Что такое электронная эмиссия

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 следующие виды эмиссии. 1. Термоэлектронная эмиссия — 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.

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

Термоэлектронная эмиссия

• 2. Фотоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского).
• 3. Вторичная электронная эмиссия — испускание электронов металлами, полупроводниками или диэлектриками при бомбардировке их пучком электронов.

Отношение числа вторичных электронов п2 к числу первичных вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

Коэффициент 5 зависит от природы материала поверхности, энергии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность.

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

Источник: bstudy.net

Презентация на тему ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

14.1. Эмиссия электронов из проводников 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

• Главная
• Разное
• ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Лекция 14. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ

ПРОВОДНИКОВ 14.1. Эмиссия электронов из проводников 14.1.1. Термоэлектронная эмиссия 14.1.2. Холодная и

взрывная эмиссия 14.1.3. Фотоэлектронная эмиссия 14.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников

Термоэлектронная эмиссия, 1987

Слайд 214.1. Эмиссия электронов из проводников
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

Слайд 3 Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела

формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов

Слайд 4Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке

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, поэтому

Слайд 5Для 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

Слайд 614.1.1. 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.

Слайд 7Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной

эмиссией.

Слайд 8Нагрев 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. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум.

Слайд 9Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитым американским изобретателем

Эдисоном.

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.
Такая лампа называется вакуумным диодом.

Слайд 10

Слайд 11Если 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.

Слайд 12На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ)

Ia(Ua)
Uз– задерживающее напряжение при котором I = 0

насыщения, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода

Слайд 1314.1.2. Холодная и взрывная эмиссия
Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического

поля на свободные электроны в металле, называют холодной или автоэлектронной

эмиссией.
Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие
(6.1.2)
здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред.

Слайд 14 Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной

вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный

электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью.

Слайд 15Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r

и потенциалом U относительно анода равна

Слайд 16При

и

что приводит к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода.
Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U.
Катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной.
Закон Чайльда — Ленгмюра

Слайд 17Плотность тока АЭЭ равна

– коэффициент
пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода.
Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).

Слайд 18 Электронная микрофотография эмиттера с острийной поверхностью, полученного в г.

Дубне с использованием современных трековых методик. Острия – конусы высотой

6,6 мкм, диаметром 1,5 мкм. Радиус кривизны вершины 0,1 мкм. Концентрация 107 см−2

Слайд 19 Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ).

При плотности тока 108 А/см2 и большой концентрации энергии 104

Дж⋅м–1 микроострия начинают взрываться и разрушаться.
Инициируется качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде.
Ток электронов, на порядки превосходит начальный ток ААЭ – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ).
ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.

Слайд 20 ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий

получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью

тока до 109 А/см2.
Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 1011 ÷ 1012 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre»).
Время образования лавин 10−9 ÷ 10−8 с.

Слайд 21 Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков

катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии.
Прекращение

эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.

Слайд 22 Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности

катода.

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.

Слайд 23 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 1013 Вт и более при длительности импульсов 10−10 ÷ 10−6 с, токе электронов 106 А и энергии электронов 104 ÷ 107 эВ.
Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.

Слайд 2414.1.3. Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании»

электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.

Слайд 25Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны термоэмиссии. Здесь,

вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или

Слайд 26В физических приборах, регистрирующих – излучение, используют фотоэлектронные

умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке.

Слайд 27В ФЭУ 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.

Слайд 28Умножение 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.

Слайд 2914.2. Контактные явления на границе раздела двух

проводников
Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов

образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов:

Слайд 30Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из

металлов.
Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы

раздела.
Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный.

Слайд 31 Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольта (1745

– 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы

Слайд 32Законы Вольты
1. На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая

зависит от химической природы и от температуры спаев.
2. Разность потенциалов на

концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре (закон последовательных контактов Вольта).

Слайд 33Ряд Вольты.
Потенциал каждого последующего металла в

этом ряду ниже потенциала предыдущего
Опыт Вольты по

доказательству существования контактной разности потенциалов

Слайд 34Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классической электронной теории.
Если

принять, что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия

электрона внутри металла с потенциалом φi определится выражением
(14.2.1)

Слайд 35 При соединении двух разных металлов с работами выхода и

возникает избыточный переход электронов из второго металла в первый,

Слайд 36
В результате концентрация электронов n1 в металле 1 увеличивается, по

сравнению с n2, что порождает обратный избыточный поток электронного газа

за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода.

Слайд 37Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения:

Явление возникновения контактной разности

потенциалов и ее зависимость от температуры называют прямым термоэлектрическим эффектом

или эффектом Зеебека.

Слайд 38Эффект Зеебека
(прямой термоэлектрический эффект) заключается в появлении разности потенциалов

в термопарах.

Слайд 39 Электромагнит, питаемый током термоэлемента, способен удержать гирю весом в

несколько килограммов
Эффективная демонстрация термоэлектрического тока может быть осуществлена в

опыте, приведенном на рис.
Толстая U-образная медная дуга перекрывается коротким мостиком 1−2 из константана или железа. Место спая 1 разогревается

Слайд 40Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и

2, показана на рисунке.

На концах термопары возникает термоЭДС :

где Тг – температура горячего спая и Тx – температура холодного спая.

