2.10 Емісійні процеси в плазмі дугового розряду

З поверхні твердих тіл можливі наступні види емісій: термоелектронна, автоелектронна, фотоелектронна (або зовнішній фотоефект), вторинна, екзоелектронна. Екзоелектронна емісія з поверхні електроду в плазмі не відбувається. Взагалі цей вид емісії виникає при механічному діянні на тверде тіло.

Термоелектронна емісія і робота виходу електрона. В залежності від властивостей матеріалу, способу зварювання та величини температури термоелектронна емісія може бути як вирішальною, так і вторинною. Розрізняють наступні види робіт виходу електрону:

— повна робота виходу;

Ф — ефективна робота виходу;

— зовнішня робота виходу електрона.

Повна робота виходу — це робота на подолання поверхневого енергетичного бар’єру.

Ефективна робота виходу — це найменша енергія, яка необхідна електронам з максимальними швидкостями при Т = 0 К для подолання поверхневого енергетичного бар’єру.

Зовнішня робота виходу — це різниця енергій електрона, що знаходиться поза твердим тілом та енергією електрона, який знаходиться на нижньому рівні зони провідності.

— енергія рівня Фермі

Рисунок 2.17 — Різниця енергій для різних видів робіт виходу електрона

При малих значеннях анодної напруги U_а у катодній зоні відбувається накопичення негативного заряду. Чим менша U_а і більше негативного заряду у катодній зоні, тим більший вплив локального електричного поля цього заряду і тим більша робота виходу електронів з катоду (ефект Шоткі).

Автоелектронна емісія. При низьких температурах, коли термоелектронна емісія неможлива, та при напруженості зовнішнього електричного поля Е=10⁷–10⁸ Всм^-1 з катоду інтенсивно емітуються електрони.

а — без електричного поля; б — з електричним полем

Рисунок 2.18 — Зміна потенціального бар’єру при накладанні

зовнішнього електричного поля

Чим більша напруженість, тим більша емісія. Під дією поля бар’єр звужується, він нахиляється і зменшується робота виходу електронів.

Фотоелектронна емісія. Вона не відіграє важливої ролі в плазмі дугового розряду. Для металів умова фотоемісії має вигляд

, (2.47)

де — енергія виходу електрона;

V — швидкість електрона після емісії;

Ф — ефективна робота виходу електрона.

Вторинна емісія — емісія електронів з катода за рахунок поглинання енергії позитивних іонів при їх зіткненні з катодом. Вторинна емісія здійснюється при:

1) потенційному вириванні електронів з катоду повільними іонами з енергією

, (2.48)

де U_і — потенціал іонізації;

е — заряд електрона;

Ф — ефективна робота виходу електрона.

2) кінетичному вириванні електронів за рахунок нагрівання катода при зіткненні іона з катодом.

Для лужних металів eU_і < 2Ф, тому потенційне виривання електронів неможливе, а для іонів Ar, He, H e U_і > 2Ф, тому виривання для них більш імовірні. Коефіцієнт виходу електронів емісії на один іон визначити досить важко. Він залежить від ряду факторів, в тому числі і від енергії іонів і змінюється в широких межах.