Виды эмиссий

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Электроны -- элементарные материальные частицы, являющиеся носителями отрицательного электрического заряда.

Связанными называют электроны, входящие в состав электронных оболочек атомов вещества.

Полусвободными условимся называть электроны, перемещающиеся внутри твердого или жидкого вещества, не входящие в состав электронных оболочек атомов. Иногда такие электроны называют свободными.

Свободными называют электроны, не входящие в состав  электронных  оболочек атомов,  перемещающиеся  в газовой среде  или в глубоком вакууме.

Электронной эмиссией называют процесс выделения свободных электронов с поверхности твердого или жидкого вещества.

Катодом электровакуумного или газоразрядного (ионного) прибора называют электрод, основным назначением которого является , эмиссия электронов.

В твердом веществе при температуре 0° К энергия электронов не может быть равна нулю, так как все связанные электроны атомов вещества, находясь на самых низких возможных для данного вещества энергетических уровнях, продолжают вращаться по соответствующим орбитам вокруг ядер атомов.

Наибольшая возможная энергия электронов при 0° К

                      (1)

соответствует, как известно, энергии уровня Ферми,¹

  где h -- постоянная Планка;

       п -- количество   полусвободных   электронов   в   1 см¹  металла;

      т₀ -- масса электрона.

Энергия Wi составляет около 1 эв для щелочноземельных металлов и достигает 10 эв для вольфрама и платины.

Однако этой энергии недостаточно для выхода электронов с поверхности вещества, т. е. для электронной эмиссии.

С повышением температуры или при каком-либо внешнем энергетическом воздействии энергия полусвободных электронов может быть увеличена до величины W_{a  ,} достаточной для выхода электронов. Как известно, металлы характеризуются отсутствием запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому при комнатной температуре валентные электроны частично уходят в зону проводимости, а в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы атомов. Заряды полусвободных электронов, находящихся в зоне проводимости, внутри металла нейтрализуют положительные заряды ионов, но у поверхности металла появляются силы поверхностного притяжения, препятствующие выходу полусвободных электронов в вакуум.

……………………………………………………………………………………       

¹ Уровнем Ферми называют энергетический уровень, вероятность нахождения электронов на котором равна ¹/₂. 

Для преодоления этих сил и для выхода за пределы катода полусвободный электрон должен получить извне дополнительную энергию 

      W₀=W_a-W_i                             (2)

      

называемую работой выхода электрона. Потенциал работы выхода 

                                  (3)

где q -- заряд электрона.

Для вольфрама W₀ = 4,6 эв, для бария W₀ = 2,58 эв, для цезия W ₀ = 1,87эв.

В зависимости от вида внешнего воздействия, необходимого для освобождения электронов, различают пять видов электронной эмиссии: термоэлектронная, фотоэлектронная, электростатическая, вторичная и эмиссия, возникающая в результате воздействия на поверхность катода тяжелых частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

      

      Термоэлектронная эмиссия возникает при нагревании катода и вызвана увеличением энергии полусвободных электронов под действием фононов тепловой энергии.

Ток термоэлектронной эмиссии определяется количеством электронов, W найден аналитически по формуле Ричардсона

                                  (4)

где S_H -- площадь излучающей поверхности катода, см²;                    '

А -- эмиссионная  постоянная, ; для  различных   металлов

         А = 55 ÷ 330;

Т -- абсолютная температура по шкале Кельвина;

2100÷52 400 -- температурный     эквивалент     работы выхода;

к -- постоянная Больцмана;

е -- основание натурального логарифма.

Зависимость тока эмиссии от температуры для вольфрамового катода показана на рис. 1-1. Как видно из графика, для вольфрамовых термокатодов следует выбирать температуру 2400--2600° К, так как при температурах ниже 2400° К ток эмиссии становится ничтожно малым, а при температурах свыше 2600° К резко сокращается срок службы катода. 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) -- явление испускания фотокатодом электронов под действием лучистой энергии --

была открыта в 1887 г. Г. Герцем и исследована  в  1888 г. А. Г. Столетовым.

Первый     закон      фотоэффекта     (закон А. Г. Столетова):

      1_Ф = КФ,                      (5)

где i_ф -- ток фотоэлектронной эмиссии;

К -- интегральная чувствительность фотоэлемента;

Ф -- световой поток, лм.

Энергия фотона

                         (6)

где v -- частота   электромагнитного   (светового) излучения.

Фотоэлектронная эмиссия возможна лишь в том случае, когда энергия фотона Wф > W₀.

Второй закон фотоэффекта установлен в 1905 г. А. Эйнштейном:                                                             

                                                           (7)

Из закона следует, что кинетическая энергия электрона, освобожденного с поверхности фотокатода, зависит только от частоты светового потока v и работы выходу W_o и не зависит от интенсивности светового излучения.

