Электронная эмиссия. Катоды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Содержание

1. Условия выхода электронов из твердого тела

2. Термоэлектронная эмиссия

3. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия, взрывная эмиссия

4. Фотоэлектронная эмиссия

5. Вторичная электронная, ионно-электронная эмиссия

6. Катоды Классификация. Основные виды катодов

7. Применение катодов

Литература

1. Условия выхода электронов из твердого тела

Электронная эмиссия - процесс испускания электронов каким либо телом.

Эмиссия происходит в том случае, когда энергия W электрона, движущегося внутри тела, достаточна для преодоления сил, препятствующих выходу наружу.

Известно, что в твердом теле электроны могут занимать фиксированные энергетические уровни, расположение которых различно для металлов, полупроводников и диэлектриков. Распределение электронов по энергиям в металле подчиняется статистике Ферми- Дирака. Согласно последней, число электронов, имеющих энергию в интервале от W до W+dW, будет[7]:

n(W)dW = , (1)

где V - объем металла;

m = 9,1•10-31 кг - масса электрона;

h = 6,53•10-34 Дж•с - постоянная Планка;

Wi - уровень Ферми(энергия електрона, находящегося на уровне Ферми);

k = 1,38•10-23 Дж/К - постоянная Больцмана;

T - температура, К.

График функции (1) при различных температурах приведен на рисунке 1

электрон эмиссия катод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1

При температуре Т = 0 значения энергий электронов лежат в пределах от 0 до некоторого максимального значения, равного Wi. При этом все уровни, лежащие ниже уровня Ферми, заполнены(вероятность заполнения уровня равна 1), а уровни, лежащие выше - пусты( вероятность заполнения равна 0). Уровень Ферми заполнен електронами с вероятностью Ѕ. По мере повышения температуры часть электронов с заполненных уровней, непосредственно примыкающих к уровню Wi, переходит на более высокие уровни, т.е. вероятность заполнения этих уровней возрастает( Рис.1, график Т1>0). При дальнейшем повышении температуры все больше электронов приобретает энергию, превышающую Wi(Рис. 1, график Т2>Т1), причем часть наиболее быстрых электронов имеет энергию, превышающую Wa. Величиной Wa мы обозначим ту самую энергию, которая необходима электрону для преодоления сил, противодействующих его выходу наружу из твердого тела.

Электрон, движущийся внутри твердого тела, ограничен в своем перемещении размерами этого тела. Из-за взаимодействия с полем кристаллической решетки (образованной ионами), он находится в потенциальной «яме», и, приближаясь к границе тела, встречает потенциальный барьер, обусловленный следующими факторами[8]`:

- полем двойного электрического слоя, образованного облаком быстрых электронов, постоянно выскакивающих за пределы твердого тела на расстояние порядка периода кристаллической решетки акр, и слоем положительных ионов, образующим границу этого тела;

- полем «зеркального отображения», возникающим за счет кулоновского взаимодействия электрона и поверхности твердого тела при удалении от этой поверхности на расстояние более 2-3 акр.

Величина потенциального барьера Wa равна работе, совершаемой электроном против сил вышеупомянутых электрических полей при выходе в вакуум, и называется полной работой выхода . При этом отсчет ведется от уровня дна потенциальной ямы, т.е. от самого нижнего электронного уровня(0 по оси W, рис. 1). Однако, даже при абсолютном нуле температуры энергия электронов на наивысшем уровне равна Wi(именно эти электроны способны при малейшем нагреве перемещаться на более высокие уровни т.е. увеличивать свою энергию). Поэтому для оценки энергии, которую достаточно передать электронам, чтобы их энергия превышала Wa, вводится величина We ( эффективная или просто работа выхода ):

We = Wa - Wi. (2)

Характерные значения We в эВ: 4,54(вольфрам), 2,29(барий), 5,03(никель), 4,36(железо), 3,41(торий). Величина энергии Ферми лежит в пределах 1-10 эВ.

2. Термоэлектронная эмиссия

Нагрев металла до высоких температур приводит к повышению энергии электронов внутри твердого тела, причем для электронов с энергией W>Wa (т.е способных выйти наружу) справедливо соотношение

>>1. (3)

Распределение по энергиям таких электронов сводится к распределению Максвелла-Больцмана (подставляем (3) в (1) и пренебрегаем единицей в знаменателе):

n(W)dW = C•W1/2• •dW, (4)

где С - некоторая постоянная .

Соотношение (4) позволяет после некоторых преобразований получить выражение для плотности тока термоэлектронной эмиссии(формула Ричардсона-Дешмана):

JТ = D• А0•А1 •T2•, (5)

где D - проницаемость потенциального барьера на границе металл-вакуум(согласно квантовомеханическим представлениям существует вероятность отражения электрона от барьера ), D = 0,94 -0,97;

А0- постоянная, равная 120•104 А/(м2•К2);

А1 - коэффициент, учитывающий изменение Wi при нагревании, «пятнистость»(т.е. поверхностную неравномерность эмиссии) эмиттера и другие факторы, А1 = 0,2-0,7 для металлов, 0,9 -1,3 для пленочных и сложных катодов.

