Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 5

Взрывная эмиссия принципиально отличается от автоэмиссии тем, что при ней расходуется материал эмиттера. Этот расход может быть, однако, и невелик, и также катоды могут выдерживать десятки тысяч импульсов и даже более. Таким образом, автоэлектронная эмиссия является первой стадией взрывной эмиссии. Взрывная эмиссия может быть получена не только с твердого тела. Известны эксперименты, в которых взрывная эмиссия получалась с вершин волн на поверхности жидкого металла.

Строго говоря, для существования взрывной эмиссии - точнее, ее сильноточной фазы, т.е. эмиссии из плазмы - неважно, откуда эта плазма взялась. Поэтому можно любым способом создать плазменную поверхность, а потом, приложив перпендикулярное к ней поле, вызвать эмиссию из плазмы. В качестве источника плазмы использовался сам вакуумный пробой (разряд в парах материала электрода в вакууме) или разряд по поверхности диэлектрика в вакууме, т.е. плазменное облако над поверхностью диэлектрика, материалом для которого послужил десорбированный с поверхности диэлектрика газ и сам материал диэлектрика.

Катоды со взрывной эмиссией применяются тогда, когда требуются большие токи и являются желательными или, по крайней мере, допустимыми малая длительность импульса и высокое напряжение. Характерные величины - ток до 200 кА, напряжение до 3 МВ, длительность импульса до 100 нс. Эмиттером служит либо довольно тупое острие (радиус закругления - десятые доли мм), либо просто гладкий электрод, работающий за счет естественной шероховатости. Области применения - генерация электронных пучков с указанными выше параметрами для ускорительной техники, для генерации сверхмощного рентгеновского и оптического излучения и др.

ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Фотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект - это испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов). Практическое значение имеют эмиссия из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум и газы. Основные закономерности фотоэлектронной эмиссии таковы: 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения; 2) для каждого вещества существует порог - минимальная частота (или максимальная длина волны) излучения, за которой эмиссия не возникает; 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Фотоэлектронная эмиссия возникает в результате поглощения фотона электроном (с передачей импульса иону), перемещения электрона с высокой энергией к поверхности (при этом электрон может потерять часть энергии) и выхода электрона из тела. Фотоэмиссия может иметь место, если энергия фотона больше работы выхода, которая для чистых поверхностей металлов > 2 эв, а для большинства металлов > 3 эв, поэтому фотоэмиссия наблюдается в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для прочих металлов) частях спектра. Вблизи граничной частоты ("красная граница фотоэффекта") квантовый выход составляет порядка 10^-4 электрон/фотон. Это - следствие сильного отражения металлами излучения и потерь энергии электронами при движении к поверхности (на возбуждение колебаний в электронном газе). Энергию сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нанометров. С увеличением энергии фотонов квантовый выход возрастает, при энергии 12 эв он составляет для металлов величину порядка 10^-3, при 15 эв - 10^-2.

Фотоэмиссия чувствительно к состоянию поверхности, если загрязнения снижают работу выхода, то квантовый выход возрастает. Сильного увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии в видимую область спектра достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), образующих дипольный слой. Например, Cs снижает работу выхода для большинства металлов до 1,4-1,7 эв.

Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения, начиная с энергий фотонов, равных ширине запрещенной зоны. В этом случае поглощения показатель составляет 10⁴-10⁵ см^-1. Если проводимость не слишком велика, то потери энергии электронами происходят не на электронах проводимости, а на электронах валентной зоны (ударная ионизация) или тепловых колебаниях решётки. Если работа выхода более чем вдвое превосходит ширину запрещенной зоны, как в Si (кремнии), Ge (германии), GaAs, то квант с энергией, большей работы выхода, порождает электронно-дырочную пару, потери энергии возрастают, а квантовый выход падает. В этих материалах вблизи порога квантовый выход составляет 10^-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (1 эв) не превышает 10^-4 электрон/фотон. Если работа выхода меньше ширины запрещенной зоны, то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов и фотоэлектроны теряют энергию на длине пробега всего 10-30 нм. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50-100 нм, поэтому квантовый выход таких кристаллов резко возрастает от самого порога фотоэмиссии и достигает больших значений. Так, в CsJ при энергии кванта 7 эв (на расстоянии 0,6 эв от порога), квантовый выход - 0,1 электрон/фотон. Для большинства технических применений важны материалы, обладающие высоким квантовым выходом для видимого и ближнего инфракрасного излучений, они рассмотрены ниже.

