2.4 Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц
Электронная эмиссия этого вида имеет сходство со вторичной эмиссией. В большинстве случаев испускание электронов происходит от бомбардировки тела ионами. Для характеристики такой эмиссии служит коэффициент выбивания электронов σ, равный отношению числа выбитых электронов nэ к числу ударивших за то же время ионов nи:
(5.4)
Величина σ зависит от вещества бомбардируемого тела и бомбардирующих ионов, энергии ионов, состояния бомбардируемой поверхности, наличия на ней активирующих покрытий, угла падения ионов и других факторов.
Обычно σ значительно меньше единицы, но для полупроводниковых или тонких диэлектрических слоев наблюдались значения σ > 1. Коэффициент σ при увеличении энергии бомбардирующих ионов сначала растет, но затем уменьшается. Наименьшая энергия ионов, необходимая для выбивания электронов, составляет десятки электрон-вольт. При наличии активирующих покрытий σ возрастает. Скорости большинства выбитых электронов составляют от долей вольта до 1–3 в, но встречаются электроны и со скоростями в десятки вольт.
Испускание электронов от ударов ионов является основным видом эмиссии в ионных приборах с тлеющим разрядом, например в стабилитронах, неоновых лампах и т. д., а также встречается в качестве побочного процесса и в других электровакуумных приборах.
Выводы по лекции
Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в окружающий их вакуум или газ. Чтобы вылететь в вакуум и не быть связанным с металлом, электрон должен иметь сверх энергии W0 еще энергию, необходимую для преодоления силы обратного притяжения к металлу.
Существуют следующие виды электронной эмиссии:
1. Термоэлектронная эмиссия, получаемая при повышении температуры тела.
2. Электростатическая электронная эмиссия (иначе; автоэлектронная или холодная), обусловленная действием сильного электрического поля.
3. Вторичная электронная эмиссия, возникающая под ударами электронов о поверхность тела.
4. Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц, возникающая, в частности, от ударов ионов.
5. Фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием лучистой энергии.
Лекция № 15: Электрический разряд в газах
1 Электрические явления в газе, понятие о плазме
Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.
Газы в нормальном состоянии являются изоляторами, носители тока в них отсутствуют. Лишь при создании особых условий в газах могут появиться носители тока (ионы, электроны) и возникает электрический разряд.
В зависимости от того, за счет каких факторов в газе образуются заряженные частицы, необходимые для электрического разряда различают несамостоятельные и самостоятельные разряды.
Если носители тока в газах возникают в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля, говорят о несамостоятельном разряде.
Несамостоятельный разряд может быть вызван нагреванием газа (термическая ионизация), воздействием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, а также воздействием излучения радиоактивных веществ.
Если носители тока возникают в результате процессов, обусловленных созданным в газе электрическим полем, газовый разряд называется самостоятельным.
Характер газового разряда зависит от многих факторов:
от химической природы газа и электродов;
от температуры и давления газа;
от формы, размеров и взаимного расположения электродов;
от напряжения, приложенного к электродам;
от плотности и мощности тока и т.д.
Поэтому газовый разряд может принимать весьма разнообразные формы. Некоторые виды разряда сопровождаются свечением и звуковыми эффектами — шипением, шорохами или треском.
Газоразрядными (ионными) называются электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах.
По конструкции газоразрядные приборы выполняются в виде стеклянной колбы с цоколем, внутри которой помещаются анод и катод. Могут также присутствовать одна или несколько сеток между ними. Из колбы выкачивается воздух, и она заполняется либо инертным газом, (например, неоном, гелием), либо парами (например, ртути, серебра). Давление газа в колбе обычно значительно ниже атмосферного.
Газоразрядные приборы применяются для выпрямления переменного тока (тиратроны, газотроны, игнитроны, ртутные вентили), стабилизации постоянного напряжения (стабилитроны), в качестве электронных переключателей (тиратроны, ионные разрядники) и индикаторов (тиратроны, газоразрядные индикаторные панели).
Общей специфической особенностью газоразрядных приборов является их относительно высокая инертность, которая определяется большими постоянными времени процессов ионизации и деионизации газа в рабочем пространстве приборов. Поэтому газоразрядные приборы, как правило, используются в сравнительно низкочастотных устройствах с рабочей частотой до нескольких сотен килогерц.
Особенности электрического разряда в газах
Электрический разряд в газе — это совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через газ или пар. При таком разряде протекает несколько основных процессов: возбуждение атомов; ионизация; рекомбинация.
При возбуждении атома под ударом электрона один из электронов атома переходит на более удаленную от ядра орбиту, т.е. на более высокий энергетический уровень. Такое возбужденное состояние атома длится обычно 10–10 с, после чего электрон возвращается на свою орбиту и при этом отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуждении от ударившего электрона.
Ионизация атомов (или молекул газа) происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, то каждый из них может ионизировать новый атом. Тогда свободных электронов будет уже четыре, а ионов — три. Эти электроны снова могут произвести ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное нарастание числа электронов и ионов.
Возможна также ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться в нормальное состояние, ионизируется от удара второго электрона.
Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации называют электризацией газа.
Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов.
Положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могу соединиться, образуя нейтральный атом. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией.
Рекомбинация приводит к уменьшению числа заряженных частиц, т.е. к деионизации газа.
Несамостоятельный разряд разделяется на несколько подвидов, основными из которых являются:
- тихий разряд (возникает под действием естественных ионизаторов: космических лучей, радиации, солнечного облучения и т.д.). Для электроники тихий разряд не используется, но он предшествует другим видам разрядов;
- несамостоятельный дуговой разряд (низковольтный). Возникает в ионных приборах с термокатодом (газотроны и тиратроны с накаленным катодом).
Самостоятельный газовый разряд разделяется на следующие подвиды:
- тихий самостоятельный разряд (коронный). Возникает при сравнительно высоких давлениях, и когда один из электродов имеет весьма малый радиус кривизны (игла, тонкая проволока и т.д.). Используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения;
- высокочастотный разряд. Вызывается переменным электрическим полем. (Оба эти разряда поддерживаются только за счет ударной ионизации молекул газа);
- тлеющий разряд. При этом газовом разряде ударная ионизация осуществляется электронами, выбиваемыми из холодного катода (ХК) при бомбардировке его поверхности положительными ионами. Используется в стабилитронах тлеющего разряда и тиратронах.
- самостоятельный дуговой разряд — такой, когда ударная ионизация в основном осуществляется за счет автоэлектронной (электростатической) эмиссии и термоэлектронной эмиссии;
- искровой разряд - кратковременный электрический разряд при сравнительно высоком давлении газа (например, при атмосферном давлении). Используется в разрядниках для кратковременного замыкания цепей.
Простейший ионный прибор состоит из анода и катода, помещенных в баллон. Его вольтамперная характеристика снимается с помощью схемы, показанной на рис.5.12.