Лабы Прикладная физика плазмы (ПФП) / ЛР7 о_О Исследование эмиссионной способности катода Вариант 2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №7

по дисциплине «Прикладная физика плазмы»

Тема: «Исследование эмиссионной способности катода»

Студенты гр.
Преподаватель		Марцынюков С.А.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы: исследование и расчет плотности электронного тока основных видов электронных эмиссий.

Основные теоретические положения:

Электронная эмиссия — испускание электронов поверхностью твердого пела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированиую среду, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода.

Выходу из эмиттера, электрон должен преодолеть потенциальный барьер. Выходу электронов препятствуют силы, действующие у поверхности металла. Если энергии достаточно для преодоления потенциального барьера, то электрон испускается в вакуум.

Явление электронной эмиссии из металла будет наблюдаться, если электронам сообщена энергия, превышающая высоту потенциального барьера. Этот процесс характеризуется плотностью тока эмиссии.

Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами под действием электромагнитного излучения, при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для вещества существует минимальная частота излучения, ниже которой эмиссия не возникает.

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами. Источником является энергия теплового движения решетки. Высокая работа 3 выхода из металла требует высоких рабочих температур. Если электрон будет двигаться параллельно поверхности – он никогда не покинет металл. Плотность тока определяется формулой Ричардсона-Дэшмона:

где А = 1,2*10^-6 А/(м²К² ), D – средний коэффициент прозрачности потенциального барьера (0,94 – 0,98). Можно построить прямую линию называемой прямой Ричердсона:

Эмиссионная способность металла зависит от примесей и шероховатости поверхности.

Термоавтоэлектронная эмиссия. Вид основан на термоэлектронной эмиссии при наличии электрического поля. Электроны покидают поверхность катода и попадают во внешнее электрическое поле. Если поле ускоряющее – потенциальный барьер у поверхности катода снижается. Ускорение нагретых электронов в электрическом поле повышает эмиссию. Этот явление называется эффектом Шоттки. В этом случае плотность тока эмиссии с учетом эффекта Шоттки:

Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности (E > 10⁶ В/см); при этом у поверхности изменяется форма потенциального барьера и у электронов, находящихся в потенциальной яме есть возможность туннелировать через барьер. Высота и ширина барьера зависят от Е, чем больше Е, тем ниже и уже барьер и тем больше эмиссионный выход электрона. Количественно описывается теорией Фаулера-Нордгейма. Эмиссионный ток равен:

Туннелируют через барьер в основном электроны, энергия которых близка к энергии Ферми.

Для большой напряженности поля автоэлектронные эмиттеры делают в виде поверхностей с малым радиус кривизны.

Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов при бомбардировке твердого тела электронами. Бомбардирующие электроны частично отражаются без потери энергии, остальные с потерями энергии – упругое и неупругое отражения. Если энергия и импульс оказываются достаточными для преодоления барьера, то электроны покидают поверхность и считаются вторичными.

Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Два механизма – потенциальный (вырывание электронов полем подлетающего иона) и кинетический (выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона). Эмиссия выше при большей энергии иона и меньшей работе выхода мишени. Этот вид эмиссии сильно зависит от состояния рабочей поверхности.

Ионно-электронной эмиссии почти нет при энергиях меньше 1кэВ, потом линейный рост, потом медленнее, потом максимум и убывание до 1 МэВ, примерно до единицы.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Термоэлектронная эмиссия

Рисунок 1 – График зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры для ванадия и титана

2. Логарифмическая зависимость термоэлектронной эмиссии:

Рисунок 2 – Прямая Ричардсона для Nb, Ta и Re

3. Термоавтоэлектронная эмиссия:

Рисунок 3 – График зависимость плотности тока термоавтоэлектронной эмиссии от температуры для Nb, Ta и Re

4. Автоэлектронная эмиссия

Рисунок 4 - График зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от температуры для Nb, Ta и Re

Выводы:

Во время лабораторной работы были изучены и рассчитаны плотности электронных токов основных типов электронной эмиссии, таких как термоэлектронная, термоавтоэлектронная и автоэлектронная эмиссия для ниобия, тантала и рения. Были построены графики зависимостей плотности тока от температуры для термоэлектронной эмиссии и от напряжённости поля для термоавтоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.

Термоэлектронная эмиссия происходит, когда электроны преодолевают потенциальный барьер благодаря высокой внутренней энергии, передаваемой электронам при нагревании материала до высоких температур, близких к температуре плавления. Для этого обычно пропускают электрический ток.

Наибольшая плотность тока достигается при термоавтоэлектронной эмиссии, так как в отличие от термоэлектронной эмиссии потенциальный барьер уменьшается благодаря эффекту Шоттки.

При автоэлектронной эмиссии электроны покидают материал под воздействием сильного внешнего электрического поля (E > 10^6 В/см), что приводит к изменению формы потенциального барьера и его конечной ширине. Согласно квантовой механике, электроны могут туннелировать через такой барьер. Для увеличения эмиссионного тока используются острия и иглы с большой кривизной поверхности.

Плотность тока ниобия больше, чем у тантала и рения, из-за меньшей работы выхода, что приводит к возникновению эмиссионного тока при более низких температурах.

При термоавтоэлектронной эмиссии плотность тока зависит от температуры плавления и работы выхода металла. У ниобия температура плавления ниже, чем у тантала и ниобия, но при этом и меньше работа выхода, поэтому максимальная плотность тока наблюдается у ниобия при одинаковой напряжённости электрического поля.