Внешнее ускоряющее поле, приложенное к эмиттеру, уменьшает работу выхода(снижается высота потенциального барьера). Это явление называется эффектом Шоттки и приводит к возрастанию плотности тока термоэмиссии:

JТЕ = JТ· , (6)

где Е - напряженность внешнего поля(В/м);

JТ - плотность тока термоэлектронной эмиссии.

3. Электростатическая (автоэлектронная, полевая) эмиссия, взрывная эмиссия

Эмиссия электронов, вызванная приложенным к катоду сильным электрическим полем, называется электростатической. Внешнее электрическое поле изменяет форму потенциального барьера на границе твердое тело-вакуум: уменьшается его высота и ширина(рисунок 2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1- в отсутствие поля, 2 - под воздействием поля

Рисунок 2 - Изменение потенциального барьера под действием внешнего поля

Работа выхода в сильном электрическом поле уменьшается с Wa-Wi до Wa1-Wi. Исходя из классических представлений, при Т = 0 эмиссия должна появиться, когда Wa1-Wi = 0(что соответствует Е порядка 1010 В/м). Однако, экспериментальные исследования обнаружили эмиссию в электростатическом поле с Е в пределах 108 - 109 В/м. Причиной является туннельный эффект: вероятность проникновения электрона с энергией Wi сквозь барьер увеличивается с уменьшением шириныX2-X1 и высоты барьера (рис.2) и становится достаточной для появления значительных потоков электронов. Если поверхность твердого тела имеет шероховатости, электрическое поле возле них возрастает и эмиссия еще больше усиливается.

Туннельный эффект - чисто квантовомеханическое явление, а электростатическая эмиссия, являясь следствием туннельного эффекта, экспериментально подтверждает справедливость квантовой теории. Плотность тока электростатической эмиссии определяется выражением(формула Фаулера - Нордгейма):

JE = 1,55•10-6··, (7)

где - функция относительного снижения высоты потенциального барьера[8], =1 если снижения нет, = 0 если нет барьера(т.е. We = 0), конкретное значение зависит от типа эмиттера.

Если электростатическая эмиссия сопутствует термоэлектронной, используется эмпирическая формула

J = a (T +bE)2 ·, (8)

где a,b,c - постоянные, зависящие от характеристик эмиттера.

При очень больших электрических полях(Е>1010-1011 В/м) электростатическая эмиссия переходит во взрывную[7]. Катод перегружается собственным эмиссионным током, материал катода частично расплавляется и испаряется. Происходит тепловое разрушение, носящее взрывообразный характер, температура возрастает, образуется плазма, замыкающая разрядный промежуток. При этом форма катода и его эмиссионные параметры изменяются. Взрывная эмиссия позволяет достичь плотности тока 107 А/см2 при общем токе до 50 кА в импульсе, однако воспроизводимость параметров эмиссии невысокая.

4. Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия осуществляется за счет энергии квантов электромагнитного излучения, падающего на поверхность катода. Ток фотоэмиссии зависит от параметров падающего излучения: его интенсивности и облучаемой площади, определяющей общий поток излучения Ф, а также частоты излучения н, характеризующей способность кванта «выбивать» электроны.

В соответствии с законом Столетова фототок Iф пропорционален Ф:

Iф = к Ф, (9)

где к - чувствительность фотокатода.

Закон Эйнштейна определяет, как преобразуется энергия кванта излучения при его поглощении электроном в твердом теле в случае фотоэмиссии:

hн = We + , (10)

где m, - масса и скорость электрона после выхода из катода. В соответствии с (10) минимальная энергия кванта Wкр, способного вызвать фотоэмиссию, равна работе выхода We(при Т =0). Эта энергия определяет так называемую красную границу фотоэффекта(нкр = We/h - минимальная частота).

Энергия падающих квантов излучения может поглощаться катодом и без эмиссии электронов. Для оценки эффективности катода вводится величина квантового выхода з, равная отношению числа эмитированных электронов к числу поглощенных фотонов.

5. Вторичная электронная , ионно-электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия - выход электронов из материала под действием облучения его первичными электронами. Важнейшим параметром вторичной электронной эмиссии является коэффициент вторичной эмиссии Sэ, равный отношению числа вторичных электронов к числу первичных электронов(падающих на эмиттер). Sэ зависит от материала эмиттера, энергии первичных электронов W = eUперв (рис.3), угла падения. Максимальное значение(от единиц до нескольких десятков) Sэ достигает при U перв = Uопт (400 - 500 В для металлов и 800 - 1000 В для сложных эмиттеров)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов

Зависимость Sэ (Uперв) имеет явно выраженный максимум. Рост Sэ на участке Uперв < Uопт обусловлен тем, что увеличивается энергия, передаваемая вторичным электронам при каждом падении первичного. Одновременно возрастает и глубина проникновения первичного электрона и, следовательно, путь вторичного электрона к поверхности. На этом пути вторичный электрон , сталкиваясь с кристаллической решеткой, другими электронами, теряет энергию. Потери энергии нарастают более быстрым темпом, чем рост Uперв, и становятся доминирующим фактором в динамике Sэ, приводя к его уменьшению(Uперв > Uопт).

Ионно-электронная эмиссия обусловлена воздействием на эмиттер ускоренных ионов. Коэффициент ионно-электронной эмиссии г зависит от типа эмиттера, сорта ионов и их энергии.

6. Катоды Классификация. Основные виды катодов

Катоды для ионных лазеров (алюмосиликат Ва с вольфрамом)

Катоды из монокристаллического гексаборида лантана

Импрегнированный микрокатод

Катодом называют эмиттер электронов, являющийся электрически отрицательным по отношению к другим электродам прибора. Предназначение катода - создавать исходный поток электронов.

Классификация. По способу нагрева катоды делятся на холодные(автоэмиссионные, фотоэмиссионные) и термокатоды, Последние, в свою очередь, бывают прямонакальными и подогревными(косвенного накала). При нагреве прямонакального катода ток накала Iн протекает непосредственно по телу катода, питание цепи накала осуществляется, как правило, постоянным током. У подогревных катодов подогреватель изолирован от эмитирующей поверхности и питается переменным током. Прямонакальные катоды обладают малой инерционностью, недостатком является неравномерность эмиссии из-за падения потенциала вдоль катода. Косвенный накал подогревных катодов приводит к большей инерционности, но позволяет использовать различные материалы эмиттера, обладает равномерной эмиссией.

По материалу и структуре активного слоя катоды делятся на:

- металлические(W, Ta, Re, Nb и их сплавы);

- пленочные: основа(керн) катода делается из вольфрама, на нее наносится тонкая(в идеале моноатомная) пленка Cs, Th, Ba (путем конденсации извне, диффузии изнутри );

- толстослойные(полупроводниковые, оксидные): на вольфрамовый или никелевый керн, на который наносится относительно толстый слой смеси оксидов Ba, Sr, Th, Ca. Во время работы катода за счет электролиза и термической диссоциации оксиды частично разлагаются, атомы Ва равномерно распределяются по оксиду, превращая его в полупроводник с работой выхода 1,1-1,2 эВ. Это позволяет снизить рабочую температуру, увеличить эффективность и срок службы.

- сложные, в том числе: синтерированный(слой полупроводника, металлизированный за счет использования в оксидном катоде проволоки, сетки, порошка), импрегнированный или пропитанный(металлическая губка, пропитанная оксидами или карбонатами щелочноземельных металлов), спеченный(прессованные спеченные смеси из порошков оксидов, металлов, тугоплавких солей.

Параметры. - плотность тока эмиссии Jэ[А/м2] изменяется в пределах от 102-104 для металлических и пленочных до 105 для импрегнированных, оксидных и 106 для сложных катодов(например L -катод). В импульсном режиме плотность тока повышается на 1-2 порядка.

- удельная мощность накала Руд, показывает эффективность использования мощности накала Pн:

Руд = Рн/Sк, (11)

где Sк - площадь эмитирующей поверхности катода.

- эффективность катода Н:

Н = Iк/Рн, (12)

где Iк - ток катода.

- срок службы- время, за которое эмиссия катода падает на 10 %.

Для примера приведем параметры распространенных катодов:

- вольфрамовый катод, обычно прямонакальный, Траб =2400-2600 К,

Jэ =1-10 А/см2, Руд = 50-100 Вт/см2, Н = 3-10 мА/Вт

Характеризуется высокой механической прочностью, низкой скоростью испарения, высокой устойчивостью эмиссии, химической стойкостью в условиях невысокого вакуума. Недостатки: малая эффективность, высокая рабочая температура;

- оксидный катод, как правило косвенного накала. Пленка оксидов ВаО, СаО, SrO в виде пористого белого покрытия нанесена на никелевый или вольфрамовый керн. Траб =950-1100 К, Jэ =20-100 А/см2, Н = 80-200 мА/Вт. Обладает высокой эмиссионной способностью, простотой конструкции. Недостатком является чувствительность к «отравлению» и ионной бомбардировке;

- L - катод(катод Лемменса), относится к группе сложных катодов. Конструктивно представляет собой цилиндр, разделенный перегородкой. С одной стороны в цилиндр вставлен подогреватель, в другую вставляется таблетка из смеси карбонатов Ba, Sr, которая после активирования превращается в смесь оксидов. Сверху таблетка закрывается пластиной из пористого вольфрама. При нагреве BaO разлагается, Ва диффундирует через поры, образуя на поверхности моноатомный слой с низкой работой выхода. Катод отличается надежностью, высокой плотностью тока, устойчивостью к «отравлениям» и ионной бомбардировке, большим сроком службы.

7. Применение катодов. Новые технологии

Катоды прямого накала предназначены для работы в ионных лазерах дугового разряда, изготавливаются прессованием из смеси порошков алюмосиликата бария-кальция и вольфрама.Рабочая температура катода без токоотбора 950 - 1150°С. Катоды сохраняют целостность конструкции при воздействии синусоидальной вибрации в диапазоне частот 10-500 Гц при ускорении 2 g.Время разогрева до 90% рабочей температуры не более 30 секунд. Минимальная наработка в режиме постоянного токоотбора состовляет 5000 часов.

Оксидные катоды широко применяются в бытовых и недорогих промышленных электровакуумных приборах(телевизорах, осциллографах ).

Катоды из монокристаллического гексаборида лантана используют для приборов электронно-зондового анализа (электронные микроскопы, оже-спектрометры, острофокусные рентгеновские трубки, прочее) и установок технологического назначения (сварки, плавки, размерной обработки, закалки, литографии и т.п.).

Кафедра порошковой металлургии Национального Технического Университета Украины - "Киевского Политехнического института" предлагает новые типы керамических катодных узлов с эмитером из монокристаллического гексаборида лантана, высококачественные, структурно совершенные, монокристаллы боридов редкоземельных металлов и композиционные, направлено армированные, керамические материалы на основе тугоплавких соединений.

Разработанная, принципиально новая, промышленная технология изготовления монокристаллов боридов редкоземельных и переходных металлов методом безтигельной зонной плавки пористых порошковых заготовок с движущимся растворителем примесей позволяет получать из порошка борида промышленной чистоты, за один проход зоны расплава, кристаллы с наперед заданной кристаллографической ориентацией, диаметром и с таким содержанием примесей, которое, по существующих технологиях, удается получить только после трехкратного прохода зоны. Повышение эффективности очистки достигнуто за счет применения, впервые в мировой практике, высокопористых порошковых заготовок и растворителя примесей, движущегося по поровым каналам заготовки и проводящего первичную очистку на уровне отдельно взятых частиц тугоплавкого материала. Лимитирующей стадией технологии, свидетельствующей о ее высокой производительности, является процесс выращивания, длительность которого, для получения кристалла длиной 180 мм и диаметром 4,7 (с точностью ±0,1 мм), не превышает 1 час. Технология позволяет за 2 месяца изготавливать до 20000 дисковых катодов диаметром 1-6 мм и высотой 1,5-3 мм, а также реализовать производство керамических катодных узлов с острийным микрокатодом из монокристаллического гексаборида лантана.

В настоящее время технология изготовления импрегнированных катодов достаточно трудоемка и связана с рядом сложных технологических операций, накладывающих ограничения на форму и размеры эмиттеров.Главным моментом в этих технологиях является изготовление пористого вольфрама. Еще более сложной является задача нанесения пористого вольфрама на подложки заданной конфигурации.

В Московском физико-техническом институте разработали метод нанесения пористого вольфрама на любые тугоплавкие подложки с помощью специальной пасты. Эта паста при комнатной температуре, обыкновенной намазкой наносится на очищенную подложку. Затем подложки с нанесенным слоем пасты спекается в печи с водородной атмосферой в течение нескольких минут при температуре 1700 оС. Эта операция превращает слой пасты в слой пористого вольфрама, который, для превращения его в эмиттер, надо только пропитать алюминатом. Далее катод зачищается от остатков алюмината и эмитирующая поверхность подвергается механической обработке. Такой технологии доступны любые формы катодов, как с косвенным накалом, так и прямонакальные.

Литература

1. Вихман Э. Берклеевский курс физики. Квантовая физика. - М.: Наука, 2001.

2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. - М.: Наука, 2003.

3. Гершензон Е.М. и др. Курс общей физики. т.т. 1-2. Механика. - М.: Академия, 2000.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1989

5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Бином, 2004.

6. Иродов И.Е. Механика. Основные законы. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

7. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

8. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 2005.

9. Китель И., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Механика. - М.: Наука, 2003.

10. Матвеев А.Н. Курс физики. т.т. 1-4. - М.: Высшая школа, 1976-1989.

11. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1983.

12. Рейф Ф. Берклеевский курс физики. Статистическая физика. - М.: Наука, 2005

Размещено на Allbest.ru