Значение dmax для КCl 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 представляет собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов — эмиттеров (рис. 155). Электроны, вырванные из фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э1 пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э1. Из эмиттера Э1 выбивается dэлектронов. Усиленный таким образом электронный поток направляется на эмиттер Э2, и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Если ФЭУ содержит nэмиттеров, то на аноде А, называемом коллектором, получается усиленный в d n раз фотоэлектронный ток.
4. Автоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов с 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 10 3 В получать электрические поля напряженностью примерно 10 7 В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 105 ¸ 10 б 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.
Читайте также: