k – постоянная Больцмана, Дж/К.

Значения для W

Т, К	, А/см2
2600	0,7
2300	0,04
1000	10-5
300	0

2. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия

Потенциальная энергия электрона во внешнем электрическом поле напряжённостью равна , а полная энергия потенциального барьера :

.

Энергетический барьер для электронов при действии внешнего электрического поля :

1­­– энергетический барьер в отсутствии внешнего электрического поля;

2– потенциальная энергия электронов во внешнем поле ;

3– результирующая кривая энергетического барьера

В результате действия внешнего поля работа выхода электронов уменьшается на величину ( ) и при значениях начинается эмиссия электронов с поверхности металла. Это явление называется электростатической (автоэлектронной) эмиссией.

3. Вторичная электронная эмиссия

Вторичная электронная эмиссия – это эмиссия электронов с поверхности тела при его бомбардировке быстрыми электронами.

Коэффициент вторичной эмиссии определяется как:

,

где , – число вторичных и первичных электронов; , – ток вторичной электронной эмиссии и первичный ток.

Для металлов: = 0…1,5, для полупроводниковых материалов: = 0…10 (см. рисунок).

Зависимость (Е)

Вторичная электронная эмиссия используется в фотоэлектронных умножителях и других ЭП.

1. Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия - эмиссия электронов, обусловленная исключительно действием электромагнитного излучения, поглощённого телом и не связанная с его нагревом.

Фотоэлектронная эмиссия возможна при условии , где –постоянная Планка; –частота световой волны (красная граница фотоэффекта); –работа выхода электронов.

Законы фотоэлектронной эмиссии

Закон Столетова:

,

где – фототок; – число эмиттируемых электронов в единицу времени; – заряд электрона; Ф– световой поток, лм; К– коэффициент пропорциональности (интегральная чувствительность), А/лм.

Закон Эйнштейна:

,

где – кинетическая энергия эмиттированных электронов.

Согласно закону Эйнштейна кинетическая энергия электронов не зависит от интенсивности светового потока Ф (то есть числа фотонов с энергией ), а определяется энергией кванта электромагнитного излучения, то есть частотой или длиной волны .

Пример:

Дано:

Материал катода – цезий (Cs), работа выхода для Cs , потенциал катода .

Найти:

Максимальную длину волны кванта света , при которой электронный ток между катодом и анодом ещё отсутствует. Расчёт провести для .

Решение:

1. Согласно закону Эйнштейна:

.

Для случая, когда принимается равной нулю ( =0), то есть .

Таким образом , где – минимальная частота волны кванта света, при которой начинается эмиссия электронов с катода (красная граница фотоэффекта). Переходя к длине волны, получим:

.

2. Для случая :

Катоды электронных устройств

Требования, параметры

В большинстве ЭВП и вакуумного технологического оборудования используются термоэлектронные катоды.

Параметры катодов:

1. Плотность эмиссионного тока (определяется законом Ричардсона):

1. Рабочая температура катода Т

1. Эффективность катода:

, ,

где – ток эмиссии; – напряжение, ток и мощность накала. Практика показывает, что расходуется, в основном, на излучение ( %) и лишь незначительная – на эмиссию.

1. Долговечность или срок службы

Критерием долговечности катода является уменьшение его тока эмиссии . Обычно, долговечность – среднее время работы катода, в течение которого уменьшается на 20% от номинального значения.

Требования к катодам:

1. Уменьшение работы выхода

2. Уменьшение рабочей температуры Т

3. Термическая и механическая прочность

4. Долговечность

5. Технологичность
   
   

Конструкции катодов

1. Катоды прямого накала

В этих катодах ток накала протекает непосредственно через них.

а) Катоды для плоской системы б) Катоды для цилиндрической
электродов системы электродов

Преимущества: высокая экономичность, высокая скорость нагрева.

Недостатки: неэквипотенциальность поверхности катода.

1. Катоды косвенного накала

Катодами косвенного накала являются катоды, в которых подогреватель и катод электрически изолированы.

1 – нить подогревателя; 2 – изолирующее покрытие;

3 – цилиндрический керн; 4 – активированный слой

Преимущества: поверхность катода эквипотенциальна, возможность питания нити накала переменным током от отдельного источника.

Недостатки: низкий КПД, большое время нагрева (до 1,5 минут – для мощных ламп).

Основные типы катодов

1. Однородные металлические катоды – катоды прямого накала. Наиболее распространенный материал – вольфрам, , , , эффективность катода .

Преимущества:

1. Постоянство тока эмиссии

2. Устойчивость против ионной бомбардировки

3. Вольфрамовые катоды выполняют роль газопоглотителя (геттера), т.к. атомы W испаряясь при нагреве, химически взаимодействуют с газами и осаждаются на стенках ЭВП.

Недостатки:

1. Высокая температура нагрева T

2. Низкая эффективность катода H

W-катоды используются в электрометрических лампах (например, в датчике давления вакуума – ионизационном преобразователе).

1. Активированные металлические катоды

Из закона Ричардсона следует, что для увеличения плотности тока эмиссии необходимо использовать материалы с меньшей работой выхода . Однако такие материалы обычно химически, термо- и механически неустойчивы (торий, барий и др.). Поэтому на поверхности вольфрамовой основы (керна) формируют тонкую плёнку материала с малой работой выхода (например, тория).

а) Торированный катод

При нагреве W-катода, легированного торием (1…2%), торий диффундирует на поверхность W и образует тонкую плёнку, толщиной в одну молекулу ( ). Th является более электроположительным металлом по отношению к W и отдаёт ему электроны.

Таким образом, создаётся двойной электрический слой , напряжённость которого направлена против напряжённости двойного электрического слоя на границе “металл-вакуум” толщиной . В итоге торированного катода (2,6 эВ) становится меньше чистого тория (3,4 эВ).

Схема торированного катода

Параметры торированного катода: =1800…1900 К , ,

Недостатки: 1. Неустойчивость работы из-за плохого сцепления атомов Th с W.

б) Карбидированный катод – это улучшенный торированный катод.

Поверхность торированного катода (проволоки) легируется углеродом, вследствие чего на поверхности W образуется слой карбида вольфрама , с которым Th имеет лучшее сцепление.

Схема карбидированного катода

Параметры: ,

Преимущества:

1. Более устойчивая и долговечная работа из-за лучшего сцепления Th с поверхностью катода.

Недостатки:

1. Ухудшается пластичность проволоки

2. Поверхность катода растрескивается при резких колебаниях Т вследствие разных коэффициентов термического расширения (к.т.р.) и W.

1. Металлогубчатые камерные катоды (L-катоды или катоды Леменса)

а) плоский L-катод б) цилиндрический L-катод

1. молибденовый цилиндр; 2- пористый W (губка); 3- активное вещество (ВаО); 4- подогреватель

При нагреве оксид бария разлагается ( ) и барий диффундирует через поры W-губки на поверхность, покрывая её активным слоем, а кислород соединяется с вольфрамом.

Параметры: =1200…1600К Долговечность – 10 000ч.

Преимущества: 1. Высокая долговечность (вследствие большого запаса активного вещества) 2. Повышенная стойкость к ионной бомбардировке и к отравлению газами (вследствие защищённости активного вещества пористым W).

Недостатки: 1. Сложность и высокая стоимость конструкции.

1. Оксидные катоды

Оксидные катоды являются наиболее распространённым видом катодов.

Физико-химические процессы, протекающие при изготовлении катодов:

1. На W или Ni керн наносят клеящий состав, содержащий карбонаты щелочно-земельных металлов ( , , ) и активирующие присадки (Si, C);

2. Катод помещают в ЭВП (сборка);

3. Удаляют газы и пары из покрытия катода (Т 570К, Р= Па);

4. Разложение карбонатов , и с образованием оксидов (Т 1000К, Р= Па)

– термическая диссоциация

– химическое взаимодействие с Ni

1. Восстановление из оксидов свободных металлов (активирование катода) (Т 1300К, Р= Па)

– термическая диссоциация оксидов бария

восстановление бария активирующими присадками

Разрез оксидного катода после активирования

1. подогреватель; 2 - керн катода (W или Ni);

1. - промежуточный слой (NiO и активирующие присадки); 4 - оксиды Ba, Sr и Ca; 5 - чистый Ba

Параметры оксидного катода:

Т_раб=1000…1100 К j_e=0,8…1,1 А/см² – в непрерывном режиме; j_e=50А/см² ! – в импульсном режиме; Н=100…120 мА/Вт.

Недостатки:

1. Невысокая долговечность (~1000 ч): а) из-за растрескивания оксидного слоя при перепадах Т; б) в результате отравления катода газами;

2. Испарение Ва с катода приводит к загрязнению других электродов, к паразитной вторичной эмиссии и к отказу ЭВП;

3. Высокая чувствительность к ионной бомбардировке;

4. Искрение катода (отрыв заряженных частиц в местных очагах перегрева) в результате неоднородности оксидного слоя.

Пример 1.

Дано: Катод (Cs) работает при Т=1800 К, j_е=10 А/см², S=0,05 см², работа выхода А_вых= 1,8 эВ, напряжение накала U_н=10 В, ток накала I_н=1 А, средняя начальная кинетическая энергия .

Определить: какая часть мощности накала Р_н расходуется на эмиссию .

Решение:

1. Тепло расходуется на: а) излучение, б) теплоотвод держателями катода,