Курнаев Введение в пучковую електронику 2008

Если соседствуют участки с разной плотностью атомов, то такие участки обладают разной работой выхода электронов, так как уровень заполнения электронного облака проводимости зависит от концентрации ионов нейтрализующего фона. Например, на участке 2 (рис. 2.13) с гранями, содержащими больше атомов, электроны будут ближе находиться к поверхности и, тем самым, будут в большей степени компенсировать положительные заряды зубцов,

создающих вытягивающее поле, по срав-

(рис. 2.14). Оно направлено таким образом, чтобы сдерживать электроны, эмитированные пятнами с малой работой выхода и ускорять

электроны на участках с большой работой выхода. Таким образом, коллективное действие плазмы металла стремится нивелировать возникающие неоднородности. При этом изменяется потенциальная энергия:

Таким образом, для эмиссии электронов с участков с ϕmin возникает дополнительный потенциальный барьер величиной

201

∞

U = ∫ Eпdx (рис. 2.15). Среднее значение ϕ определяем из соот-

0

ношения:

тает.

Этот эффект получил название аномального эффекта Шоттки. Это аномальное увеличение тока прекратится, как только U1 = 0,

т.е. Eп = E . При дальнейшем увеличении E эмиссия с областей, имеющих ϕmin , будет происходить независимо от пятен с ϕmax ,

увеличение тока термоэмиссии будет соответствовать снижению работы выхода по нормальному эффекту Шоттки:

(eϕaE ) = eϕmin −e3 / 2 E1/ 2 .

202

что вольфрамовый катод с примесью оксидов тория ThO2 (0,5 − 1,5 % по весу) после соответствующей термической обработки дает эмиссионные токи в 105 больше, чем чистый вольфрам. Термическая обработка происходит в три этапа:

1)кратковременное (15 мин) прокаливание при температуре

Т> 2600 К, при котором происходит восстановление части оксида

тория в металлический торий ThO2 → Th + O2 ;

2)длительное прогревание при температуре Т ~ 2000 – 2300 К, при этом происходит диффузия тория к поверхности (активирование катода);

3)снижение температуры до Т < 1800 К, когда прекращается диффузия тория.

Атомы тория находятся на поверхности W в виде диполей, так как работа выхода для тория меньше, чем для W. Поэтому валентные электроны атомов тория оказываются затянутыми в решетку вольфрама.

Электрическое поле диполей понижает потенциальный барьер, в результате работа выхода для W + Th понижается по сравнению с чистым W:

Δϕ = ϕW −ϕW+Th = = 4πnd pd ,

2.20). Пересечение прямой диффузии и прямой испарения определяет равновесную температуру. Для каждой температуры существует своя равновесная концентрация, когда прямая испарения будет пересекать прямую диффузии именно в этой точке, так что

покрытия существует своя равновесная температура, которую можно определить как координату точки пересечения прямых (см. рис. 2.20).

Пленочные катоды могут быть получены не только в результате диффузии атомов примеси на поверхность, но и нанесением пленок на поверхность из газовой фа-

зы. Щелочные металлы легко отдают свои валентные электроны на обобществление в металле. Если поверхность вольфрама контактирует с парами цезия или бария, то поверхность покроется атомами щелочного металла. Работа выхода щелочного металла (см. табл. 2.1) существенно меньше работы выхода вольфрама, поэтому катоды W-Cs и W-Ba будут давать существенно больший термоток, чем чистый вольфрам.

Равновесная толщина покрытия определяется приходом на поверхность плотности потока атомов щелочного материала и уходом с поверхности атомов цезия в процессе испарения. Число атомов Cs, падающих на единицу поверхности в единицу времени:

206

где v = 8kT / πm − среднеарифметическая скорость атомов цезия; PCs = nCskTCs − давление паров цезия.

Скорость ухода с поверхности атомов цезия в процессе испарения определяется теплотой испарения QCs : dndtS =

=C0θCs exp −QCs . Приравнивая эти скорости, получим равновес-

kT

ную степень покрытия. Для катодов W-Cs и W-Ba характерна S- образная зависимость термотока от температуры катода (рис. 2.21), которая влияет на толщину покрытия. При низких температурах катод покрыт сравнительно толстым слоем щелочного металла. С ростом температуры катода равновесная степень покрытия будет за счет испарения уменьшаться. Минимальное значение работы выхода достигается при степени покрытия θCs = 0,7. Так, при ад-

сорбции 0,7 монослоя Cs на W работа выхода eϕa =1,45 эВ, а уже

при двух монослоях eϕa соответствует работе выхода адсобиро-

ванного элемента (1,81 эВ для Cs). Таким образом, высокоэффективные пленочные катоды в случае использования цезия или бария создаются адсорбцией из паровой фазы, в случае использования тория – термодиффузией атомов из объема вольфрамового катода после специальной термической обработки. Широкое использование торированного вольфрама объясняется еще и тем, что такой материал обладает значительно лучшими механическими свойствами, чем чистый W, который весьма хрупок.

207

в бытовой технике, осциллографах, кинескопах, СВЧ-лампах благодаря малой работе выхода (1,2 эВ). Высокая эмиссионная способность оксидов была открыта еще в 1904 г. Долгое время это не находило объяснения. Квантовая теория металла стала складываться только в 1928 − 1930 гг. Фактически оксиды представляют собой диэлектрики, но после активирования (прогрева, при котором кислород уходит, и часть оксидов восстанавливается до металла) слой превращается в полупроводник n-типа с очень высокой эмиссионной способностью. Это происходит следующим образом. После прокаливания на поверхности соль карбоната бария разлагается, оставляя на поверхности оксиды: BaCO3 = CO2 + BaO. Получающиеся таким образом оксидные катоды не активированы. Оксидное покрытие является диэлектриком, поэтому обладает плохими термоэмиссионными свойствами. Процесс активации состоит в нагревании до температуры порядка 1200 К. В результате кислород уходит из покрытия, а часть молекул оксида бария восстанавливается до металлического бария, атомы которого находятся внутри кристаллов оксидов. Появление в слое свободного бария сопровождается образованием в решетке BaO пустых кислородных узлов, вблизи которого возможно закрепление электрона на примесном уровне, лежащем чуть ниже зоны проводимости (рис. 2.23). При нагреве электроны с этих примесных уровней переходят в зону проводимости, затем из зоны проводимости в вакуум.

208

пленки оксида, испарение и распыление слоя оксида происходит при высоких отбираемых токах за счет перегрева термоэмиссионным током.

2.2.Автоэлектронная (полевая) эмиссия металлов

2.2.1.Теория Фаулера − Нордгейма

Прозрачность барьера

Автоэлектронная (полевая) эмиссия – явление эмиссии электронов с поверхности не нагретого металла в присутствии внешнего электрического поля. В присутствии внешнего электрического поля высокой напряженности E (106 107 В/см), помимо увеличения тока эмиссии за счет снижения работы выхода (эффекта Шоттки), изза ограниченности толщины барьера появляется вероятность подбарьерного перехода – «тунельного» эффекта. Испускание электронов под действием внешнего электрического поля, обусловлен-

209