11. Термоэлектронная эмиссия

11.1. Основные формулы и соотношения

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду.

Работа выхода – энергия, которую необходимо затратить для удаления электрона из твердого или жидкого вещества.

Выйти из тела могут только те электроны, энергия которых больше работы выхода. Число таких электронов ничтожно мало при температурах К и экспоненциально возрастает при увеличении температуры.

При отсутствии "отсасывающего" электрического поля (или при малой его величине) вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд (электронное облако).

Если в вакууме имеется две металлические пластины, между которыми приложена разность потенциалов, то между ними возникает термоэлектронный ток. Сила тока растет с увеличением разности потенциалов. Существует максимальная сила тока, когда все электроны, попадающие через поверхность эмиттера (катода) в электронное облако, увлекаются внешним полем к аноду. Эта максимальная сила тока называется током насыщения.

Ток насыщения определяется по формуле:

                                                 (11.1)

где – площадь поверхности катода; – абсолютная температура; – работа выхода; ; k – постоянная Больцмана.

Автоэлектронная эмиссия (туннельная эмиссия, полевая эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности Е ( В/см). Механизм автоэлектронной эмиссии – туннельное прохождение электронов сквозь потенциальный барьер на границе “проводник – непроводящая среда”. Плотность тока автоэлектронной эмиссии (А.Э.) в вакуум определяется из формулы Фаулера–Нордчейма:

,                           (11.2)

где А  – работа выхода из металла, эВ; – плотность тока, ; Е – напряженность электрического поля, ; и – функции величины; .

Для практических расчетов можно принять ; .

При плотностях тока  А/см² А.Э. приходит в новый режим – взрывную электронную эмиссию.

Взрывной электронной эмиссией (В.Э.Э) называют испускание электронного тока из поверхности проводника, являющегося катодом, вследствие взрыва микроскопического объема на его поверхности. Взрыв обычно происходит из-за быстрого нагрева микроучастков катода электрическим током большой плотности. Примером такого тока является ток автоэлектронной эмиссии с катодных микровыступов, плотность которого при высоких электрических полях достигает и более. Во время взрыва температура микровыступа резко увеличивается, что приводит к возникновению кратковременных лавин или пакетов электронов. Такие лавины заряженных частиц (электронов) называют эктонами.

Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках и так далее, т.е. там, где имеет место высокое электрическое поле на поверхности катода.

Открытие и обстоятельное исследование взрывной электронной эмиссии, а также успехи в разработке техники мощных наносекундных импульсов позволили создать импульсные ускорители электронов мощностью до Вт и более при длительности импульсов с, токе электронов А и энергии электронов эВ.