Фотоэмиссия широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (фотоэлектронная спектроскопия), в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители), в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон), в инфракрасной технике (электроннооптический преобразователь) и других приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн. Роль этих применений и приборов велика потому, что существенную часть информации об окружающем мире человек получает посредством зрения.

Параметры фотоэлектронных катодов

Основной параметр фотокатодов - это спектральная чувствительность, т.е. отношение количества падающего на катод излучения с определенной длиной волны к эмитируемому им току. Чувствительность фотокатодов принято характеризовать тремя различными способами. Первый: это отношение тока эмиссии к мощности падающего на катод светового излучения на той или иной длине волны, единица - А/Вт (практически мкА/Вт). Второй, менее распространенный способ - это то же отношение, но мощность оптического излучения измеряется не в Вт, а в оптических единицах светового потока, люменах, т.е. единицей чувствительности будет мкА/лм. Однако единица люмен основана на спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза ("кривой видности"), и поэтому так можно характеризовать чувствительность фотокатодов только для видимой части спектра. Кроме того, раз такая чувствительность не является спектральной, то она определима однозначно только в том случае, если оговорено, какой именно источник света (т.е. с какой спектральной характеристикой излучения) используется. Условились, что при измерениях должна использоваться лампа накаливания с вольфрамовой нитью при цветовой температуре 2600№С. Наконец, третий метод определения чувствительности - это квантовый выход, отношение числа эмитированных электронов к числу упавших на катод квантов. Эта характеристика, как и первая, спектральная.

Чувствительность в А/Вт и квантовый выход пропорциональны, но коэффициент пропорциональности зависит от длины волны, так как энергия кванта зависит от длины волны. Квантовый выход 100% соответствует для 200, 400, 600, 800 и 1000 нм соответственно чувствительностям 160, 320, 470, 620, 800 мА/Вт.

Каждый фотокатод имеет свою спектральную характеристику. Чувствительность не равна нулю в рабочем диапазоне длин волн и убывает по его краям. Граница со стороны больших длин волн носит принципиальный характер и называется красной границей фотоэффекта. Как фотоэмиссия, так и термоэмиссия есть у любого вещества. При работе с малыми освещенностями имеет значение фоновый сигнал - т.е. ток, который протекает через прибор при полном отсутствии освещения. Один из компонентов этого фонового сигнала - ток термоэмиссии фотокатода. Поэтому у материалов, используемых как фотокатоды, термоэмиссия должна быть как можно меньше.

По существу фотокатод является катодом с эмиссией горячих электронов (хотя его обычно так не называют), ибо энергия, необходимая для эмиссии, сообщается электрону фотоном, и этот электрон не находится в тепловом равновесии с решеткой. Поэтому фотоэмиссия фотокатодов и их термоэмиссия определяются разными элементами зонной диаграммы их материала; в первом приближении можно считать, что термоэмиссия определяется работой выхода, а фотоэмиссия - электронным сродством, т.е. расстоянием от дна зоны проводимости до уровня вакуума. В некоторых случаях, когда надо добиться возможно меньшего фонового сигнала от уже имеющегося фотоприбора, т.е. возможно меньшего термотока от определенного типа фотокатода, его охлаждают. Понижение температуры от, например, +20№С до -20№С уменьшает термоток на 1-2 порядка. Характерные величины термотоков фотокатодов при комнатной температуре - от 3×10^-19 А/см² (2 электрона в секунду) до 10^-12 А/см².