Следовательно, для каждого материала  фотокатода  существует граничная (пороговая) частота

                                                                         (8)

при которой начинается фотоэлектронная эмиссия. Из соотношения (8) следует, что чем больше работа выхода электронов W_Q, тем выше граничная (пороговая) частота v_rP, при которой начинается фотоэлектронная эмиссия.

Для лития, натрия, калия, цезия, рубидия граничная частота находится в видимой части спектра; для металлов с большей работой

выхода (вольфрам, платина) граничная частота находится выше видимого участка спектра, в области ультрафиолетовых излучений.

Следовательно, в качестве фотокатодов следует применять материалы с возможно меньшей работой выхода. Наибольшее распространение получили кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый фотокатоды. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия возникает в результате воздействия на поверхность катода сильного электрического поля при условии, что напряженность электрического поля Е достаточна, чтобы обеспечить неравенство

                                                                           (9)

где F = qE -- сила,   действующая   на   электрон   в   электрическом

поле;

е -- диэлектрическая постоянная.

Ток электростатической эмиссии

               (10) 
 

где  S -- площадь электростатического катода, см²;

       -- константы электростатической эмиссии;

         а/в;

      

Е - напряженность электрического поля у катода;

-- потенциал работы выхода;

е -- основание натурального логарифма.

Расчеты показывают, что ток электростатической эмиссии становится значительным при Е 10⁸ в/м.

Формула (10) по своей структуре сходна с уравнением Ричардсона (4), поэтому характер зависимости Г_е = / (Е) тот же, что для термоэлектронной эмиссии.

Электростатическая эмиссия находит применение в газоразрядных приборах с жидким ртутным катодом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вторичная электронная эмиссия появляется в результате воздействия на поверхность эмиттера или динода (катода, являющегося источником вторичной электронной эмиссии) летящих с большой скоростью первичных электронов, получивших достаточное ускорение электрическим полем.

Коэффициент вторичной электронной эмиссии

                                                                            (11)

показывает, во сколько раз ток вторичной эмиссии i₂ больше тока i_u вызванного первичными электронами, бомбардирующими поверхность эмиттера.

Коэффициент вторичной электронной эмиссии зависит от материала эмиттера, угла падения первичных электронов, от концентрации полусвободных электронов в эмиттере и от энергии первичных электронов. Кривая = / (W), показанная на рис. 1-2, имеет максимум при W = 700 эв. С увеличением энергии первичных электронов увеличивается глубина их проникновения в эмиттер, поэтому выход вторичных электронов затруднен. Наиболее благоприятными углами падения первичных электронов, отсчитанных от нормали к поверхности эмиттера, являются углы 60--70°, так как при этом условии глубина проникновения первичных электронов в эмиттер остается

неизменной, и путь вторичных электронов из глубины эмиттера к поверхности уменьшается. Полупроводниковые эмиттеры (диноды) имеют значительно больший коэффициент вторичной электронной эмиссии ( 12) по сравнению с металлическими, так как концентрация полусвободных электронов в полупроводнике меньше, чем в металле, и вторичные электроны на пути к   поверхности диода   испытывают меньше столкновений с полусвободными электронами, чем в металлическом эмиттере.

Практически вторичная электронная эмиссия применяется в фотоэлектронных умножителях для усиления слабых первичных фототоков.

Для получения большого коэффициента вторичной электронной эмиссии применяют медно-серно-цезиевые, кислородно-магниевые или сурьмяно-цезиевые эмиттеры (диноды). 
 
 
 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эмиссия в результате воздействия тяжелых частиц (эмиссия под ударами тяжелых частиц) возникает в результате бомбардировки поверхности катода заряженными или электрически нейтральными частицами, обладающими большей по сравнению с электронами массой. Чаще всего такими тяжелыми частицами являются положительные ионы газа.

Ударяясь о поверхность катода, и отдавая свою кинетическую энергию полусвободным электронам, положительный заряд нейтрализуется зарядом одного из полусвободных электронов. Поэтому для получения электронной эмиссии под ударами тяжелых частиц нужно, чтобы положительный ион обладал энергией, достаточной для выхода из катода по крайней мере двух электронов, т. е. энергия частицы W 2W₀.

При высоких напряженностях электрического поля вблизи катода энергия положительных ионов может не только вызвать эмиссию,

но и разрушить катод, распыляя атомы катода в окружающее пространство. Поэтому максимально допустимая кинетическая энергия тяжелых частиц не должна превышать 60 эВ.

Практическое применение эмиссия под ударами тяжелых частиц находит в газоразрядных приборах с холодным катодом -- в приборах темного и тлеющего разрядов.