Слайд 41Таким образом – термоЭДС термопары:

Слайд 42Эффектом Пельтье
обратный термоэлектрический эффект.
Он заключается в том, что

при пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет

тепло в зависимости от направления тока.
Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока.
(6.2.4)

где П12 – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов.

Слайд 43ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР

Слайд 44ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип

действия которых основан на явлении Зеебека:
если спаи двух разнородных

металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток.

Слайд 45 Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующее термоэлектрический эффект для

измерения температуры.
В сочетании с

электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр.
Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Слайд 46

Слайд 47В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные

термоЭДС.
В результате их действия на вход измерительной системы фактически

поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения.
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

Слайд 48Основные параметры термопар промышленного типа

Слайд 49ЗАВИСИМОСТЬ ЭДС

Слайд 50ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным

способом.
Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии

измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К)

Слайд 51ВНЕШНИЙ ВИД
Миниатюрный и контактный термометр

Слайд 52ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Надежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне

температур, дешевизна, простота, удобство монтажа, возможность измерения локальной температуры, малая

Необходимость поддержания температуры холодного спая постоянной и нелинейность на некоторых участках.

Источник: theslide.ru

Что такое электронная эмиссия

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое – подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами – ион-электронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана внутренними полями – эмиссия горячих электронов. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например – термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).

Второе условие – создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела испускаемых электронов, для этого, в частности, нужно к эмиттеру подвести электроны, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки – зависимость эмиссии от внешнего поля.

В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней есть «пятна» с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие пятен. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).

Термоэлектронная эмиссия . В середине 19 в. было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух становится проводником электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. В результате проведенных опытов Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд.

Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему приписывается открытие и самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, (т.е. энергией электронов) и работой выхода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода (т.е. сроком службы).

Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов), при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для каждого вещества существует порог – минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, ниже которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Фотоэмиссия чувствительна к работе выхода поверхности. Увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), снижающих работу выхода для большинства металлов до 1,4–1,7 эв. Фотоэмиссия была открыта Густавом Герцем (1887), обнаружившим, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает пробой. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, lоказали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).

Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения.

Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности, ее открыл Р.Вуд (1897) при исследовании вакуумного разряда. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения (как при термоэлектронной эмиссии), а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем.

Автоэмиссия существенно зависит от поля и работы выхода и слабо зависит от температуры. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т.к. уходящие электроны уносят энергию, в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через «температуру инверсии», соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям.

Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10 7 А/см 2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10 9 А/см 2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом «режиме взрывной эмиссии».

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов.

Чаще всего применяемый материал – вольфрам – хорошо сорбирует газы. Это вызвало многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, однако, большое сопротивление. Предлагалось покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом, для стабильной работы современных автокатодов требуется вакуум, на один-три порядка более высокий, чем тот, который нужен для термокатодов.

Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия – напряженность электрического поля на эмиттере, которая, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, «острые» формы – выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы – пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т.п. То, что в качестве эмиттеров используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода, может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.

Вторичная электронная эмиссия (открытая Л.Остин и Г.Штарке, 1902) – испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение).

Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны). В тонких пленках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел).

Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется «коэффициентом вторичной эмиссии» (КВЭ) – отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, вероятность того, что образовавшиеся вторичные электроны могут выйти наружу, мала. В диэлектриках с малой концентрацией электронов вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.

В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щелочноземельных металлов, щелочногалоидные соединения) КВЭ > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров ( см. ниже ) КВЭ >> 1, у металлов и полупроводников обычно КВЭ 5 –10 6 в/см) приводит к увеличению КВЭ до 50–100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации КВЭ начинает зависеть от пористости слоя – наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электроны, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с КВЭ > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.

Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии КВЭ в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый энергией, при которой КВЭ = 1, максимальной величиной КВЭ и энергией первичных электронов, когда КВЭ достигает максимума.

Ион-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальный – вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетический – выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.

При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает – для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.

Кинетической ионно-электронной эмиссии практически нет при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.

Эмиссия горячих электронов – это эмиссия за счет «нагрева» электронов, т.е. передачи электронам энергии или воздействии электрическим полем. Если термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией преодолевающих его электронов и для ее получения твердое тело нагревают (простейший способ нагреть электроны), то можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву тела. Поскольку электроны – заряженные частицы, то наиболее простой способ их «нагрева» – воздействие на них электрическим полем. Создание катода с эмиссией горячих электронов – это, прежде всего, создание в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо «испортить», уменьшив их проводимость, т.к. иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток и катод выйдет из строя.

Один из способов «испортить» металл – это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 10 ммк, электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость.

Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум.

Катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются «островковые», т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами.

Для облегчения выхода электронов катод часто покрывают тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO2, BaO. Лучшие полученные параметры таковы – токоотбор 1 А/см 2 в течение длительного времени и 10 А/см 2 – кратковременно. При этом эффективность (отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку) может приближаться к 100%.

Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника . М., Наука, 1966
Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия . М., Наука, 1969
Брусиловский Б.А. Кинетическая ионно-электронная эмиссия . М., Энергоатомиздат, 1990

Источник: bruma.ru