Следующий из основных параметров фотокатодов - это сопротивление. Дело в том, что фотокатод может работать "на отражение" и "на прострел". Если фотокатод работает на отражение, то он может быть выполнен на массивной металлической подложке, и в этом случае его сопротивление большой роли не играет - выбитый из него электрон замещается другим, пришедшим из хорошо проводящей подложки. Если же фотокатод работает на прострел, то он представляет собой тонкую пленку, нанесенную на прозрачную подложку со стороны вакуума. Свет проходит сквозь подложку, а выбитый из фотокатода электрон улетает в вакуум. Этот электрон должен заместиться другим, иначе фотокатод зарядится положительно и протекание тока прекратится. Замещающий электрон приходит из источника питания через электрод, который располагается по периферии катода. Через подложку он прийти не может, так как прозрачные вещества - диэлектрики. При протекании тока по тонкой пленке (фотокатоду) на нем образуется падение напряжения, неэквипотенциальность, зависящая от освещенности. Режим работы прибора нарушается. Поэтому желательно, чтобы сопротивление фотокатода было меньше.

Для работы с неэквипотенциальностью применяется нанесение на прозрачную подложку тонких проводящих пленок, достаточно низкоомных для выравнивания потенциала, но достаточно тонких, чтобы они слабо поглощали излучение. Чаще всего в качестве таких пленок используются пленки Cr (хрома), W (вольфрама), SnO₂, MnO₂. Сопротивление квадратного участка большинства пленочных фотокатодов при комнатной температуре составляет от 3×10⁶ до 10¹⁰ Ом (или, как говорят, Ом на квадрат) , причем оно увеличивается при охлаждении от +20№С до -20№С в 3-10 раз.

Поскольку фотокатод осуществляет поглощение света и генерацию электронов, то для применений должны иметь значение его оптические параметры. Например, металлы отражают значительную часть светового излучения, что ухудшает их параметры как фотокатодов. Далее, если пленка фотокатода сравнима по толщине с длиной волны, то в результате интерференции в ее толще возникнет то или иное распределение мощности излучения, что повлияет на его параметры. Например, для фотокатода, работающего на отражение, применение хорошо отражающей подложки при условии, что пучность стоячей волны располагается на границе фотокатода и вакуума, увеличивает чувствительность более чем вдвое. Для увеличения чувствительности применяются различные оптические устройства, возвращающие на фотокатод отраженный от него свет.

Для работы катода имеют значение оптические свойства его прозрачных подложек, в частности - полоса пропускания. Так, со стороны малых длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 300 нм, увиолевое стекло - до 200 нм, кварц и сапфир - до 170 нм, фторид магния - до 130 нм и фторид лития - до 100 нм (для более коротких длин волн прозрачных материалов нет). Со стороны больших длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 3 мкм.

Применимость фотокатодов определяется не только этими основными параметрами, но и рядом других. Имеет значение пространственная однородность и временное постоянство всех параметров. В зависимости от масштаба времени говорят о шуме - если речь идет о колебаниях тока за малые времена, о нестабильности параметров, если речь идет о больших временах, и если речь идет о еще больших временах - об ограниченном сроке службы. Граница между этими областями не определена формально, но практически ее располагают где-то в области десятков секунд (между шумом и нестабильностью) и сотен часов (между нестабильностью и сроком службы). Шум, как и у прочих катодов, состоит из двух компонент - собственно шума катода, фликкер-шума (связанного с процессами миграции и диффузии веществ) и шума, связанного с дискретностью потока электронов - дробового шума. Далее, имеет значение спектр скоростей эмитированных электронов - как спектр модулей, так и пространственное распределение. Второе обычно описывается законом Ламберта - эмиссия под углом к нормали пропорциональна косинусу угла. Наконец, для эксплуатации важны вибро- и ударопрочность, термостойкость и т.п.