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

_{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 ЭМИССИОНОЙ 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 тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

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

В зависимости от типа внешнего воздействия различают следующие основные виды электронной эмиссии:

- фотоэлектронную эмиссию;

- термоэлектронную эмиссию;

- автоэлектронную эмиссию;

- вторичную электронную эмиссию;

- ионно-электронную эмиссию.

Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ) – испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) и является одним из видов эмиссии электронов поверхностью твердого тела. Источником энергии возбуждения электронов является энергия теплового движения решетки твердого тела. Недостатком катодов из металла является высокая работа выхода, что требует высоких рабочих температур. Для получения ТЭЭ заметной величины большинство тугоплавких металлов необходимо нагревать до температуры 2000 2500 К. Для выхода электрона из металла необходимо, чтобы его энергия была больше потенциального барьера, а также чтобы электрон с этой энергией мог двигаться перпендикулярно поверхности металла. Если электрон будет двигаться параллельно поверхности, то с какой бы не была его скорость, он никогда не покинет металл. Плотность тока определяется формулой Ричардсона-Дэшмана:

где D – средний коэффициент прозрачности потенциального барьера (0,94 – 0,98).

Можно построить прямую линию:

Эта линия получила название прямой Ричардсона. По пересечению этой прямой с осью ординат вычисляют , а по углу наклона – работу выхода: .

Эмиссионная способность металла в большой степени зависит от имеющихся в нем примесей и от чистоты и шероховатости поверхности. Например, примесь тория в вольфраме при той же температуре дает многократно большую эмиссию.

Термоавтоэлектронная эмиссия. Этот вид эмиссии основан на термоэлектронной эмиссии при наличии электрического поля. Электроны, покидая поверхность катода, 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 (АЭЭ) – испускание электронов проводящими твердыми телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности (E > 10⁶ В/см). Суть процесса в том, что при действии сильного внешнего электрического поля на границе металл-вакуум изменяется форма потенциального барьера. В этом потенциальный барьер имеет конечную ширину. Согласно квантовой механике для электронов, находящихся в такой потенциальной яме, становится возможным туннельное прохождение сквозь потенциальный барьер. Чем уже и ниже потенциальный барьер, тем больше вероятность туннелирования электронов. Электроны, имеющие разную энергию W, имеют и разную вероятность выхода из металла. Наибольшую вероятность выхода имеют электроны с энергией, близкой к энергии Ферми. Высота и ширина барьера существенно зависят от напряженности приложенного электрического поля Е: чем больше напряженность ноля, тем ниже и уже барьер и тем больше эмиссионный выход электронов.

Количественное описание процесса АЭЭ дается 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 поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны).

Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальный (вырывание электронов из тела полем подлетающего иона) и кинетический (выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона). Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени. При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает – для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ионно-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.

Кинетической ионно-электронной эмиссии практически нет при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы.

Постреоние теоретических зависимостей

В работе исследуется электронная эмиссия из катодов: Cr, W, Nb. Параметры материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры материалов катодов

Металл	Cr	W	Nb
eϕ, эВ	4,6	4,54	3,99
Tпл, К	2175	3650	2740

1. Термоэлектронная эмиссия

Рассчитаем и построим зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры с учетом особенностей металлов. Плотность тока (рис. 1) рассчитывается по формуле

Рис. 1. Зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры

Рассчитаем и построим логарифмическую зависимость термоэлектронной эмиссии (рис. 2) по формуле Ричардсона

где D = 0,97 – средний коэффициент прозрачности потенциального барьера (0,94 – 0,98).

Рис. 2. Логарифмические зависимоси термоэлектронной эмиссии от обратной температуры

2. Термоавтоэлектронная эмиссия

Рассчитаем и построим зависимость плотности тока термоавтоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля (рис. 3). При расчетах температуру катода выберем в качестве 0,8 от температуры плавления.

Плотность тока термоавтоэмиссии с учетом эффекта Шоттки:

где – диэлектрическая постоянная.

Рис. 3. Зависимости плотности тока термоавтоэлектронной эмиссии от температуры

3. Автоэлектронная эмиссия

Рассчитаем и построим зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля. Для определения функции Нордгейма ϴ(y) будем использовать выражения

Формула для плотности тока:

где – масса электрона.

Рис. 4. Зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля

Выводы

В рабораторчной работе мы изучали явления термоэлектронной (ТЭЭ), термоавтоэлектронной (ТАЭЭ) и автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) из трех тугоплавких катодов: хромового, вольфрамового и ниобиевого.

Были получены теоретические графики плотности электронных токов, характерные для каждого вида электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия возникает, когда электроны преодолевают потенциальный барьер, используя высокую внутреннюю энергию, которую они получают при нагревании материала до высоких температур, близких к температуре плавления. В лабораторной работе при расчетах использовались температуры, равные 0,8 от температуры плавления.

Для ТЭЭ были построены графики зависимости плотности тока от температуры. Плотность тока ТЭЭ несравнимо меньше, чем при следующих двух типах эмиссии. К возникновению эмиссионного тока при более низких температурах приводит более низкая работа выхода материала катода.

Был построен график прямой для ТЭЭ по формуле Ричардсона, который позволяет вычислить по углу наклона работу выхода.

ТАЭЭ обусловлена наличием вншнего электрического поля. Если поле ускоряющее, потенциальный барьер у поверхности катода снижается – эффект Шоттки.

АЭЭ происходит, когда электроны покидают материал под воздействием сильного внешнего электрического поля (E > 10⁶ В/см). Это приводит к изменению формы потенциального барьера и его конечной ширине. Согласно квантовой механике, электроны могут туннелировать через такой барьер. Ток автоэлектронной эмиссии определяется законом степени трех вторых.

Рассматривая рисунки 3 и 4, сделаем вывод, что для АЭЭ требуются поля с большей напряженностью (Е > 10¹⁰ В/м), чем при ТАЭЭ. Это достигается увеличением радиуса кривизны эмиттеров для создания больших локальных напряженностей поля. Плотность тока определяется локальными плотностями токов, возникающими в эмиссионных центрах с наивысшими напряженностями электрических полей.